激光雷達傳感器功能仿真方法研究?

張鴻喜 趙世明

（中國人民解放軍91404部隊41分隊 秦皇島 066001）

1 引言

在裝備試驗鑒定過程中，常采用分布交互式仿真系統進行試驗方案推演和裝備的作戰能力檢驗。對于光電對抗分布交互式仿真系統的構建，需要建立一個基于DIS、HLA或TENA等適用于多種光電對抗任務仿真需求的分布式仿真架構，該架構集成對抗雙方兵力、武器、戰術、戰場環境等各類模型［1～3］?；诜植冀换ナ椒抡嫦到y的應用需求，實現上述各類模型功能及戰術、技術指標的仿真即可滿足系統仿真應用需求。激光雷達傳感器作為光電對抗分布交互式仿真系統的重要組成部分，其建模和仿真方法研究不可或缺。本文從一般意義上研究激光雷達傳感器的功能仿真方法，主要研究分布交互式仿真系統中基于激光雷達傳感器原理的激光尋的制導導引頭功能級建模與仿真，首先針對典型激光雷達傳感器，建立了參數描述模型，作為其仿真模型建立和仿真的基礎，而后，建立了激光雷達傳感器模型，重點研究了激光雷達信號門限值計算模型、目標像素計算模型，以及目標捕獲計算模型，最后給出了仿真運行結果，得出了目標捕獲概率計算一般性規律，表明該激光雷達傳感器模型可用于激光雷達導彈制導仿真應用。

2 激光雷達傳感器參數描述

激光雷達傳感器模型建模時，為了逼真模擬激光雷達傳感器的性能，必須對激光雷達傳感器模型相關參數進行描述，包括相應目標和大氣環境參數描述。

2.1 激光雷達傳感器參數

典型激光雷達模型參數包括了功率、脈沖功率、脈沖寬度、脈沖能量、波長、子脈沖數量、分辨率、脈沖重復頻率、波束散射以及接收機門限［4］。

典型激光雷達傳感器掃描參數和導彈彈道包括了導彈飛行高度、飛行速度、俯仰角、傾斜角、傾斜頻率［5］、偏航極限、偏航率，以及有效的光學系統水平和垂直視場。

2.2 目標與環境參數

目標由其物理形狀、大小以及反射系數進行定義［6］；目標類型和方位由激光雷達的瞄準距離、下視角以及方位角決定。該模型也用于進行目標遮蔽仿真。

對于氣象條件，環境可由大氣透過率參數描述，大氣透射率是大氣能見度的函數，該模型也描述了由于戰場煙幕引起的戰場不可視情況［7］，包括雨、雪、霧以及敵方釋放的煙幕等因素。

3 激光雷達傳感器建模

3.1 激光雷達傳感器目標捕獲過程設計

激光雷達傳感器模型的核心是捕獲模型，該模型負責計算傳感器的捕獲概率，捕獲概率是以上各參數的函數。目標捕獲概率計算過程如下：

1）在氣象條件、射程以及目標反射系數的基礎上，計算目標信號門限值S/T。

2）如果信號門限值S/T大于1，目標反射激光信號值將由目標類型、方位、導彈射程以及激光雷達方位分辨率等參數計算。通過創建一個具有適當分辨率和方位的目標像素圖，可以計算出目標的激光返回值，而目標像素由目標像素點求和計算。

3）根據捕獲概率-目標像素實驗曲線計算得到捕獲概率。仿真過程中所產生隨機數與捕獲概率比較以確定目標是否捕獲。

4）若目標被捕獲，目標信息記入目標報告，經任務管理器處理決定導彈是否攻擊以及何時攻擊。目標信息包括目標慣性位置和捕獲時間。

3.2 信號門限計算模型

激光返回信號門限值S/T通過以下公式計算［8］。

式中：Edes為激光束能量（焦耳）；ρ為目標反射率（%）；Thrs為傳感器獲取目標的圓形區能量門限值（焦耳/平方厘米）；Trs為煙幕以及能見度不高情況下的激光透射率（%）；Trm為純凈大氣環境情況下的激光透射率（%）；Rm為傳感器到目標的距離（m）。

煙幕以及能見度不高情況下的激光透射率Trs是指定煙幕類型（定義了與波長相關的消光系數）和指定的濃度路徑長度（concentration-pathlength）的函數。

激光透射率是特定可視范圍的函數［9］：

式中：α1.06為1.06μm時的消光系數，計算公式為α1.06=0.73α1.16

v；αv為可視消光系數，計算公式為αv=3.912/vis。

其中，Vis為可視范圍。

當S/T＜1時，捕獲概率=0.0

當S/T＞1時，捕獲概率=f（POT），其中POT為目標像素數量。

3.3 目標像素計算模型

捕獲模型的核心是根據S/T和目標像素POT計算出目標捕獲情況［10］。目標像素的計算模型可以生成在適當的距離、方位角和俯仰角觀察到的目標像素圖，輸入數據包括像素分辨率、目標類型、目標距離以及方位角，輸出數據包括在特定距離和方位由激光雷達捕獲的目標像素數量。

激光雷達掃描到的任何目標都將形成一個特定的表征區域［11］。典型激光雷達的分辨率為0.4毫弧度，可在大約1km處捕獲到目標。激光雷達發射出的激光經目標反射后在1km處將擴散至0.4m。因此，4m×4m的目標板的分辨率為100個像素點。在激光雷達模型中，目標像素是由垂直和水平軸上像素的數目、目標距離以及激光雷達分辨率決定。

此外，目標像素數還與目標與周圍環境的空間關系有關，目標受地形及周邊目標遮蔽導致激光雷達僅能觀察到部分目標像素。

3.4 捕獲概率計算模型

捕獲概率是關于導彈自動目標捕獲性能的函數。如果S/T大于1，可以假定有足夠的信噪比（S/N）。因此，目標像素就成為增強系統性能的重要參數。如果目標像素低，盡管潛在目標被探測到的可能性很高，特別是相對比較平坦的地形條件，但目標圖像中沒有足夠的距離信息，以至于不能對目標進行區分。隨著目標像素的增加，將可獲得更多的距離信息，以確定目標的實際大小和形狀。因此，當目標像素較大時，捕獲概率將接近于1。

4 激光雷達傳感器仿真及分析

激光雷達傳感器仿真是要模擬出激光制導導彈捕獲目標的全過程，其仿真過程假定目標處于平坦的平原地形環境，導彈按照輸入的特定彈道飛行，當達到適當的速度和高度并處于直線水平飛行狀態時，激光雷達開始進行目標搜索［12］。當激光雷達掃描到目標時，開始計算捕獲概率，確定傳感器是否捕獲到目標。傳感器探測到的目標經過處理后形成目標航跡，輸出帶有探測時間標志的目標位置，送導彈制導模型處理，決定是否進行攻擊以及何時進行攻擊。

根據激光雷達仿真數據的分析，可以得出一條初步的規律，即當目標像素接近275時，捕獲概率將接近75%。一般認為，成像系統的捕獲概率是與目標關鍵區域內的線對（line pairs）呈正態分布。由于圖像中的線由一排像素組成，所以線對與像素有著密切的關系，兩排像素將在水平或垂直方向上形成一個線對。如果一個信噪比高的圖像系統在一個接近正方形形狀的目標上分辨出4個線對，那么它將分辨出8條線和64個像素點。根據這個邏輯，275個像素點大約相當于8.3個線對。圖1描述了線對函數的概率曲線，當捕獲概率為50%時大概需要6.5個線對，當捕獲概率達到75%時大概需要8.3個線對。圖2描述了捕獲概率和目標像素的函數曲線，該捕獲概率曲線現用于激光雷達模型。

圖1 目標捕獲概率與線對的曲線

圖2 目標捕獲概率與目標像素的曲線

5 結語

針對分布交互式光電對抗仿真應用需求，本文重點研究了激光雷達傳感器功能級仿真模型，核心是建立了激光雷達捕獲目標概率計算模型，并相應建立了該激光雷達傳感器模型參數描述，目標信號門限計算模型以及目標像素計算模型，最后根據仿真運行結果，給出了激光雷達模擬器模型應用一般規律，并應用于分布交互式光電對抗仿真系統中。本文激光雷達傳感器仿真模型計算過程假定激光雷達是在在低雜波環境運行。下一步工作將建立更為逼真模型和仿真算法，進一步研究雜波信號對自動目標識別性能的影響。