激光近距探測抗氣溶膠干擾方法研究進展

陳 鵬,趙繼廣,宋一鑠

(1.航天工程大學 研究生院，北京 101416； 2 北京市遙感信息研究所， 北京 100192；3.航天工程大學 電子與光學工程系， 北京 101416)

現代戰爭的任務場景中，激光近距探測以其優越性能，發揮著越來越重要的作用。但是彌散在激光傳輸路徑的氣溶膠介質會對激光探測產生干擾[1]，使其探測性能急劇下降，無法準確對目標進行探測和識別。嚴重時可能會產生虛警[2-3]，使導彈早炸失效。特別是在對方有針對性的投放煙幕干擾彈時，極強的干擾嚴重影響探測系統的應用。因此研究激光近距探測抗氣溶膠干擾的方法是很有應用價值的，對于復雜戰場環境下武器系統的運用具有一定意義。

本研究簡述了激光探測中氣溶膠的情況，從探測體制、硬件改進、信號處理方法3個角度綜述了常見的激光探測抗氣溶膠干擾的方法，對以往的方法進行分析對比，討論了激光探測抗氣溶膠干擾的發展方向。

1 氣溶膠后向散射干擾分析

氣溶膠存在于地球的各個角落，對自然光和人造光產生散射作用。當光波長較長時，氣溶膠的散射作用很小，有時可以忽略。但在可見光與近紅外激光的波長范圍內，氣溶膠的粒子尺度與光波長相近，此時粒子發生瑞利散射和Mie散射，散射作用強，對激光應用效能影響很大。

當激光近距探測的路徑上存在的氣溶膠時，散射作用使激光有用信號衰減，后向散射干擾信號增大，導致探測性能降低。其中對近距探測影響最嚴重的就是后向散射干擾，當氣溶膠較濃時，干擾達到一定程度，就會發生虛警，引起嚴重后果。特別是在對方有針對性的投放煙幕干擾彈時，極強的干擾嚴重影響探測系統的應用。因此，研究激光引信的抗氣溶膠干擾方法是十分重要的。

2 基于多種探測體制的抗干擾

在激光直接探測領域，目前國內外較多采用脈沖測距體制。但傳統的脈沖體制激光測距精度受環境影響較大，易受煙塵、云霧等氣溶膠的干擾，導致測距性能下降，虛警概率提高。本節介紹了從體制上抗氣溶膠干擾的方法。

2.1 雙波長激光探測

目標反射率隨激光波長的變化很小，而大氣粒子的后向散射特性具有顯著的波長選擇性，雙色激光引信的原理就是通過目標與大氣粒子對兩種不同波長激光回波信號散射強度比值的差異來識別干擾。

雙色探測技術已經應用到了導彈的制導系統，美國尾刺和法國西北風導彈均采用紫外和紅外雙色制導體制，國內研制單位也已經研制出紫外和紅外雙色激光共軸引信樣機，并進行了探測性能和抗干擾試驗。試驗表明，在多種氣溶膠環境下，紫外激光的后向散射光能量明顯高于紅外激光，散射比值基本維持在2.3～3.5，可以很明顯的與目標反射信號區分開。

2.2 激光無線電復合探測

激光引信抗電磁干擾能力強，幾乎不受有源干擾的影響，但易受到云霧煙塵等氣溶膠的散射和吸收作用。傳統的無線電引信對云霧煙塵等氣溶膠具有較強的穿透性，但比較容易受到電磁干擾。如果將激光引信與無線電引信結合起來運用，就可以實現高精度定距和強抗干擾的優勢結合。

付春[4]提出了一種激光與無線電復合探測的技術，兩套系統獨立運行、互不干擾。設系統探測距離為L的目標時，激光探測和無線電探測的結果分別為L1和L2，兩套系統的精確度分別為δ1和δ2，則所測結果與真實距離的關系為

L-δ1

(1)

L-δ2

(2)

由式(1)、式(2)可知，正常工作時應滿足

-δ1-δ2

(3)

若兩套系統都正常工作，距離取精度值較高的激光引信探測結果；當激光探測通道受到云層、煙塵和濃霧等干擾導致精度下降時，激光與無線電通道的距離差變大，超出式(3)范圍，此時距離值取無線電引信的探測結果。

雖然原理簡單易實現，但是這樣就會導致結構復雜，體積、功耗倍增，尚不適合小型導彈；另外由于敵機自衛干擾的威脅，在彈目遭遇段，無線電引信首先被干擾的可能性更大。

2.3 成像引信技術

在與目標交會過程中，由于激光探測視場具有較強的方向性，因此可以獲得被探測物體的二維、三維圖像，并利用目標圖像與云霧圖像的差異來識別出目標和云霧。該體制通過陣列探測器掃描或無掃描成像，獲取目標的三維圖像，根據目標特征或者目標局部特征進行識別。不僅可以提高抗云霧干擾的能力，還可以精確的控制炸點，因此這種方法能力綜合能力很強。但該方法對探測器的要求較高，目前國內技術還不成熟。

2.4 FMCW激光探測技術

調頻連續波(Frequency modulated continuous wave,FMCW)激光探測技術利用線性調頻射頻副載波信號調制發射激光信號強度，信號處理子系統將接收到的信號與本振信號混頻提取出差頻信號，利用差頻信號得到目標的距離信息。調頻連續波激光探測可實現多目標探測，理論上只要能以足夠高的頻率分辨率分辨出相鄰目標對應的譜線，就能將相鄰目標分辨出來。

FMCW激光探測得到的目標距離是由發射和接收信號的差頻信號頻率計算得出，受回波信號幅值和時域波形畸變的影響較小，所以抗干擾能力強于脈沖激光引信。

FMCW激光探測體制比脈沖體制的優勢：① 精度更高；② 抗背景光和人為光干擾能力更強；③ FMCW能分辨相鄰目標，只要能以足夠的頻率分辨力分辨出相鄰目標的譜線，就可以將目標回波和云霧回波區分開；④ 可以同時實現測距和測速。

3 基于硬件改進的抗干擾

為了提升抗干擾能力，改進硬件性能是一種常用的做法。這類方法可以取得很直觀的效果，但有時成本較高。

3.1 高功率發射

當云霧等氣溶膠粒子濃度較大時，散射和吸收作用較強，導致接收到的激光回波信號較弱，作用距離大幅減小。提高引信發射機功率可以提高回波強度，增大探測距離，但是當粒子后向散射較強時，較高的發射功率也帶來較強的干擾回波。同時，該方法受限于引信的體積、功耗等約束。

3.2 窄脈沖發射

對于同樣濃度的氣溶膠，當發射脈沖較寬時，由多個粒子后向散射回波的脈沖會發生疊加，致使回波能量增強，而激光脈沖較窄時，這種疊加效應會大幅減小[5,6]。張京國[7]給出了云霧散射回波的波形、波峰位置、脈寬和峰值功率隨發射脈寬的變化規律。圖1為4種不同脈寬對應的后向散射回波時域曲線。仿真結果表明，回波峰值功率隨發射脈寬的增大而增大，脈寬展寬程度隨發射脈寬的增大而減弱。因此可以利用窄脈沖發射降低干擾回波的功率，降低虛警概率。

圖1 不同脈寬的后向散射回波時域曲線

但是，該技術對激光器、驅動電路等硬件指標要求較高，在接收時還需要匹配超帶寬放大器，其小型化設計存在一定困難[8]。

3.3 偏振探測

偏振光經過實體目標反射和云霧后向散射的偏振度存在較大差異。當線偏振光入射到粗糙度不高的金屬目標表面時，反射回波的偏振度很高。當線偏振光入射到云霧等懸浮粒子時， 由于多次散射有較強的消偏作用，導致散射光的偏振度相比金屬目標回波的明顯降低。試驗表明，散射光的偏振度隨散射次數的增加而迅速見效，粒子濃度越大，對偏振狀態影響也越大。

偏振探測工程實現較為容易，只需要在發射和接收系統前加裝偏振器件即可。偏振探測激光引信明顯的優勢是對抗近距濃霧、識別云霧中目標的能力都很強。但偏振探測接收到的信號衰減較嚴重，當濃度較大時，保持最初偏振態的光子數量大幅減少，接收器可能難以感應到這些光子。

偏振探測可以有效衰減干擾信號，在一定程度上抑制氣溶膠后向散射干擾，但同時偏振器件也會對目標回波產生一定程度的衰減，進而影響系統的探測性能。

3.4 收發光束交叉探測

采用收發光束交叉探測方式，如圖2所示，該方式只在接收視場內截取了發射光束的一段長度， 照射距離相對縮短，所以對近距離氣溶膠粒子的后向散射抑制作用比較明顯。云霧回波信號主要由近距云霧產生，因此，可以通過調整收發間距和視場角、增大近距盲區，提高抗云霧干擾能力。

圖2 收發光束交叉探測示意圖

采用收發光束交叉探測方式時，應適當增大收發窗口間距，張京國[9]對該問題進行了詳細研究。結果表明，隨著收發間距的增大，介質散射回波的延時和展寬會增大，回波的功率會減小。

收發光束交叉探測的優點是對抗近距大氣粒子干擾能力強、技術簡單，是目前主要的技術手段之一。難點是發射和接收視場尖銳，不易調試[10]。缺點是收發窗口間距越大，探測盲區就越大，使引信脫靶量很小時探測導彈類小目標可能出現“漏測”目標的情形[11]。

3.5 云霧抑制與邊緣增強復合探測技術

Gardner和Hardy[12]用相鄰距離信號相減來抑制云霧雜波干擾和識別真實目標存在，消除了因氣溶膠粒子所引起的虛警探測。

該方法如圖3所示，由目標探測器(202位置)與輔助探測器(201,203位置)相鄰布置，邊緣視場緊密相連。目標探測器和輔助探測器的距離選通區域不同，目標較小時只會出現在一個區域中，而云霧彌散在多個區域中，因此利用相鄰區域信號相減可以抵消云霧干擾。當目標較大時，可能占據多個探測器，因此該方法對較大目標探測能力有限。

圖3 云霧抑制與邊緣增強復合探測示意圖

4 基于信號處理方法的抗干擾

通過軟件的信號處理方法實現抗干擾的方法很多，可以取得較好的效果，目前得到廣泛應用。

4.1 多次測量結果求和

實際應用中的干擾是多樣的，不僅僅有外部的有源、無源干擾，還有來自系統內部的噪聲等干擾。為避免各種隨機干擾對激光探測產生影響，在信號處理過程中，回波脈沖一般要積累數個才被判定是遭遇目標[13]。這種方法對隨機的干擾比較有效，但沒法解決持續的干擾。

4.2 回波時域特征判別

由于粒子的散射作用，云霧中的光子沿著不同的軌跡運動，不同光子在云霧中運動時長亦不相同，導致了云霧回波的一些特點。對比云霧與目標的回波波形，云霧回波有明顯的時域特征，可利用回波脈沖在形狀、寬度、上升沿和幅度等特征上區別進行目標和干擾識別。云霧回波和目標回波時域特征共有4點區別[5,11]：

1) 一般情況下，云霧回波脈沖寬度要大于目標回波脈沖寬度；

2) 云霧回波脈沖的上升沿相對平緩，而目標回波脈沖上升沿較陡；

3) 相同距離條件下，云霧回波功率通常小于目標回波功率；

4) 云霧回波脈沖類似于鐘形脈沖，而目標回波脈沖與發射脈沖形狀相近。

法國Thales公司[3]采用多扇形波束判別法識別云霧干擾，檢測多個扇區回波信號的幅度變化率，將緩慢變化的信號判定為云霧干擾，并將其從回波中減去。若目標與云霧混合在一起，此方法可能將混合信號判別為云霧干擾信號，從而產生漏警。

當前裝備中廣泛應用這種方法進行判別，在理想情況下可以取得不錯的效果。但是當目標形狀復雜、目標材料反射率低、云霧濃度較大或者目標與云霧回波混疊時將難以識別。

4.3 改進門限法

傳統的門限法僅根據回波幅值來判斷是否為目標，但實際應用場合回波幅值起伏很大，如果考慮激光引信與目標交會的各種姿勢，作用距離從1～7 m之間，回波信號強度差別最多達300倍[14]，因此使用固定的單門限很難保證探測性能。合理利用云霧回波的特性，采用改進的門限法可以更加準確的識別目標回波和云霧干擾回波，提高激光探測性能。

1) 多重門限

云霧后向散射信號總是連續變化，且變化幅度相對緩慢，引信在穿越云霧或在云霧中穿行時，云霧產生的后向散射信號增速將大大低于導彈、飛機等傳統的硬目標反射信號增速。尤其是激光引信所發射的激光剛剛接觸目標到完全接觸目標的過程，是有效反射面積變化最為劇烈的階段。鄭洋[8]利用干擾信號的緩變性提出了雙門限判別法。其中一個門限采用傳統的閾值法對信號幅度(信噪比)進行判別，另一個門限則對信號增速進行判別。

2) 可調整門限

目標及云霧回波張角和回波強度的特征具有以下規律：① 目標回波張角較小，云霧回波張角較大；② 云霧回波強度變化緩慢，而目標回波往往具有明顯的變化趨勢；③ 一般情況下相同距離處，云霧回波強度將顯著小于實體目標。楊若愚[15]利用目標及云霧回波張角和回波強度的特征規律，設計了可調整的多重門限。

多門限方法分為三級可調的雙重門限：① 正常工作模式，較低的云霧門限和目標門限，幅度大于云霧門限的回波張角小于120°；② 抗干擾工作模式，回波張角大于120°且超過云霧門限時啟動該模式，抬高云霧門限和目標門限，在抬高后幅度大于云霧門限的回波張角小于120°；③ 小脫靶量工作模式，使用最高的門限作為判決門限，只要有回波超過該門限即認為目標存在。

4.4 自動增益控制

自動增益控制：通過設置增益控制電路，使探測器輸出信號與一個隨時間變化的增益相疊加。再結合距離門限技術，可以衰減云霧回波信號，并放大目標回波信號，有效地濾除近距散射和云霧回波干擾。原理如圖4所示[14]。

圖4 自動增益控制信號處理原理曲線

4.5 小波分析

當目標回波與云霧回波混疊時，目標的峰值點會產生移動，一般的信號處理方法會嚴重降低精度，在激光探測應用時可能產生嚴重的后果。李新斌[16]采用小波卷積法對激光探測回波信號進行分析。該方法能夠分離出相互重疊的2個脈沖信號，確定峰值的位置和峰值大小，如圖5所示。根據激光后向散射理論，區分激光的后向散射回波和目標信號的反射回波，并將激光后向散射回波剔除，保留目標反射回波作為激光探測的數據進行處理，從而提高了激光抗云霧干擾的性能，能夠有效提高激光探測抗云霧、霧霾等后向散射干擾。

圖5 小波分析法提取回波曲線

4.6 時域濾波

時域濾波的原理是將有目標時回波信號與無目標時回波信號相運算，通過調整濾波器參數，使得回波中后向散射噪聲部分相互對消，從而抑制了后向散射，突顯了目標信號。

華中科技大學的程藻[17]運用基于自適應后向散射濾波技術的激光探測目標探測方法，提出了基于變遺忘因子最小二乘法的自適應濾波技術，研究了不同參數下的濾波效果，如圖6所示。通過信號后向散射比(Signal-to-backscatter ratio,SBR)來評價濾波的效果，定量給出了后向散射抑制的效果。對比了信號處理前后的信號后向散射比SBR，證明該方法有效地抑制了后向散射。

圖6 自適應濾波處理前后的回波信號曲線

4.7 頻域處理

1) 脈沖體制激光探測的頻域處理

美國空軍空對地目標識別系統ERAS-ER，基于增強型識別與敏感激光雷達，應用載波調制技術抑制云等模糊物的干擾。

華中科技大學的冀航[18]和黎靜[19]研究了基于頻域濾波的脈沖激光探測后向散射抑制方法。該方法在發射端將探測信號調制到高頻，接收端進行頻域檢測，并用帶通濾波器濾除低頻信號。通過比較頻域濾波前后的目標對比度，證明該方法可以抑制后向散射信號，增強目標有效信號的對比度。仿真驗證系統對后向散射信號有18 dB的抑制能力。

2) FMCW體制激光探測的頻域處理

陳慧敏[20]研究了FMCW激光引信的云霧回波的頻域特性，并用樣機進行了初步實驗研究，得出了簡單的結論：云霧濃度較大時，樣機僅探測到霧的回波信號，無法探測到目標板；當濃度較小時，樣機同時探測到霧和目標板的回波信號，差頻頻譜出現與之對應的兩個峰值。該研究為FMCW體制的頻域處理提供了參考。

Zhang[21]采用FMCW激光探測體制，針對云霧等干擾回波與目標回波在時域不易區分的問題，探索了在頻域進行信號處理的方法?；陬l譜幅值歸一化加和值的大小，來判斷該頻譜是目標回波還是云霧回波。如圖7所示，云霧的頻譜幅度歸一化加和值大于目標的該值，二者之差值較大，如果取到合適的閾值，就能夠將云霧和目標很好地區分開。Zhang首次提出了利用頻域分析的方法區分云霧干擾和目標回波，一定程度上取得了不錯的效果，但沒有考慮目標在云霧中的情況，所以無法將云霧中的目標識別出來。

圖7 云霧和目標的頻譜歸一化加和值

5 結論

云霧煙塵等氣溶膠介質會對激光探測性能產生影響，研究抗干擾方法具有十分重要的意義。本文從體制、硬件、信號處理方法3個角度綜述了常見的激光探測抗氣溶膠干擾的方法，對各種方法進行分析對比，有以下幾點啟示：

1) 武器平臺對激光引信載荷的體積、質量、功耗都有嚴格的約束，抗干擾方法要考慮相關約束。

2) 收發光束交叉探測是抑制云霧非常有效且容易實現的方法，可很好地抑制近距離多重散射，值得深入研究。

3) 在沒有無線電干擾的環境下，利用激光無線電復合探測具有很強的抗環境干擾的優勢。

4) 關于頻域處理研究還不夠深入，如能在頻域實現后向散射抑制，則可以在較少改變硬件情況下大幅提升抗干擾能力，因此這是很有潛力的一個研究方向。