激光引信收發(fā)間距對云霧回波的影響

張京國，梁曉庚，劉建新，牛青坡，唐 俊

（1.西北工業(yè)大學，陜西 西安 710072；2.中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471009）

0 引言

激光引信具有對目標的主動全向探測能力、啟動位置控制精度高、探測視場方向性尖銳、不易受電子干擾等特點，因此一直受到重視，并得到廣泛的應用。但由于工作波段的原因，激光引信也存在著受自然環(huán)境如云霧、沙塵影響較大的缺點，成為制約激光引信發(fā)展和應用的“瓶頸”問題。

目前，國內(nèi)外對激光引信云霧回波特征［1－5］開展了大量的研究。但就收發(fā)間距對激光引信云霧回波影響的研究，國外由于技術保密的原因，沒有見到詳細的定量研究報道。本文主要就收發(fā)間距對云霧散射回波的幅度、脈寬、波峰位置和波形進行定量研究，為激光引信抗云霧懸浮粒子干擾提供技術支撐。

1 云霧散射回波仿真方法

云、霧等氣溶膠粒子懸浮于大氣中，主要通過對激光的吸收和散射兩種途徑直接影響激光引信的探測性能。圖1是激光引信光學收發(fā)視場示意圖，A是發(fā)射窗口，B是接收窗口，從圖中可以看出，發(fā)射和接收視場在C處相交，由于近距光學幾何距離截止的原因，距離小于C處的區(qū)域引信是“看不見”的，也被稱作“近距盲區(qū)”，C處到引信表面的距離常被稱為“盲區(qū)距離”，A處與B處的間距常被稱為“收發(fā)間距”。激光引信接收到的散射回波信號的特征與收發(fā)間距密切相關。

圖1 激光引信收發(fā)光學視場示意圖Fig.1 Sketch of the receiving and transmitting field of view for laser fuse

云霧是相對密集的懸浮粒子所組成的散射體，是一種不穩(wěn)定的可穿透性目標，云霧等液態(tài)懸浮粒子在一般情況下可近似為球形。當散射微粒尺寸相當于或大于光波長時，產(chǎn)生米氏散射［6－7］，各種濃度的云霧粒子的半徑在1～60μm之間，而激光引信的波長在1μm左右，因此云霧粒子的米氏散射效應對激光引信形成回波干擾。云霧對激光引信近紅外光散射產(chǎn)生的回波信號，不僅受到云霧散射特性的影響，還受到激光引信收發(fā)視場和激光脈沖信號特征等因素的影響。一般通過蒙特卡羅法［6－8］來研究云霧散射回波信號。

蒙特卡羅模擬法，就是直接從物理問題出發(fā)，根據(jù)由大量光子運動狀態(tài)總結(jié)出來的統(tǒng)計規(guī)律，利用隨機數(shù)來模擬光子的真實物理過程，使光子運動的統(tǒng)計規(guī)律得以重現(xiàn)，得到仿真試驗數(shù)據(jù)，再進行分析推斷，最后得到單次散射和多次散射回波的規(guī)律。單次散射是指光子被云霧散射一次后被探測器捕獲，多次散射是指光子被探測器捕獲前，在云霧中被云霧懸浮粒子散射多次。

在蒙特卡羅模擬法中，光子運動過程的模擬大致分為兩大步：第一步確定光子的初始狀態(tài)S0；第二步由狀態(tài)Sm來確定狀態(tài)Sm＋1。第二步又分為二個過程，第一個過程是確定散射的位置，是一個輸運過程；第二個過程是確定光子的權值、經(jīng)歷時間以及碰撞后的運動方向余弦，稱為碰撞過程，并且在碰撞過程發(fā)生前還需要確定光子模擬過程是否結(jié)束。

光子被散射后新的方向余弦為［8－9］：

設散射后光子的運動方向余弦表示為 （U′，V′，W′），則散射角余弦為：

式（2）中，

式（3）中，ls是激光引信收發(fā)間距；R為彈體半徑；（xm＋1，ym＋1，zm＋1）是第 m ＋1個碰撞點的位置坐標。

散射后的方位角φm＋1＝2πζ在（0，2π）之間均勻分布，ζ為（0，1）之間的隨機數(shù)。光子散射角可由下面的抽樣函數(shù)得到［8－9］

式（4）中，g為非對稱因子。

為了能夠得到光子的歷史信息，需要對每一碰撞點處的光子被探測器捕獲的概率進行統(tǒng)計。在確定了碰撞點狀態(tài)Sm＋1后，就開始確定這一碰撞點處的光子被捕獲的概率。當光子在探測視場區(qū)域內(nèi)時，被探測器捕獲的概率為：

式（5）中，Km＋1是光子的權值；σ是衰減系數(shù)；H＊是激光引信與云霧邊緣的間距；S是探測面積；f（θ）是散射相位函數(shù)，采用H－G函數(shù)的修正公式［9］

接收表面法線方向與光子入射方向的夾角表示為：

2 激光云霧散射回波隨收發(fā)間距的變化規(guī)律

圖2給出了云霧散射回波峰值功率隨收發(fā)間距的變化規(guī)律，圖3給出了云霧散射回波波峰位置隨收發(fā)間距的變化規(guī)律，圖4給出了云霧散射回波展寬程度隨收發(fā)間距的變化規(guī)律，圖5給出了云霧散射回波波形隨收發(fā)間距的變化規(guī)律。

圖2 回波峰值功率隨收發(fā)間距的變化規(guī)律Fig.2 Peak power of laser echo variable with the baseline distance

圖3 回波波峰位置隨收發(fā)間距的變化規(guī)律Fig.3 Peak position of laser echo variable with the baseline distance

圖4 云霧散射回波展寬程度隨收發(fā)間距的變化規(guī)律Fig.4 Pulse broadening ratio of laser echo variable with the baseline distance

其中圖4的脈沖展寬比值是散射回波半功率寬度與發(fā)射脈沖半功率寬度的比值。圖2—圖5給出的計算結(jié)果是引信處于云霧中得到的，所用的主要仿真參數(shù)如下：接收系統(tǒng)通光面積0.000 6m2，探測視場傾角85°，發(fā)射視場角0.4°，波長0.95μm，云霧對光波的折射率1.33×10－7～1.3×10－7j，圖2—圖4的盲區(qū)距離3m。

圖5 回波波形隨收發(fā)間距的變化規(guī)律Fig.5 Wave shape of laser echo variable with the baseline distance

從圖2—圖5可知，回波峰值功率隨著收發(fā)間距的增大而下降，且盲區(qū)距離越小或云霧能見度越大，下降速度越小；在接收視場角由盲區(qū)距離和最大作用距離限定的條件下，收發(fā)間距越大，云霧散射回波延遲時間越長，即回波波峰相對于發(fā)射脈沖的波峰延時越大；當盲區(qū)距離較大時，云霧散射回波展寬程度隨收發(fā)間距的增大而增強，而當盲區(qū)距離較小時，云霧散射回波展寬程度隨收發(fā)間距的變化不明顯；收發(fā)間距對回波波形有一定影響，收發(fā)間距越大，回波波形越趨近于高斯形，基本上只有當光脈沖的寬度在幾納秒的時候，多次散射才對信號的波形畸變發(fā)生影響。

3 收發(fā)間距對云霧散射回波影響分析

云霧對激光的后向散射能量主要集中在激光光束傳輸區(qū)域附近，不僅收發(fā)視場直接探測到的云霧會形成后向散射，而且由于多次散射作用會擴展到相鄰區(qū)域形成后向散射。盲區(qū)距離內(nèi)貼近收發(fā)系統(tǒng)的云霧的散射主要為多次散射，而盲區(qū)距離外云霧的散射包括單次散射和多次散射，探測器捕獲單次散射的光子的范圍主要由盲區(qū)距離和最大作用距離決定。由于多次散射的作用，將會使探測器接收到的回波信號能量大于單次散射回波的能量，但單次散射在總的散射中起主導作用，多次散射的貢獻相對較小，一般小于總散射回波的40%。

在激光引信進入到云霧中的條件下，從云霧介質(zhì)多次散射回來的信號的幅值的變化規(guī)律并不總是固定不變的，散射的大小與云霧介質(zhì)的能見度、引信收發(fā)視場結(jié)構參數(shù)（收發(fā)間距、盲區(qū)距離、發(fā)射視場角和接收視場角）和發(fā)射激光脈沖特性等因素有關。對于給定的云霧而言，云霧散射回波功率隨著收發(fā)間距的增大而減小。因此，為了提高激光引信的抗云霧干擾能力，在滿足對目標探測能力條件下應盡可能增大收發(fā)間距，這樣可有效抑制貼近收發(fā)窗口之間云霧的多次散射信號，尤其對于低能見度云霧的效果更好。

由于激光發(fā)射脈沖在時間上有一定寬度，而云霧在空間上有一定縱深，對激光具有可穿透性，云霧懸浮粒子對激光束的后向散射體現(xiàn)為隨機分布的不同時刻發(fā)射的光子經(jīng)過不同路徑的散射事件的組合，云霧散射回波信號是云霧空間的分布特性和發(fā)射脈沖波形聯(lián)合調(diào)制的結(jié)果，因此對于窄脈沖激光引信，云霧散射回波相對于發(fā)射脈沖會有一定的展寬。而激光引信收發(fā)視場結(jié)構參數(shù)影響回波信號的寬度展寬程度，隨著收發(fā)間距的增大，多次散射回波與單次散射回波峰值位置差別增大，不能很好地重疊，進而導致單次和多次散射疊加而成的總回波的寬度增大。因此，增大激光引信收發(fā)間距，利用云霧回波信號的展寬這一特征，可以對目標與云霧予以識別。

4 結(jié)論

本文就激光引信云霧回波信號進行了模擬分析，并就收發(fā)間距對云霧散射回波的峰值功率、脈寬、波峰位置和波形進行了模擬分析，研究結(jié)果如下：1）當引信處于云霧中時，回波峰值功率隨著收發(fā)間距的增大而下降，且盲區(qū)距離越小或云霧能見度越大，下降速度越??；2）當引信處于云霧中時，回波波峰位置隨收發(fā)間距的增大而增大；3）當引信處于云霧中時，云霧散射回波展寬程度隨著收發(fā)間距的增大而增大。分析表明：仿真結(jié)果符合云霧對傳輸光束的散射規(guī)律，可以為激光引信收發(fā)視場參數(shù)的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

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