點(diǎn)目標(biāo)LRCS測(cè)量系統(tǒng)研究

吉林省長(zhǎng)春理工大學(xué)研究生院機(jī)電工程學(xué)院 張新 呂瓊瑩 胡凱峰 蔣貴德

1 研究背景及意義

激光雷達(dá)散射截面（LRCS）延續(xù)了微波雷達(dá)散射截面（RCS）的定義，它是一種假想出來(lái)的面積，又可以叫做漫射平面或漫射標(biāo)準(zhǔn)件的幾何投影面積。它等同于一個(gè)無(wú)損耗的朗伯表面（Lambertiansurface），該表面在接收機(jī)和目標(biāo)上產(chǎn)生的散射功率相同。這個(gè)截面從通過(guò)它的電磁波中截取能量，接收天線(xiàn)終端接收功率就等于入射波功率密度乘以暴露在這個(gè)功率密度中的天線(xiàn)有效面積，這個(gè)面積用σ表示[1]。

目標(biāo)LRCS的測(cè)量是研究目標(biāo)雷達(dá)特征的必要手段。對(duì)目標(biāo)的實(shí)際測(cè)量不但可獲取目標(biāo)基本散射特征，對(duì)已有實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證分析，并可獲得大量目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)其測(cè)量方法的研究不但可用來(lái)分析目標(biāo)散射場(chǎng)的各種機(jī)理，更可以應(yīng)用到現(xiàn)代及未來(lái)軍事研究中，對(duì)目標(biāo)的精確識(shí)別和未來(lái)武器優(yōu)化都具有重要意義。

2 理論基礎(chǔ)

目標(biāo)按相對(duì)于光斑大小可分為三類(lèi)：即擴(kuò)展目標(biāo)、點(diǎn)目標(biāo)和線(xiàn)狀目標(biāo)。LRCS的測(cè)量受多種因素影響，如目標(biāo)的幾何參數(shù)、物理參數(shù)和入射雷達(dá)波參數(shù)等，同時(shí)還與目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的姿態(tài)有關(guān)。對(duì)于擴(kuò)展目標(biāo)，光斑是不能覆蓋整個(gè)目標(biāo)的，所以無(wú)法用其RCS來(lái)準(zhǔn)確表征其特性；對(duì)于線(xiàn)狀目標(biāo),必須考慮目標(biāo)相對(duì)光斑的位置[2]；對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)，我們可以用其LRCS來(lái)表征其目標(biāo)特性。本文中討論的即某錐形點(diǎn)目標(biāo)的激光雷達(dá)散射截面情況。

已知LRCS的定義式為：

對(duì)于各向同性散射點(diǎn)目標(biāo)，距離目標(biāo)R處滿(mǎn)足：

對(duì)于目標(biāo)表面均方粗糙度大于激光波長(zhǎng)，且反射信號(hào)均勻散射、幅度分布具有BRDF特征的暗小目標(biāo)的LRCS面積σ的計(jì)算公式如下：

ρ為半球反射率；r為朗伯圓面半徑；θ為朗伯面的入射角度。

利用雷達(dá)方程并通過(guò)實(shí)驗(yàn)可知：

Pr—接收機(jī)接收的激光反向散射功率；Pt—激光發(fā)射功率；

ωt—發(fā)射光束立體角；ωr—目標(biāo)散射光束立體角；

σ—雷達(dá)散射截面積；Ac—接收器孔徑面積；

T—目標(biāo)單向傳輸路徑透射率；T1—光學(xué)系統(tǒng)效率；

該式中T、T1等量不易測(cè)量，實(shí)際場(chǎng)合下并不實(shí)用。為此我們采用微波雷達(dá)中曾用過(guò)的另一種方法——標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)法[3]進(jìn)行測(cè)量。為了消除易變因素對(duì)σ的影響,在距離雷達(dá)R0處放置一個(gè)LRCS為σ0的標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)樣品,其中σ0、R0均為已知量,則由（4）式得到標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)的回波功率為:

設(shè)定一般目標(biāo)散射立體角相等，此時(shí)聯(lián)立上式得到：

特別當(dāng)：R=R0時(shí)，T=T0，則 σ·σ0

其中 Pr、P0可由探測(cè)器響應(yīng)得到，即 Pr=RVVr，P0=RVV0，則上式變?yōu)?

Vr、V0分別為待測(cè)目標(biāo)和標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)在探測(cè)器的輸出電壓，上式即實(shí)驗(yàn)方法獲取LRCS的公式。我們以半徑為a的漫反射球（噴砂鋁球）為參考目標(biāo)時(shí)激光雷達(dá)散射截面σ 具有0如下形式：

其中ρ2π是目標(biāo)材料的半球反射率，紅外激光常用的噴砂鋁板和聚四氟乙烯的半球反射率分別為0.65和0.98。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與仿真

雷達(dá)發(fā)射端和接收端天線(xiàn)一般到目標(biāo)的距離已經(jīng)遠(yuǎn)大于目標(biāo)任何意義上的尺寸，所以入射到目標(biāo)處的雷達(dá)波可以近似看成平面波，我們以后對(duì)于激光雷達(dá)的討論是基于入射光為平面波的情況。我們對(duì)錐形點(diǎn)目標(biāo)LRCS進(jìn)行精確測(cè)量采用的是單站對(duì)比測(cè)量法，即我們將入射光進(jìn)行調(diào)制后分光，一束光經(jīng)準(zhǔn)直后照射到待測(cè)目標(biāo)上，再對(duì)目標(biāo)反射回來(lái)的光束進(jìn)行收集，準(zhǔn)直后進(jìn)鎖相；另一束光作為參考光束進(jìn)鎖相，將兩光束分別導(dǎo)入光譜儀并通過(guò)特定軟件進(jìn)行分析。測(cè)量系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 單站對(duì)比測(cè)量系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)中光源選擇的是波長(zhǎng)1550nm的光纖體激光器；光環(huán)行器選擇的是THORLABS的6015-3-FC型單模光纖環(huán)行器；轉(zhuǎn)臺(tái)選擇的是Thorlabs的TTR001型俯仰、傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)；光譜儀選擇的是上海復(fù)享儀器設(shè)備有限公司制造的NIR1700型近紅外光譜儀，如圖2、圖3所示。

圖2 TTR001型俯仰、傾斜轉(zhuǎn)臺(tái)

圖3 NIR1700型近紅外光譜儀

當(dāng)目標(biāo)角度變化時(shí)，LRCS變化規(guī)律如圖4所示。

[1]阮穎錚等.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1998.6

[2]楊洋.激光雷達(dá)標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)散射截面的研究[J].光學(xué)技術(shù)Vol.26No.4July2000

[3]張威.測(cè)量目標(biāo)雷達(dá)后向散射截面的標(biāo)準(zhǔn)法.GF69681:1～3.