隱身目標(biāo)激光近場散射特性研究

高　寵， 張京國， 李　喆

(中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽　471009)

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隱身目標(biāo)激光近場散射特性研究

高寵， 張京國， 李喆

(中國空空導(dǎo)彈研究院, 河南 洛陽471009)

摘要：采用波束分割法， 通過仿真計算各個被照射小面元的激光雷達散射截面(Laser Radar Cross Section， LRCS)， 并進行疊加， 獲得目標(biāo)LRCS。 定量分析了隱身目標(biāo)的激光遠(yuǎn)場、 近場散射特性， 可以為激光近距探測系統(tǒng)靈敏度等參數(shù)的設(shè)計提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：隱身目標(biāo)； 激光近場散射特性； 激光雷達散射截面； 仿真計算

0引言

由于激光引信具有良好的距離截止特性、 對目標(biāo)能主動全向探測、 抗電子干擾能力強等特點， 因此得到了廣泛的應(yīng)用。 目標(biāo)激光近場散射特性是激光引信設(shè)計和性能評估的基礎(chǔ)和依據(jù)， 決定了激光引信的主要技術(shù)參數(shù)， 目標(biāo)激光近場散射特性的研究對于激光引信設(shè)計有重要意義[1-6]。

目前， 國內(nèi)外針對目標(biāo)激光散射特性開展了大量的研究工作[7-10]， 但對激光近場散射特性的研究還比較少， 尤其是隱身目標(biāo)的激光近場散射特性。 本文主要對隱身目標(biāo)的激光散射特性進行仿真分析。

1目標(biāo)激光散射特性計算模型

目標(biāo)激光散射特性采用激光雷達散射截面(Laser Radar Cross Section， LRCS) 來表征， 反映目標(biāo)表面材料方向散射特性、 目標(biāo)幾何形狀結(jié)構(gòu)和激光波長等因素對目標(biāo)激光散射特性的綜合影響， 用σ表示。 雖然對于引信近場來說， 其LRCS與激光雷達中所提的目標(biāo)LRCS受照射區(qū)域、 照射方向、 距離等因素影響概念有所不同， 但是在彈目交會過程中， 仍可以作為衡量目標(biāo)散射特性的定量標(biāo)準(zhǔn)。

一般通過雙向反射分布函數(shù)( Bidirectional Reflectance Distribution Function， BRDF)來計算LRCS。 BRDF被用來表征目標(biāo)表面材料方向散射特性， 用fr表示。 目標(biāo)表面材料的BRDF與表面材料粗糙度、 入射角和散射角等有關(guān)。

整個目標(biāo)表面的LRCS為[6]

σ=∫AiπfrcosθicosθrdAi

(1)

式中： 積分域Ai為目標(biāo)被激光照射到的面積；θi為入射角；θr為散射角。

BRDF五參數(shù)模型[11-12]為

(2)

式中： 第一項為粗糙表面的鏡面反射分量； 第二項為漫反射分量；G(θi,θr,φr)為遮蔽函數(shù)， 指數(shù)項為描述粗糙度統(tǒng)計特性的特征函數(shù)；kb，kd，kr，a，b為待定參數(shù)， 由目標(biāo)表面材料決定， 可通過實測數(shù)據(jù)計算得到；θi為入射角；θr為散射角；γ為微觀平面上的入射角； cosα為θi和θr的函數(shù)；α和γ表示為

(3)

這里可認(rèn)為cosφr=1。

2目標(biāo)激光散射特性仿真計算

2.1　目標(biāo)激光散射特性的仿真方法

對于像隱身飛機一類的復(fù)雜目標(biāo)， 在導(dǎo)彈與目標(biāo)相對交會運動過程中， 目標(biāo)表面面積比激光引信波束照射面積大得多， 通過波束分割法， 求解交會過程中某一時刻的激光引信照射到的目標(biāo)表面LRCS。 波束分割是指把發(fā)射光束分成大量細(xì)小光束的集合， 求解這些細(xì)小光束照射到的目標(biāo)部位。 通過對各個小單元的LRCS的計算， 進入視場判斷和遮擋判斷， 將被照射面元的LRCS進行疊加， 得到目標(biāo)的LRCS[6]。

2.2　典型材料的BRDF

三種材料(鋼675、 殲七蒙皮、 白漆)的BRDF隨散射角的變化關(guān)系如圖1所示， 這里散射方向和入射方向重合。

圖1　BRDF隨散射角的變化關(guān)系

從圖1可以看出， 鋼675材料的鏡面效應(yīng)強于白漆。 在散射角15°內(nèi)， 鋼675的BRDF隨散射角迅速減小， 而白漆的BRDF隨散射角的變化相對緩慢。

2.3　目標(biāo)激光遠(yuǎn)場散射特性

F-22A飛機表面材料的BRDF無法獲取， 這里選取兩種代表性的材料對F-22A飛機激光散射特性進行分析， 包括鏡面反射較強、 漫反射較弱的金屬材料(鋼675)和鏡面反射相對較弱、 漫散射較強的白漆涂層。

F-22A飛機遠(yuǎn)場LRCS水平面仿真結(jié)果如圖2所示， 其中表面材料分別選用鋼675和某型白漆涂層。

圖2　水平面遠(yuǎn)場LRCS

從圖2可以看出：

(1) 當(dāng)F-22A飛機表面材料散射特性類似于鋼675散射特性時， F-22A遠(yuǎn)場LRCS最小值為-15 dBsm， 在頭部±30°范圍內(nèi)， LRCS約-10 dBsm， 即0.1 m2；

(2) 當(dāng)F-22A飛機表面材料散射特性類似于白漆涂層散射特性時， F-22A遠(yuǎn)場LRCS最小值大于0 dBsm， 即1 m2， 不具有隱身效果。

因此， 如果F-22A對激光具有較好的隱身效果， 則F-22A表面材料的散射特性接近于金屬的散射特性。

2.4　目標(biāo)激光近場散射特性

脫靶量10 m條件下， 導(dǎo)彈從F-22A飛機正下方迎頭、 尾追交會的動態(tài)LRCS計算結(jié)果分別如圖3~4所示。 圖中橫坐標(biāo)為沿相對速度方向?qū)椢恢茫?為正表示導(dǎo)彈在目標(biāo)前方， 為負(fù)表示導(dǎo)彈在目標(biāo)后方， 其中“0”點為目標(biāo)幾何中心在相對速度方向的投影。 計算條件：探測視場角1°。

圖3　迎頭交會動態(tài)LRCS計算結(jié)果

圖4　尾追交會動態(tài)LRCS計算結(jié)果

從圖3~4可以看出， 鋼675與白漆涂層對目標(biāo)動態(tài)LRCS影響較大， 在大多數(shù)情況下鋼675的目標(biāo)動態(tài)LRCS小于白漆涂層的動態(tài)LRCS。

隨機抽取16 224條全向交會彈道進行數(shù)字仿真， 交會條件：交會角0°～180°； 脫靶方位0°～360°。 計算結(jié)果表明：

(1) 當(dāng)F-22A飛機表面材料散射特性類似于白漆涂層散射特性時， 當(dāng)引信最小可探測LRCS為-16 dBsm時， 引信對F-22A飛機的啟動概率大于99%；

(2) 當(dāng)F-22A飛機表面材料散射特性類似于鋼675散射特性時， 當(dāng)引信最小可探測LRCS為-20 dBsm時， 引信對F-22A飛機的啟動概率大于99%。

3結(jié)論

本文主要對F-22A飛機的激光散射特性進行仿真計算， 結(jié)果表明：

(1) 當(dāng)表面材料激光散射特性類似于鋼675時， F-22A在頭部±30°范圍內(nèi)的遠(yuǎn)場LRCS約-10 dBsm， 近場LRCS最小值為-20 dBsm；

(2) 當(dāng)表面材料激光散射特性類似于白漆涂層時， F-22A遠(yuǎn)場LRCS最小值大于0 dBsm， 近場LRCS最小值為-16 dBsm。

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Study on Laser Near-Field Scattering Characteristics

of Stealth Targets

Gao Chong， Zhang Jingguo， Li Zhe

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:Adopting the method of beam splitting, through the simulation calculation of each irradiated facet of laser radar cross section (LRCS) and superposition, the LRCS of target is acquired. Laser far-field and near-field scattering characteristics of stealth targets are quantitatively analyzed, which can provide reference for the sensitivity design of laser short range detection system.

Key words:stealth targets; laser near-field scattering characteristics； LRCS; simulation calculation

作者簡介：高寵(1979-)，男，山西朔州人，高級工程師，研究方向為引信目標(biāo)與環(huán)境特性、引戰(zhàn)配合。

收稿日期：2015-07-30

中圖分類號：TN958.98

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-5048(2015)06-0024-03