窄脈沖激光引信對(duì)云霧中目標(biāo)的回波特性研究

李樂堃 李源 高寵 涂建平

摘 要：激光引信自身工作特性， 使其易受到云霧的干擾， 從而引起虛警， 因此需要提高激光引信抗云霧干擾的能力。 本文利用蒙特卡洛法進(jìn)行建模， 分析了目標(biāo)在云霧環(huán)境下對(duì)不同脈寬激光的回波特性， 并進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)驗(yàn)證。 數(shù)學(xué)仿真與試驗(yàn)結(jié)果證明， 窄脈沖激光引信可以有效抑制云霧回波， 提高引信在云霧環(huán)境中對(duì)目標(biāo)的識(shí)別能力和抗云霧干擾能力， 降低引信虛警。

關(guān)鍵詞： 窄脈沖; 激光引信; 回波特性; 目標(biāo)探測; 抗干擾

中圖分類號(hào)：??? TJ760; TJ43+9.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：??? A 文章編號(hào)： 1673-5048（2021）05-0106-04

0 引? 言

激光引信具有靈敏度高、 啟動(dòng)快速性好以及不易受電子干擾等特點(diǎn)， 在空空、 面空、 空面等多類導(dǎo)彈上得到廣泛的應(yīng)用。 但由于激光的工作波段較短， 與空氣中云霧懸浮粒子尺寸相當(dāng)， 激光引信容易受到云霧干擾產(chǎn)生虛警信號(hào)， 特別是當(dāng)目標(biāo)處于云霧背景中時(shí)， 要求激光引信能從云霧等干擾背景中正確識(shí)別目標(biāo)[1-2]， 對(duì)激光引信性能提出了更高的要求。 因此， 針對(duì)激光在云霧環(huán)境下的傳輸特性的研究具有重要的工程應(yīng)用意義。

窄發(fā)射脈寬對(duì)云霧干擾有明顯抑制作用， 可提高激光引信的抗干擾和目標(biāo)識(shí)別能力， 成為目前激光引信研究與應(yīng)用的熱門方向。? 文獻(xiàn)[3-4]研究了激光引信對(duì)背景的散射回波特性和脈沖寬度對(duì)云霧回波的影響， 但并未對(duì)云霧中目標(biāo)的激光回波特性進(jìn)行分析研究與驗(yàn)證。

本文利用蒙特卡洛法對(duì)激光回波的大量光子運(yùn)動(dòng)， 以及光子與目標(biāo)表面、 云霧懸浮粒子的反射、 散射過程進(jìn)行建模， 研究并分析窄脈沖激光引信對(duì)云霧中目標(biāo)的回波特性， 系統(tǒng)分析了激光脈沖寬度對(duì)云霧背景中目標(biāo)識(shí)別的影響， 并在此基礎(chǔ)上利用某窄脈沖原理樣機(jī)開展了針對(duì)云霧背景下的目標(biāo)識(shí)別試驗(yàn)， 驗(yàn)證了窄脈沖激光可以提高引信對(duì)云霧中目標(biāo)的識(shí)別能力。

1 激光引信回波模型

1.1 激光引信回波的數(shù)字仿真原理

由于激光引信發(fā)射的光子達(dá)到目標(biāo)表面和懸浮顆粒的距離存在差異， 激光回波信號(hào)將受到目標(biāo)和云霧懸浮粒子距離分布的調(diào)制， 從而影響激光回波功率的一維時(shí)間分布[5-6]。

本文采用蒙特卡洛法通過隨機(jī)數(shù)來模擬激光引信產(chǎn)生的大量光子和環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)的云霧顆粒， 模擬大量光子在云霧環(huán)境和目標(biāo)表面的傳輸、 反射和散射過程， 使光子運(yùn)動(dòng)的統(tǒng)計(jì)規(guī)律得以重現(xiàn)， 然后對(duì)全部光子進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析， 進(jìn)而求得交會(huì)過程中某一時(shí)刻激光引信接收到的激光回波功率和波形[7-9]。

1.2 目標(biāo)及云霧的散射特性

目標(biāo)表面對(duì)激光波束的散射特性一般用雙向反射分布函數(shù)（BRDF）描述， 表示某一入射方向的光波， 在表面上半球空間的反射能量的分布。 BRDF模型假設(shè)目標(biāo)表面由小面元組成， 小面元的法線方向呈高斯分布， 并且小面元反射遵循菲涅爾關(guān)系。 BRDF模型表示為[10]

fr （θi ， θr ， φr ）=kb k2rcos α1+（k2r-1）cos α·

exp [b·（1- cos γ）a]·

G（θi ， θr ， φr ） cos θicos θr +kdcos θi （1）

式中：

k2rcos α1+（k2r-1）cos α 代表粗糙表面的鏡面反射分量; ?kd? cos θi? 代表漫反射分量; G（θi ， θr ， φr ）表示遮蔽函數(shù)， 指數(shù)項(xiàng)為描述粗糙度統(tǒng)計(jì)特性的特征函數(shù); kb ， kd， kr， a， b為待定參數(shù); θ i為入射角; θ r為散射角; γ是微觀平面上的入射角。

云霧等自然界懸浮液態(tài)粒子在一般情況下可近似為球形。 由于激光的波長與云霧粒子的直徑相近， 因此一般用米氏散射理論來描述液態(tài)懸浮粒子對(duì)激光引信回波的散射作用[11]。 此時(shí)散射相位函數(shù)f（θ）采用H-G函數(shù)的修正公式[12]， 表示為

f（θ）=321-g22+g21+（ cos θ）2（1+g2-2g cos θ）3/2（2）航空兵器 2021年第28卷第5期

李樂堃， 等： 窄脈沖激光引信對(duì)云霧中目標(biāo)的回波特性研究

1.3 激光引信回波仿真數(shù)學(xué)模型

為了能夠得到光子的歷史信息， 需要對(duì)每一碰撞點(diǎn)處的光子被探測器捕獲的概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。 光子在傳輸過程中， 可能與目標(biāo)表面發(fā)生碰撞， 也可能與懸浮粒子發(fā)生碰撞， 在確定了碰撞點(diǎn)狀態(tài)后， 就開始確定這一碰撞點(diǎn)處的光子被探測器捕獲的概率。

當(dāng)光子與目標(biāo)表面發(fā)生碰撞且光子在探測視域內(nèi)時(shí)， 光子碰撞后被探測器捕獲的概率為

Pm+1=Km+1fr （Ψ， θ， γ）· cos θ· cos Ψ·

exp （-σ·lr ）Srcos ξ/ π l2r（3）

式中： Km+ 1為光子的權(quán)值; σ為衰減系數(shù); Ψ為入射角; θ為散射角; Sr為探測面積; f r表示微分面元d S 上的激光雙向反射分布函數(shù); lr為散射點(diǎn)到探測器的距離; ξ為接收表面法線方向與光子入射方向的夾角。

當(dāng)光子與云霧粒子發(fā)生碰撞且光子在探測視域內(nèi)時(shí)， 光子被探測器捕獲的概率[6]為

Pm+1=Km+1f（θs，? m+1） exp （-σ·lr ）Srcos ξ/4 π l2 r（4）

式中： ?θs，? m +1為散射角。

當(dāng)全部光子的運(yùn)動(dòng)過程模擬結(jié)束后， 開始對(duì)光子被探測器捕獲的概率進(jìn)行記錄。 捕獲概率描述了目標(biāo)+云霧散射系統(tǒng)的沖激響應(yīng)特性。 由于沖激響應(yīng)函數(shù)是散射系統(tǒng)的傳遞函數(shù)， 因此任何到達(dá)接收點(diǎn)的激光回波信號(hào)都可以由發(fā)射脈沖信號(hào)函數(shù)與沖激響應(yīng)函數(shù)的卷積得到。

由于目標(biāo)和云霧表面對(duì)光子的漫反射作用， 激光引信接收到的回波會(huì)有一定程度衰減， 在云霧環(huán)境下回波會(huì)有二次衰減， 其衰減系數(shù)與云霧的能見度與目標(biāo)距激光引信的距離有關(guān)。 本文在設(shè)計(jì)仿真時(shí)考慮到云霧的二次衰減作用對(duì)目標(biāo)回波的影響，? 通過設(shè)置不同的仿真參數(shù)， 測試引信發(fā)射脈寬對(duì)回波的影響。

2 激光回波仿真結(jié)果及分析

假設(shè)發(fā)射脈沖達(dá)到峰值的時(shí)間為t0。

仿真條件1：? 無云霧僅目標(biāo)

目標(biāo)為直徑1 m的白色漫反射球。 激光引信的模擬參數(shù)為功率100 W， 收發(fā)視角為90°， 發(fā)射脈寬為5 ns， 20 ns和40 ns。

仿真條件2：? 純?cè)旗F環(huán)境

激光引信的模擬參數(shù)為功率100 W， 收發(fā)視角為90°，? 發(fā)射脈寬為5 ns， 20 ns和40 ns。? 云霧能見度為5 m， 40 m和100 m。

仿真條件3： 云霧中存在目標(biāo)

目標(biāo)為直徑1 m的白色漫反射球。 激光引信的模擬參數(shù)為功率100 W， 收發(fā)視角為90°， 發(fā)射脈寬為5 ns， 20 ns和40 ns。 云霧能見度選擇5 m， 40 m和100 m 。

仿真結(jié)果如圖1～5所示。 圖1為當(dāng)目標(biāo)在距離激光引信不同距離時(shí)， 對(duì)不同脈寬激光的回波對(duì)比圖。 從圖1中可以看出， 目標(biāo)的回波峰值基本不隨脈寬的改變而改變， 隨目標(biāo)距離的增大， 峰值功率縮小至1/10左右， 并且時(shí)序上后移。

圖2為不同能見度時(shí)， 云霧對(duì)不同脈寬激光的回波功率對(duì)比圖。 圖2中， 同一能見度環(huán)境下， 隨著脈寬減小， 云霧回波的峰值功率減小， 并且會(huì)出現(xiàn)一定的畸變; 5 m能見度環(huán)境下， 5 ns回波峰值功率較40 ns回波峰值功率減小了至少1/2， 40 m與100 m能見度時(shí)， 5 ns回波峰值功率減小至40 ns的1/6左右; 當(dāng)發(fā)射脈寬相同時(shí)， 云霧回波的峰值功率隨著能見度降低而增高。

圖3～5為不同距離的云霧中目標(biāo)在能見度5 m， 40 m與100 m條件下對(duì)不同激光發(fā)射脈寬的激光回波對(duì)比。 由圖3～5可以看出， 其他條件相同時(shí)， 脈寬越窄，? 二者在時(shí)域上的區(qū)分度越大。? 圖3中，?? 5 m能見度環(huán)境下， 不同距離目標(biāo)的峰值回波功率基本相同。 圖4～5中， 7 m處目標(biāo)的回波峰值功率為3 m處目標(biāo)的1/5， 1/10左右。

3 云霧中目標(biāo)探測的試驗(yàn)驗(yàn)證

由上述仿真結(jié)果可知， 使用窄發(fā)射脈沖不僅可以提高激光引信抗云霧干擾的能力， 并且具有一定的云霧中目標(biāo)探測的能力。 現(xiàn)對(duì)上述仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

使用煙霧發(fā)生器， 能見度為30 m的云霧環(huán)境進(jìn)行試驗(yàn)。 在固定位置擺放激光引信試驗(yàn)樣機(jī)和示波器， 使用直徑1 m的白色漫反射球作為目標(biāo)， 通過調(diào)整目標(biāo)的不同距離觀察引信接收回波的波形變化。 為了更好地觀察試驗(yàn)結(jié)果， 試驗(yàn)中使用的引信功率較大。 產(chǎn)品參數(shù)：? 1#激光引信功率200 W， 收發(fā)視場角均為90°， 發(fā)射脈沖寬度35 ns; 2#激光引信功率3 kW， 收發(fā)視場角均為90°， 發(fā)射脈沖寬度5 ns。 試驗(yàn)結(jié)果圖6～7所示。

圖6（a）是引信在純?cè)旗F環(huán)境下的回波波形， 從中可以看出， 1#激光引信云霧回波的展寬較多， 云霧回波較大; 圖6（b）中4 m處的目標(biāo)回波較云霧回波有兩個(gè)不易辨別的波峰， 由于云霧和目標(biāo)回波的疊加作用， 回波存在展寬， 時(shí)序上二者不易區(qū)分， 在進(jìn)行信號(hào)處理時(shí)有一定的難度。

圖6 1#激光引信在實(shí)驗(yàn)室云霧能見度為30 m條件下圖7（a）中， 2#激光引信在純?cè)旗F環(huán)境下回波展寬較小; 圖7（b）中回波有兩個(gè)明顯的波形， 4 m處的目標(biāo)回波和云霧回波已經(jīng)在時(shí)序上完全分開， 基本不存在疊加效應(yīng)， 有利于下一步的信號(hào)處理。 因此可以得出， 脈寬越窄， 激光引信對(duì)云霧的抑制作用越好， 更有利于進(jìn)行抗干擾的信號(hào)處理設(shè)計(jì)。

由于仿真中的云霧是均勻分布的， 而實(shí)驗(yàn)室中創(chuàng)造的云霧環(huán)境并不均勻， 因此試驗(yàn)圖像與仿真圖像中云霧出現(xiàn)的位置不同。

4 結(jié)? 論

本文使用蒙特卡洛法來模擬激光引信產(chǎn)生的大量光子和環(huán)境中自由運(yùn)動(dòng)的云霧顆粒， 模擬大量光子在云霧環(huán)境和目標(biāo)表面的傳輸、 反射和散射過程， 對(duì)云霧和目標(biāo)的回波特性進(jìn)行仿真分析。 通過設(shè)置不同的仿真條件， 得出了窄脈沖對(duì)云霧回波具有抑制作用， 可以提高引信對(duì)云霧中目標(biāo)的區(qū)分度的結(jié)論。 同時(shí)， 本文也對(duì)窄脈沖激光引信的抗云霧干擾能力和對(duì)云霧中目標(biāo)的探測能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。 根據(jù)本文中的仿真與試驗(yàn)結(jié)果， 可以進(jìn)一步設(shè)計(jì)樣機(jī)與相關(guān)的抗云霧干擾的信號(hào)處理算法， 并對(duì)樣機(jī)的抗干擾能力進(jìn)行驗(yàn)證， 從而綜合提高激光引信的抗干擾能力。

參考文獻(xiàn)：

[1] 樊會(huì)濤，? 張蓬蓬. 空空導(dǎo)彈面臨的挑戰(zhàn)[J]. 航空兵器，? 2017（2）：? 3-7.

Fan Huitao，? Zhang Pengpeng. The Challenges for Air-to-Air Missile[J]. Aero Weaponry，? 2017（2）：? 3-7.（in Chinese）

[2] 張蔭錫，? 張好軍. 激光引信抗環(huán)境干擾技術(shù)分析[J]. 制導(dǎo)與引信，? 2002，? 23（3）：? 34-40.

Zhang Yinxi，? Zhang Haojun. Laser Fuzes Anti-Interference of Environment[J]. Guidance and Fuze，? 2002，? 23（3）：? 34-40.（in Chinese）

[3] 張京國，? 梁曉庚，? 劉建新，? 等. 脈沖寬度對(duì)云霧回波的影響研究[J]. 光子學(xué)報(bào)，? 2012，? 41（12）：? 1422-1426.

Zhang Jingguo，? Liang Xiaogeng，? Liu Jianxin，? et al. Effect of Pulse Width on Cloud-and-Fog Backscattering Signal[J]. Acta Photonica Sinica，? 2012，? 41（12）：? 1422-1426.（in Chinese）

[4] 李喆，? 張京國，? 高寵. 激光引信地面背景近場散射特性研究[J]. 航空兵器，? 2015（6）：? 27-30.

Li Zhe，? Zhang Jingguo，? Gao Chong. Characteristics of Laser Fuze Scattering from Ground Background in the Near Field[J]. Aero Weaponry，? 2015（6）：? 27-30.（in Chinese）

[5] 李合新，? 張京國，? 高寵. 激光引信脈沖寬度對(duì)目標(biāo)回波的影響研究[J]. 航空兵器，? 2011（3）：? 52-55.

Li Hexin，? Zhang Jingguo，? Gao Chong. Effect of Laser Fuzes Pulse Width on Target Echo Signal[J]. Aero Weaponry，? 2011（3）：? 52-55.（in Chinese）

[6] 高寵，? 張京國，? 李喆. 隱身目標(biāo)激光近場散射特性研究[J]. 航空兵器，? 2015（6）：? 24-26.

Gao Chong，? Zhang Jingguo，? Li Zhe. Study on Laser Near-Field Scattering Characteristics of Stealth Targets[J]. Aero Weaponry，? 2015（6）：? 24-26.（in Chinese）

[7] 張京國，? 梁曉庚，? 唐俊. 一種激光引信目標(biāo)回波信號(hào)的計(jì)算方法[J]. 制導(dǎo)與引信，? 2008，? 29（1）：? 22-27.

Zhang Jingguo，? Liang Xiaogeng，? Tang Jun. Computation Method on Target Echo Signals of Laser Fuze[J]. Guidance & Fuze，? 2008，? 29（1）：? 22-27.（in Chinese）

[8] 衛(wèi)媛媛，? 賀偉. 快速區(qū)分目標(biāo)與云霧的方法研究[J]. 彈箭與制導(dǎo)學(xué)報(bào)，? 2014，? 34（2）：? 177-181.

Wei Yuanyuan，? He Wei. A Method for Quick Distinguishing between Target and Clouds[J]. Journal of Projectiles， Rockets， Missiles and Guidance，? 2014，? 34（2）：? 177-181.（in Chinese）

[9] 楊若愚，? 梁謙，? 于海山. 一種基于多門限的周視激光引信抗干擾方法研究[J]. 航空兵器，? 2014（3）：? 20-23.

Yang Ruoyu，? Liang Qian，? Yu Haishan. Study of Novel Anti-Interference Method for Panoramic Laser Fuze Based on the Multi-Threshold[J]. Aero Weaponry，? 2014（3）：? 20-23.（in Chinese）

[10] 吳振森，? 陳輝. 激光引信目標(biāo)近場散射特性研究[J]. 激光與紅外，? 2001，? 31（5）：? 294-297.

Wu Zhensen，? Chen Hui. Characteristics of Detonator Laser Beam Scattering from an Object in the Near Field[J]. Laser & Infrared，? 2001，? 31（5）：? 294-297.（in Chinese）

[11] 朱孟真，? 張海良，? 賈紅輝，? 等. 基于Mie散射理論的紫外光散射相函數(shù)研究[J]. 光散射學(xué)報(bào)，? 2007，? 19（3）：? 225-229.

Zhu Mengzhen，? Zhang Hailiang，? Jia Honghui，? et al. Study of Ultraviolet Scattering Phase Function Based on Mie Scattering Theory[J]. The Journal of Light Scattering，? 2007，? 19（3）：? 225-229.（in Chinese）

[12] 李鐵，? 閻煒，? 吳振森. 雙向反射分布函數(shù)模型參量的優(yōu)化及計(jì)算[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào)，? 2002，? 22（7）：? 769-773.

Li Tie，? Yan Wei，? Wu Zhensen. A Parametric Model of Bidirectional Reflectance Distribution Function[J]. Acta Optica Sinica，? 2002，? 22（7）：? 769-773.（in Chinese）

Study on Echo Characteristics of Narrow Pulse

Laser Fuze on Targets in Cloud

Li Lekun*，? Li Yuan，? Gao Chong，? Tu Jianping

（China Airborne Missile Academy，? Luoyang? 471009，? China）

Abstract： Due to the working characteristics of laser fuze，? it is easy to be interfered by cloud，? thus causing false alarm. Therefore，? it is necessary to improve the ability of? laser fuze to resist the cloud interference. Monte Carlo method is used to analyze the echo characteristics of targets in cloud under different pulse width laser，? and carry out relevant tests to verify. The results of mathematical simulation and experiment show that the narrow pulse laser fuze can effectively suppress the cloud echo，? improve the fuzes ability to identify targets in the cloud and anti-cloud interference ability，? and reduce false alarm.

Key words： narrow pulse; laser fuze; echo characteristics; target detection; anti-interference