線目標激光雷達散射截面測量計算方法

吉林省長春理工大學研究生院機電工程學院 胡凱峰 呂瓊瑩 張新

1 激光雷達散射截面概念

當被測目標被激光照射時，能量從各個方向散射，散射場與入射場之和就構成空間的總場，散射能量的空間分布稱為散射方向圖，它取決于被測目標的大小、形狀和結構，以及入射波的f（頻率）、極化等。產生激光散射的物體通常稱為目標（target）或散射體。

激光雷達散射截面的定義是基于平面波照射下目標各向同性散射的概念。入射激光的功率密度為：

E'和H'分別為入射電場和磁場強度。故總功率為：

如果物體將所有功率各向同性地散射出去，則在距離為R的遠處，其散射功率的密度為：

散射功率可用散射場來表示:

于是有：

因為入射波是平面波，且假定為點散射體，所以距離R→∞時，有：

這就是雷達散射截面最基本的理論定義式[2]。

2 線目標激光雷達散射截面方程的計算

激光雷達散射截面計算方程的標準形式（功率）[3][4]：

其中：

PR：接收激光功率（W）;

PT：發射激光功率（W）；

GT：發射天線增益；

σW：目標散射截面；

D：接收孔徑（m）；

R：激光雷達到目標的距離（m）

ηAtm：單程大氣傳輸系數；

ηSys：激光雷達光學系統的傳輸函數；

AR：有效接收面積（m2）；

θT：發射激光的帶寬；

λ：發射激光的波長；

Ka：孔徑透光系數；

Ω：目標的散射立體角；

dA：目標的面積；

ρW：目標的平均反射系數；

（5）σW目標散射截面

對于線狀目標的討論，如一般的電纜電線，它的長度遠遠大于一個被照亮區域的長度，而寬度卻遠小于被照區域的寬度。考慮到一個漫射的線性目標。

故線目標激光雷達散射截面的方程為:

3 關于線目標LRCS的測量

對線目標的LRCS，可以進行理論計算，也可以進行實際的測量。在這里我們只對線目標LRCS測量做一個簡單的計算[5]。

3.1 測量線目標LRCS的基本方法

為了得到線目標的LRCS測量值，可以直接對實際目標進行測量，也可以利用“模型比較法”進行測試。測量的方法一般有三種：外場動態測量、地面靜態測量和微波暗室內的測量。這三種測量方法，原理是大致相同的，但設備利用差別比較大。

雷達距離方程為：

由雷達方程可知，當式中除PR和d外，其余各項參數固定不變時，則雷達散射截面d的取值僅僅與接收功率PR成正比。從而得到LRCS測量的表達式為：

式中d0為被測指定目標的LRCS值，P0為在相同條件下，對被測指定目標進行測量時的接收功率。通常是用標準的金屬圓柱做為標定目標。因它的雷達散射截面d0可以用精確的理論計算方法求出，故在上式中的d0和P0對這個給定的系統來說都是已知量。因此對于任何目標來說，只要測得Pr即可簡單地換算出d來。在實際測量系統中，電壓的測量要比功率測量容易得多，故表達式為:

因此，只要測量出被測目標的電壓輸出值，即可繪制出LRCS曲線。典型的LRCS測量系統的原理如圖1所示。

圖1 典型的L R C S測量系統原理

3.2 實驗儀器及測試結果

在本實驗中定標如表1所示。

利用上述指標測量標準目標輸出電壓 V0=38.9mV；d0=8.51mm。

表1 試驗定標

4 結論

本文對線目標激光雷達散射截面做了較為充分的理論計算和實驗仿真，但仍然需要繼續深入地探索與發現。激光雷達作為現金最先進的目標定位儀器,需要我們不斷去研究以及應用，例如無人機避障等等。

圖2 測量結果

[1]黃剛強.D C_1雷達目標散射截面積測量設備 [J].國防科技大學學報,1982:49-58.

[2]賀嘉.激光雷達高速掃描系統原理及設計[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[3]常暢.激光雷達散射截面測量的一種補償方法[D].西安:西安電子科技大學,2013.

[4]劉林艷.激光散射自動測量系統研究[D].西安:西安電子科技大學,2009.

[5]楊洋.點目標激光雷達散射截面的實驗研究[J].承德石油高等專科學校學報,2003,5(3).