點目標LRCS測量系統研究

吉林省長春理工大學研究生院機電工程學院 張新 呂瓊瑩 胡凱峰 蔣貴德

1 研究背景及意義

激光雷達散射截面（LRCS）延續了微波雷達散射截面（RCS）的定義，它是一種假想出來的面積，又可以叫做漫射平面或漫射標準件的幾何投影面積。它等同于一個無損耗的朗伯表面（Lambertiansurface），該表面在接收機和目標上產生的散射功率相同。這個截面從通過它的電磁波中截取能量，接收天線終端接收功率就等于入射波功率密度乘以暴露在這個功率密度中的天線有效面積，這個面積用σ表示[1]。

目標LRCS的測量是研究目標雷達特征的必要手段。對目標的實際測量不但可獲取目標基本散射特征，對已有實驗進行驗證分析，并可獲得大量目標特征數據，建立目標特性數據庫。對其測量方法的研究不但可用來分析目標散射場的各種機理，更可以應用到現代及未來軍事研究中，對目標的精確識別和未來武器優化都具有重要意義。

2 理論基礎

目標按相對于光斑大小可分為三類：即擴展目標、點目標和線狀目標。LRCS的測量受多種因素影響，如目標的幾何參數、物理參數和入射雷達波參數等，同時還與目標相對于雷達的姿態有關。對于擴展目標，光斑是不能覆蓋整個目標的，所以無法用其RCS來準確表征其特性；對于線狀目標,必須考慮目標相對光斑的位置[2]；對于點目標，我們可以用其LRCS來表征其目標特性。本文中討論的即某錐形點目標的激光雷達散射截面情況。

已知LRCS的定義式為：

對于各向同性散射點目標，距離目標R處滿足：

對于目標表面均方粗糙度大于激光波長，且反射信號均勻散射、幅度分布具有BRDF特征的暗小目標的LRCS面積σ的計算公式如下：

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。

利用雷達方程并通過實驗可知：

Pr—接收機接收的激光反向散射功率；Pt—激光發射功率；

ωt—發射光束立體角；ωr—目標散射光束立體角；

σ—雷達散射截面積；Ac—接收器孔徑面積；

T—目標單向傳輸路徑透射率；T1—光學系統效率；

該式中T、T1等量不易測量，實際場合下并不實用。為此我們采用微波雷達中曾用過的另一種方法——標準目標法[3]進行測量。為了消除易變因素對σ的影響,在距離雷達R0處放置一個LRCS為σ0的標準目標樣品,其中σ0、R0均為已知量,則由（4）式得到標準目標的回波功率為:

設定一般目標散射立體角相等，此時聯立上式得到：

特別當：R=R0時，T=T0，則 σ·σ0

其中 Pr、P0可由探測器響應得到，即 Pr=RVVr，P0=RVV0，則上式變為:

Vr、V0分別為待測目標和標準目標在探測器的輸出電壓，上式即實驗方法獲取LRCS的公式。我們以半徑為a的漫反射球（噴砂鋁球）為參考目標時激光雷達散射截面σ 具有0如下形式：

其中ρ2π是目標材料的半球反射率，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 實驗設計與仿真

雷達發射端和接收端天線一般到目標的距離已經遠大于目標任何意義上的尺寸，所以入射到目標處的雷達波可以近似看成平面波，我們以后對于激光雷達的討論是基于入射光為平面波的情況。我們對錐形點目標LRCS進行精確測量采用的是單站對比測量法，即我們將入射光進行調制后分光，一束光經準直后照射到待測目標上，再對目標反射回來的光束進行收集，準直后進鎖相；另一束光作為參考光束進鎖相，將兩光束分別導入光譜儀并通過特定軟件進行分析。測量系統如圖1所示。

圖1 單站對比測量系統

本實驗中光源選擇的是波長1550nm的光纖體激光器；光環行器選擇的是THORLABS的6015-3-FC型單模光纖環行器；轉臺選擇的是Thorlabs的TTR001型俯仰、傾斜轉臺；光譜儀選擇的是上海復享儀器設備有限公司制造的NIR1700型近紅外光譜儀，如圖2、圖3所示。

圖2 TTR001型俯仰、傾斜轉臺

圖3 NIR1700型近紅外光譜儀

當目標角度變化時，LRCS變化規律如圖4所示。

[1]阮穎錚等.雷達截面與隱身技術[M].北京：國防工業出版社，1998.6

[2]楊洋.激光雷達標準目標散射截面的研究[J].光學技術Vol.26No.4July2000

[3]張威.測量目標雷達后向散射截面的標準法.GF69681:1～3.