隱身目標激光近場散射特性研究

高　寵， 張京國， 李　喆

(中國空空導彈研究院, 河南 洛陽　471009)

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隱身目標激光近場散射特性研究

高寵， 張京國， 李喆

(中國空空導彈研究院, 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LRCS。 定量分析了隱身目標的激光遠場、 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)的設計提供依據(jù)。

關鍵詞：隱身目標； 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用。 目標激光近場散射特性是激光引信設計和性能評估的基礎和依據(jù)， 決定了激光引信的主要技術參數(shù)， 目標激光近場散射特性的研究對于激光引信設計有重要意義[1-6]。

目前， 國內外針對目標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， 尤其是隱身目標的激光近場散射特性。 本文主要對隱身目標的激光散射特性進行仿真分析。

1目標激光散射特性計算模型

目標激光散射特性采用激光雷達散射截面(Laser Radar Cross Section， LRCS) 來表征， 反映目標表面材料方向散射特性、 目標幾何形狀結構和激光波長等因素對目標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散射特性的定量標準。

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

整個目標表面的LRCS為[6]

σ=∫AiπfrcosθicosθrdAi

(1)

式中： 積分域Ai為目標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)

這里可認為cosφr=1。

2目標激光散射特性仿真計算

2.1　目標激光散射特性的仿真方法

對于像隱身飛機一類的復雜目標， 在導彈與目標相對交會運動過程中， 目標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表面LRCS。 波束分割是指把發(fā)射光束分成大量細小光束的集合， 求解這些細小光束照射到的目標部位。 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隨散射角的變化關系

從圖1可以看出， 鋼675材料的鏡面效應強于白漆。 在散射角15°內， 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　目標激光遠場散射特性

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飛機遠場LRCS水平面仿真結果如圖2所示， 其中表面材料分別選用鋼675和某型白漆涂層。

圖2　水平面遠場LRCS

從圖2可以看出：

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

(2) 當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　目標激光近場散射特性

脫靶量10 m條件下， 導彈從F-22A飛機正下方迎頭、 尾追交會的動態(tài)LRCS計算結果分別如圖3~4所示。 圖中橫坐標為沿相對速度方向導彈位置， 為正表示導彈在目標前方， 為負表示導彈在目標后方， 其中“0”點為目標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計算結果

圖4　尾追交會動態(tài)LRCS計算結果

從圖3~4可以看出， 鋼675與白漆涂層對目標動態(tài)LRCS影響較大， 在大多數(shù)情況下鋼675的目標動態(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°。 計算結果表明：

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

3結論

本文主要對F-22A飛機的激光散射特性進行仿真計算， 結果表明：

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

(2) 當表面材料激光散射特性類似于白漆涂層時， F-22A遠場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

文獻標識碼：A

文章編號：1673-5048(2015)06-0024-03