窄脈沖激光引信對云霧中目標的回波特性研究

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行建模， 分析了目標在云霧環境下對不同脈寬激光的回波特性， 并進行了相關的試驗驗證。 數學仿真與試驗結果證明， 窄脈沖激光引信可以有效抑制云霧回波， 提高引信在云霧環境中對目標的識別能力和抗云霧干擾能力， 降低引信虛警。

關鍵詞： 窄脈沖; 激光引信; 回波特性; 目標探測; 抗干擾

中圖分類號：??? TJ760; TJ43+9.2 ?文獻標識碼：??? A 文章編號： 1673-5048（2021）05-0106-04

0 引? 言

激光引信具有靈敏度高、 啟動快速性好以及不易受電子干擾等特點， 在空空、 面空、 空面等多類導彈上得到廣泛的應用。 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， 激光引信容易受到云霧干擾產生虛警信號， 特別是當目標處于云霧背景中時， 要求激光引信能從云霧等干擾背景中正確識別目標[1-2]， 對激光引信性能提出了更高的要求。 因此， 針對激光在云霧環境下的傳輸特性的研究具有重要的工程應用意義。

窄發射脈寬對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識別能力， 成為目前激光引信研究與應用的熱門方向。? 文獻[3-4]研究了激光引信對背景的散射回波特性和脈沖寬度對云霧回波的影響， 但并未對云霧中目標的激光回波特性進行分析研究與驗證。

本文利用蒙特卡洛法對激光回波的大量光子運動， 以及光子與目標表面、 云霧懸浮粒子的反射、 散射過程進行建模， 研究并分析窄脈沖激光引信對云霧中目標的回波特性， 系統分析了激光脈沖寬度對云霧背景中目標識別的影響， 并在此基礎上利用某窄脈沖原理樣機開展了針對云霧背景下的目標識別試驗， 驗證了窄脈沖激光可以提高引信對云霧中目標的識別能力。

1 激光引信回波模型

1.1 激光引信回波的數字仿真原理

由于激光引信發射的光子達到目標表面和懸浮顆粒的距離存在差異， 激光回波信號將受到目標和云霧懸浮粒子距離分布的調制， 從而影響激光回波功率的一維時間分布[5-6]。

本文采用蒙特卡洛法通過隨機數來模擬激光引信產生的大量光子和環境中自由運動的云霧顆粒， 模擬大量光子在云霧環境和目標表面的傳輸、 反射和散射過程， 使光子運動的統計規律得以重現， 然后對全部光子進行統計分析， 進而求得交會過程中某一時刻激光引信接收到的激光回波功率和波形[7-9]。

1.2 目標及云霧的散射特性

目標表面對激光波束的散射特性一般用雙向反射分布函數（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模型假設目標表面由小面元組成， 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， 指數項為描述粗糙度統計特性的特征函數; kb ， kd， kr， a， b為待定參數; 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懸浮粒子對激光引信回波的散射作用[11]。 此時散射相位函數f（θ）采用H-G函數的修正公式[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： 窄脈沖激光引信對云霧中目標的回波特性研究

1.3 激光引信回波仿真數學模型

為了能夠得到光子的歷史信息， 需要對每一碰撞點處的光子被探測器捕獲的概率進行統計。 光子在傳輸過程中， 可能與目標表面發生碰撞， 也可能與懸浮粒子發生碰撞， 在確定了碰撞點狀態后， 就開始確定這一碰撞點處的光子被探測器捕獲的概率。

當光子與目標表面發生碰撞且光子在探測視域內時， 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為光子的權值; σ為衰減系數; 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; lr為散射點到探測器的距離; ξ為接收表面法線方向與光子入射方向的夾角。

當光子與云霧粒子發生碰撞且光子在探測視域內時， 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。

當全部光子的運動過程模擬結束后， 開始對光子被探測器捕獲的概率進行記錄。 捕獲概率描述了目標+云霧散射系統的沖激響應特性。 由于沖激響應函數是散射系統的傳遞函數， 因此任何到達接收點的激光回波信號都可以由發射脈沖信號函數與沖激響應函數的卷積得到。

由于目標和云霧表面對光子的漫反射作用， 激光引信接收到的回波會有一定程度衰減， 在云霧環境下回波會有二次衰減， 其衰減系數與云霧的能見度與目標距激光引信的距離有關。 本文在設計仿真時考慮到云霧的二次衰減作用對目標回波的影響，? 通過設置不同的仿真參數， 測試引信發射脈寬對回波的影響。

2 激光回波仿真結果及分析

假設發射脈沖達到峰值的時間為t0。

仿真條件1：? 無云霧僅目標

目標為直徑1 m的白色漫反射球。 激光引信的模擬參數為功率100 W， 收發視角為90°， 發射脈寬為5 ns， 20 ns和40 ns。

仿真條件2：? 純云霧環境

激光引信的模擬參數為功率100 W， 收發視角為90°，? 發射脈寬為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

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

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

圖2為不同能見度時， 云霧對不同脈寬激光的回波功率對比圖。 圖2中， 同一能見度環境下， 隨著脈寬減小， 云霧回波的峰值功率減小， 并且會出現一定的畸變; 5 m能見度環境下， 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， 5 ns回波峰值功率減小至40 ns的1/6左右; 當發射脈寬相同時， 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在能見度5 m， 40 m與100 m條件下對不同激光發射脈寬的激光回波對比。 由圖3～5可以看出， 其他條件相同時， 脈寬越窄，? 二者在時域上的區分度越大。? 圖3中，?? 5 m能見度環境下， 不同距離目標的峰值回波功率基本相同。 圖4～5中， 7 m處目標的回波峰值功率為3 m處目標的1/5， 1/10左右。

3 云霧中目標探測的試驗驗證

由上述仿真結果可知， 使用窄發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探測的能力。 現對上述仿真結果進行試驗驗證。

使用煙霧發生器， 能見度為30 m的云霧環境進行試驗。 在固定位置擺放激光引信試驗樣機和示波器， 使用直徑1 m的白色漫反射球作為目標， 通過調整目標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結果， 試驗中使用的引信功率較大。 產品參數：? 1#激光引信功率200 W， 收發視場角均為90°， 發射脈沖寬度35 ns; 2#激光引信功率3 kW， 收發視場角均為90°， 發射脈沖寬度5 ns。 試驗結果圖6～7所示。

圖6（a）是引信在純云霧環境下的回波波形， 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處的目標回波較云霧回波有兩個不易辨別的波峰， 由于云霧和目標回波的疊加作用， 回波存在展寬， 時序上二者不易區分， 在進行信號處理時有一定的難度。

圖6 1#激光引信在實驗室云霧能見度為30 m條件下圖7（a）中， 2#激光引信在純云霧環境下回波展寬較小; 圖7（b）中回波有兩個明顯的波形， 4 m處的目標回波和云霧回波已經在時序上完全分開， 基本不存在疊加效應， 有利于下一步的信號處理。 因此可以得出， 脈寬越窄， 激光引信對云霧的抑制作用越好， 更有利于進行抗干擾的信號處理設計。

由于仿真中的云霧是均勻分布的， 而實驗室中創造的云霧環境并不均勻， 因此試驗圖像與仿真圖像中云霧出現的位置不同。

4 結? 論

本文使用蒙特卡洛法來模擬激光引信產生的大量光子和環境中自由運動的云霧顆粒， 模擬大量光子在云霧環境和目標表面的傳輸、 反射和散射過程， 對云霧和目標的回波特性進行仿真分析。 通過設置不同的仿真條件， 得出了窄脈沖對云霧回波具有抑制作用， 可以提高引信對云霧中目標的區分度的結論。 同時， 本文也對窄脈沖激光引信的抗云霧干擾能力和對云霧中目標的探測能力進行了試驗驗證。 根據本文中的仿真與試驗結果， 可以進一步設計樣機與相關的抗云霧干擾的信號處理算法， 并對樣機的抗干擾能力進行驗證， 從而綜合提高激光引信的抗干擾能力。

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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