脈沖激光近感探測煙霧回波特性仿真研究

趙雷磊，賀 偉，張 森，高凱悅，劉麗娜，張坤鈺

脈沖激光近感探測煙霧回波特性仿真研究

趙雷磊，賀 偉，張 森，高凱悅，劉麗娜，張坤鈺

（西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710121）

針對脈沖激光近感探測在煙霧干擾下引起的虛警、漏警等問題，本文根據(jù)Mie散射理論，運(yùn)用Monte Carlo方法建立脈沖激光近感探測模型，仿真905nm脈沖激光獲取大小目標(biāo)在無干擾和煙霧干擾兩種條件下的回波，分析回波的波形特征。結(jié)果表明：無干擾情況下，發(fā)射接收系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和回波幅值呈負(fù)相關(guān)；大小目標(biāo)回波前沿的上升速率均呈遞增趨勢。煙霧干擾情況下，煙霧回波和目標(biāo)回波的脈沖寬度相對于發(fā)射激光波形均有一定的展寬，但前者的展寬程度要大于后者；煙霧回波波形呈現(xiàn)前沿陡峭，后沿平緩的非對稱特征。研究成果可以為激光近感探測抗煙霧干擾提供理論基礎(chǔ)。

激光近感探測；煙霧；Mie散射；Monte Carlo方法；回波特性

0 引言

隨著科技的發(fā)展，激光技術(shù)不僅在測距、遙感、通信等方面得到廣泛的應(yīng)用，而且在軍事領(lǐng)域得到各國的重視，各類激光武器相繼推出，例如激光制導(dǎo)武器、激光雷達(dá)等。激光近感探測根據(jù)激光束來感知目標(biāo)，通過目標(biāo)的回波信號來確定目標(biāo)的距離和方位，其特點(diǎn)是方向性強(qiáng)、探測精度高、抗電磁干擾能力突出。戰(zhàn)場環(huán)境中，煙霧對激光有散射和吸收的作用，從而引起能量的衰減，出現(xiàn)虛警和漏警的問題[1]。因此，對于激光在煙霧環(huán)境下后向散射特性的研究十分重要。

針對該問題，國內(nèi)外科研人員進(jìn)行了大量的研究。馮繼青等[2]利用比爾朗伯定律和經(jīng)典擴(kuò)散方程建立煙霧環(huán)境下激光透過率模型，分析不同激光波長的透過率，但是該方法只考慮了單次散射，具有局限性。王紅霞等[3]建立模型計(jì)算1.06mm脈沖激光在煙霧中的傳輸，分析得到透過率與粒子粒徑、煙霧厚度的關(guān)系，并且數(shù)值仿真脈沖激光在煙霧中的時(shí)間展寬特性。類成新等[4]研究激光在隨機(jī)分布的煙塵團(tuán)簇粒子的衰減特性，分析激光波長、入射角和粒子密度等參數(shù)對在煙塵中激光衰減的影響。李曉峰等[5]模擬研究在煙霧環(huán)境下不同波長激光在各個(gè)復(fù)折射率條件下的吸收、衰減和散射效應(yīng)。Mori等[6]分析了非對稱因子和Mie散射系數(shù)在煙霧中單次散射的變化特點(diǎn)。孟祥盛[7]利用偏振特性設(shè)計(jì)一種激光引信，該系統(tǒng)可以降低引信對煙霧后向散射信號的接收能力。陳慧敏等[8]建立煙霧后向散射模型，分析回波特性，將仿真結(jié)果與實(shí)測數(shù)值進(jìn)行對比，驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性。

本文根據(jù)Mie散射理論，運(yùn)用Monte Carlo方法建立脈沖激光近感探測模型，設(shè)置不同距離的大小目標(biāo)，在無干擾和煙霧干擾條件下仿真905nm脈沖激光，分析回波波形特征。從而為激光近感探測抗煙霧干擾提供理論基礎(chǔ)和新的思路。

1 理論分析

1.1 煙霧的物理特性

戰(zhàn)場上環(huán)境十分復(fù)雜，爆炸產(chǎn)生的煙霧粒子的主要成分是硫、碳、磷及其混合物。粒子的直徑大小與爆炸強(qiáng)度、爆炸物成分和氣候條件有關(guān)，爆炸產(chǎn)生的煙霧是瞬時(shí)的。煙霧也可以看作是氣溶膠微粒，不僅爆炸會(huì)產(chǎn)生煙霧顆粒，人為釋放煙霧氣溶膠顆粒對制導(dǎo)武器系統(tǒng)是一種干擾[9]。本文選取發(fā)煙材料粒子的粒徑大致分布在3～21mm之間，煙霧粒子粒徑分布如圖1所示。

圖1 煙霧粒子粒徑分布

1.2 Mie散射理論

Mie散射理論可用于各個(gè)方向同性的球體，但是對于形狀不規(guī)則的粒子同樣適用。Mie散射理論是研究大氣中的氣溶膠微粒與輻射光發(fā)生散射的經(jīng)典理論，其散射的強(qiáng)度與頻率二次方成正比，方向性較明顯。假設(shè)入射光的強(qiáng)度為0，散射距離為，則散射光強(qiáng)為[10]：

式中：1、2為強(qiáng)度函數(shù)，表達(dá)式為：

式中：為散射體相對折射率；為散射角；1、2為散射光振幅函數(shù)，1*、2*分別為1、2的共軛函數(shù)，散射體尺度參數(shù)的表達(dá)式為[11]：

式中：是散射體的半徑；為入射光波長。散射光振幅函數(shù)是無窮級數(shù)，可以取表達(dá)式的前10項(xiàng)來推演結(jié)果。因此，1、2具體展開式為：

式中：a、b表示為Mie散射系數(shù)，該系數(shù)和散射體相對折射率及散射體尺度參數(shù)相關(guān)。

煙霧粒子的散射系數(shù)sca和消光系數(shù)ext的表達(dá)式分別為：

不同相對折射率消光系數(shù)隨尺度參數(shù)分布如圖2所示。

如圖2所示，在選取的3種相對折射率下，消光系數(shù)隨尺度參數(shù)的增加呈振蕩衰減分布，最終趨于穩(wěn)定值。相對折射率越大，震蕩幅度越大。

光子與煙霧粒子發(fā)生碰撞后各個(gè)方向的散射強(qiáng)度用散射相函數(shù)來表示，該函數(shù)表達(dá)式為：

式中：S1(q)、S2(q)為散射光振幅函數(shù)。單個(gè)粒子散射相位函數(shù)與散射角關(guān)系如圖3所示。

2 脈沖激光近感探測模型

構(gòu)建本模型的主要思路是將發(fā)射的脈沖激光分解成大量光子，根據(jù)Mie散射理論和Monte Carlo方法模擬光子在煙霧中的運(yùn)動(dòng)軌跡，統(tǒng)計(jì)出發(fā)生散射后的抵達(dá)光電探測器的光子。脈沖激光近感探測模型分為3部分：激光發(fā)射模型、激光在煙霧中的傳輸模型、激光接收模型。

2.1 激光發(fā)射模型

激光器發(fā)出的脈沖激光為高斯脈沖，功率表達(dá)式為：

式中：0為峰值功率；為高斯脈沖持續(xù)的時(shí)間。光子的發(fā)射點(diǎn)選擇在激光的束腰處，該位置的光子服從高斯分布，因此可得光子的位置為：

2.2 激光在煙霧中的傳輸模型

光子在煙霧環(huán)境中會(huì)與煙霧粒子發(fā)生碰撞，碰撞后光子的能量會(huì)發(fā)生變化，其變化為[12]：

式中：0為散射前光子能量；1為散射后光子能量；sca和ext分別為煙霧粒子的散射系數(shù)和消光系數(shù)，具體表達(dá)式參考1.2節(jié)。碰撞后，光子的方向也發(fā)生變化，其變化為：

式中：(u,u,u)為散射前的光子移動(dòng)方向；(u￠,u￠,u￠)為散射后的光子移動(dòng)方向；sca為[0, 2p]均勻分布的散射方位角；sca為散射天頂角。光子與煙霧粒子發(fā)生碰撞后，如果沒有消亡（能量小于閾值），則繼續(xù)朝新的方向移動(dòng)，移動(dòng)的距離為：

式中：為[0,1]區(qū)間上均勻分布的隨機(jī)數(shù)；為煙霧衰減系數(shù)。

2.3 激光接收模型

光子離開煙霧環(huán)境后，朝接收端光學(xué)系統(tǒng)移動(dòng)，有一定的比例被光電探測器接收。若光子進(jìn)入接收窗口，則有[13]：

式中：f、f為光子最后一次散射的位置；tr為收發(fā)光軸間距；r為接收端鏡頭半徑。同時(shí)，光子在進(jìn)入接收端光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，入射角需要滿足接收視場角要求：

式中：in為光子入射角；view為接收視場角。若滿足上式，光子可看作是被光電探測器成功接收，成為回波光子。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 仿真流程

煙霧環(huán)境下脈沖激光近感探測模型仿真流程圖如圖4所示。大致流程如下：輸入相關(guān)參數(shù)，對脈沖激光收發(fā)系統(tǒng)及煙霧模型初始化，光子與粒子發(fā)生碰撞后計(jì)算出光子的能量和位置，若光子在煙霧邊界內(nèi)且光子存活，重復(fù)碰撞直到光子進(jìn)入光電探測器或者消失。當(dāng)最后一個(gè)光子完成循環(huán)流程，計(jì)算出激光回波幅值。

圖4 激光近感探測模型仿真流程

3.2 仿真參數(shù)

選取大小兩種目標(biāo)，大目標(biāo)為武裝直升機(jī)和小型固定翼飛機(jī)。武裝直升機(jī)機(jī)體長12.5 m，寬3.4m，高3.94m，主旋翼直徑16.35m；小型固定翼飛機(jī)長3.3m，機(jī)身直徑0.28m，機(jī)翼長1.56m，高為0.7m。激光經(jīng)過該目標(biāo)的回波在一個(gè)周期內(nèi)距離變化量大，實(shí)驗(yàn)中用反射率為0.9的白板代替；小目標(biāo)為小尺寸靶彈，長為2m，直徑約為12cm，激光經(jīng)過該目標(biāo)的回波在一個(gè)周期內(nèi)距離變化量小，實(shí)驗(yàn)中用反射率為0.3的灰板代替。環(huán)境選取無干擾和煙霧干擾兩種環(huán)境，仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

由圖5可知，取小目標(biāo)和大目標(biāo)的距離分別為3m和7m，比較小目標(biāo)和大目標(biāo)，作用距離增大，探測信號回波的幅值減小，即發(fā)射接收系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和探測信號回波幅值呈負(fù)相關(guān)。兩者探測回波的前沿上升速率呈遞增趨勢。

由圖6可知，在煙霧干擾的環(huán)境下，對小目標(biāo)和大目標(biāo)取相同質(zhì)量濃度的煙霧，探測回波信號和圖5相比有了明顯的變化。脈沖激光會(huì)先探測到煙霧，因?yàn)闊熿F對激光的反射率低，所以接收信號的幅值相對較?。划?dāng)脈沖激光穿過煙霧到達(dá)目標(biāo)表面，探測回波幅值相對較大，但是由于煙霧環(huán)境中粒子對激光的散射和吸收作用，引起能量的衰減，相比較于無干擾條件下，大小目標(biāo)回波幅值有所降低。煙霧回波和目標(biāo)回波的脈沖寬度相對于發(fā)射激光波形均有一定的展寬，但是前者的展寬程度大于后者。煙霧回波波形呈現(xiàn)前沿陡峭，后沿平緩的非對稱特征，對于大目標(biāo)而言，作用距離的增加，該特征變化得更加明顯。因此激光近感探測系統(tǒng)在探測目標(biāo)時(shí)，如果不加入任何抑制后向散射信號方法，煙霧后向散射信號和目標(biāo)反射信號將會(huì)混合在一起，導(dǎo)致探測系統(tǒng)信噪比降低，進(jìn)而造成系統(tǒng)虛警、漏警等一系列問題。

圖5 無干擾時(shí)探測回波信號

4 結(jié)論

本文根據(jù)Mie散射理論，運(yùn)用Monte Carlo方法建立脈沖激光近感探測模型，設(shè)置參數(shù)，仿真得到大小目標(biāo)在有無煙霧干擾條件下的回波，分析回波的波形特征，得到如下結(jié)論：

①無干擾情況下，發(fā)射接收系統(tǒng)與目標(biāo)之間的距離和探測信號回波幅值呈負(fù)相關(guān)，目標(biāo)回波前沿的上升速率均呈遞增趨勢。

②煙霧干擾情況下，脈沖激光會(huì)先探測到煙霧回波后探測到目標(biāo)回波且煙霧回波幅值小于目標(biāo)回波幅值。煙霧回波和目標(biāo)回波的脈沖寬度相對于發(fā)射激光波形均有一定的展寬，但前者的展寬程度要大于后者，煙霧回波波形呈現(xiàn)前沿陡峭，后沿平緩的非對稱特征，對于大目標(biāo)而言，作用距離的增加，該特征變化得更加明顯。

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Simulation of Smoke Echo Characteristics of Pulsed Laser Proximity Detection

ZHAO Leilei，HE Wei，ZHANG Sen，GAO Kaiyue，LIU Lina，ZHANG Kunyu

(,,710121,)

To address the problems of false and missed alarms caused by smoke interference in pulsed laser proximity detection, according to Mie scattering theory and the Monte Carlo method, this study established a pulsed laser proximity detection model, simulated a 905-nm pulsed laser to obtain echoes of large and small targets under the conditions of no interference and smoke interference, and analyzed the waveform characteristics of the echoes. The results show that there is a negative correlation between the distance from the transmitting and receiving system to the target and the echo amplitude without interference. The rising rate of the echo front of large and small targets increases. Under the condition of smoke interference, the pulse widths of the smoke and target echoes have a certain broadening compared with the transmitted laser waveform. However, the broadening degree of the former is greater than that of the latter, and the smoke echo waveform is asymmetric with a steep front edge and gentle back edge. The results provide a theoretical basis for anti-smoke interference in laser proximity detection.

laser proximity detection, smoke, Mie scattering, Monte Carlo, echo characteristics

TN249

A

1001-8891(2023)08-0863-06

2021-08-27；

2021-09-19.

趙雷磊（1995-），男，河南靈寶人，碩士研究生，研究方向?yàn)楣怆娞綔y技術(shù)及其應(yīng)用。E-mail: 524183259@qq.com。

賀偉（1966-），男，陜西西安人，研究員，碩士，研究方向?yàn)樾畔鞲屑靶盘柼幚頇z測技術(shù)。E-mail: hewei_6673@126.com。

西安郵電大學(xué)科研項(xiàng)目（101-204020271）。