激光引信收发间距对云雾回波的影响

张京国，梁晓庚，刘建新，牛青坡，唐 俊

（1.西北工业大学，陕西 西安 710072；2.中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471009）

0 引言

激光引信具有对目标的主动全向探测能力、启动位置控制精度高、探测视场方向性尖锐、不易受电子干扰等特点，因此一直受到重视，并得到广泛的应用。但由于工作波段的原因，激光引信也存在着受自然环境如云雾、沙尘影响较大的缺点，成为制约激光引信发展和应用的“瓶颈”问题。

目前，国内外对激光引信云雾回波特征［1－5］开展了大量的研究。但就收发间距对激光引信云雾回波影响的研究，国外由于技术保密的原因，没有见到详细的定量研究报道。本文主要就收发间距对云雾散射回波的幅度、脉宽、波峰位置和波形进行定量研究，为激光引信抗云雾悬浮粒子干扰提供技术支撑。

1 云雾散射回波仿真方法

云、雾等气溶胶粒子悬浮于大气中，主要通过对激光的吸收和散射两种途径直接影响激光引信的探测性能。图1是激光引信光学收发视场示意图，A是发射窗口，B是接收窗口，从图中可以看出，发射和接收视场在C处相交，由于近距光学几何距离截止的原因，距离小于C处的区域引信是“看不见”的，也被称作“近距盲区”，C处到引信表面的距离常被称为“盲区距离”，A处与B处的间距常被称为“收发间距”。激光引信接收到的散射回波信号的特征与收发间距密切相关。

图1 激光引信收发光学视场示意图Fig.1 Sketch of the receiving and transmitting field of view for laser fuse

云雾是相对密集的悬浮粒子所组成的散射体，是一种不稳定的可穿透性目标，云雾等液态悬浮粒子在一般情况下可近似为球形。当散射微粒尺寸相当于或大于光波长时，产生米氏散射［6－7］，各种浓度的云雾粒子的半径在1～60μm之间，而激光引信的波长在1μm左右，因此云雾粒子的米氏散射效应对激光引信形成回波干扰。云雾对激光引信近红外光散射产生的回波信号，不仅受到云雾散射特性的影响，还受到激光引信收发视场和激光脉冲信号特征等因素的影响。一般通过蒙特卡罗法［6－8］来研究云雾散射回波信号。

蒙特卡罗模拟法，就是直接从物理问题出发，根据由大量光子运动状态总结出来的统计规律，利用随机数来模拟光子的真实物理过程，使光子运动的统计规律得以重现，得到仿真试验数据，再进行分析推断，最后得到单次散射和多次散射回波的规律。单次散射是指光子被云雾散射一次后被探测器捕获，多次散射是指光子被探测器捕获前，在云雾中被云雾悬浮粒子散射多次。

在蒙特卡罗模拟法中，光子运动过程的模拟大致分为两大步：第一步确定光子的初始状态S0；第二步由状态Sm来确定状态Sm＋1。第二步又分为二个过程，第一个过程是确定散射的位置，是一个输运过程；第二个过程是确定光子的权值、经历时间以及碰撞后的运动方向余弦，称为碰撞过程，并且在碰撞过程发生前还需要确定光子模拟过程是否结束。

光子被散射后新的方向余弦为［8－9］：

设散射后光子的运动方向余弦表示为 （U′，V′，W′），则散射角余弦为：

式（2）中，

式（3）中，ls是激光引信收发间距；R为弹体半径；（xm＋1，ym＋1，zm＋1）是第 m ＋1个碰撞点的位置坐标。

散射后的方位角φm＋1＝2πζ在（0，2π）之间均匀分布，ζ为（0，1）之间的随机数。光子散射角可由下面的抽样函数得到［8－9］

式（4）中，g为非对称因子。

为了能够得到光子的历史信息，需要对每一碰撞点处的光子被探测器捕获的概率进行统计。在确定了碰撞点状态Sm＋1后，就开始确定这一碰撞点处的光子被捕获的概率。当光子在探测视场区域内时，被探测器捕获的概率为：

式（5）中，Km＋1是光子的权值；σ是衰减系数；H＊是激光引信与云雾边缘的间距；S是探测面积；f（θ）是散射相位函数，采用H－G函数的修正公式［9］

接收表面法线方向与光子入射方向的夹角表示为：

2 激光云雾散射回波随收发间距的变化规律

图2给出了云雾散射回波峰值功率随收发间距的变化规律，图3给出了云雾散射回波波峰位置随收发间距的变化规律，图4给出了云雾散射回波展宽程度随收发间距的变化规律，图5给出了云雾散射回波波形随收发间距的变化规律。

图2 回波峰值功率随收发间距的变化规律Fig.2 Peak power of laser echo variable with the baseline distance

图3 回波波峰位置随收发间距的变化规律Fig.3 Peak position of laser echo variable with the baseline distance

图4 云雾散射回波展宽程度随收发间距的变化规律Fig.4 Pulse broadening ratio of laser echo variable with the baseline distance

其中图4的脉冲展宽比值是散射回波半功率宽度与发射脉冲半功率宽度的比值。图2—图5给出的计算结果是引信处于云雾中得到的，所用的主要仿真参数如下：接收系统通光面积0.000 6m2，探测视场倾角85°，发射视场角0.4°，波长0.95μm，云雾对光波的折射率1.33×10－7～1.3×10－7j，图2—图4的盲区距离3m。

图5 回波波形随收发间距的变化规律Fig.5 Wave shape of laser echo variable with the baseline distance

从图2—图5可知，回波峰值功率随着收发间距的增大而下降，且盲区距离越小或云雾能见度越大，下降速度越小；在接收视场角由盲区距离和最大作用距离限定的条件下，收发间距越大，云雾散射回波延迟时间越长，即回波波峰相对于发射脉冲的波峰延时越大；当盲区距离较大时，云雾散射回波展宽程度随收发间距的增大而增强，而当盲区距离较小时，云雾散射回波展宽程度随收发间距的变化不明显；收发间距对回波波形有一定影响，收发间距越大，回波波形越趋近于高斯形，基本上只有当光脉冲的宽度在几纳秒的时候，多次散射才对信号的波形畸变发生影响。

3 收发间距对云雾散射回波影响分析

云雾对激光的后向散射能量主要集中在激光光束传输区域附近，不仅收发视场直接探测到的云雾会形成后向散射，而且由于多次散射作用会扩展到相邻区域形成后向散射。盲区距离内贴近收发系统的云雾的散射主要为多次散射，而盲区距离外云雾的散射包括单次散射和多次散射，探测器捕获单次散射的光子的范围主要由盲区距离和最大作用距离决定。由于多次散射的作用，将会使探测器接收到的回波信号能量大于单次散射回波的能量，但单次散射在总的散射中起主导作用，多次散射的贡献相对较小，一般小于总散射回波的40%。

在激光引信进入到云雾中的条件下，从云雾介质多次散射回来的信号的幅值的变化规律并不总是固定不变的，散射的大小与云雾介质的能见度、引信收发视场结构参数（收发间距、盲区距离、发射视场角和接收视场角）和发射激光脉冲特性等因素有关。对于给定的云雾而言，云雾散射回波功率随着收发间距的增大而减小。因此，为了提高激光引信的抗云雾干扰能力，在满足对目标探测能力条件下应尽可能增大收发间距，这样可有效抑制贴近收发窗口之间云雾的多次散射信号，尤其对于低能见度云雾的效果更好。

由于激光发射脉冲在时间上有一定宽度，而云雾在空间上有一定纵深，对激光具有可穿透性，云雾悬浮粒子对激光束的后向散射体现为随机分布的不同时刻发射的光子经过不同路径的散射事件的组合，云雾散射回波信号是云雾空间的分布特性和发射脉冲波形联合调制的结果，因此对于窄脉冲激光引信，云雾散射回波相对于发射脉冲会有一定的展宽。而激光引信收发视场结构参数影响回波信号的宽度展宽程度，随着收发间距的增大，多次散射回波与单次散射回波峰值位置差别增大，不能很好地重叠，进而导致单次和多次散射叠加而成的总回波的宽度增大。因此，增大激光引信收发间距，利用云雾回波信号的展宽这一特征，可以对目标与云雾予以识别。

4 结论

本文就激光引信云雾回波信号进行了模拟分析，并就收发间距对云雾散射回波的峰值功率、脉宽、波峰位置和波形进行了模拟分析，研究结果如下：1）当引信处于云雾中时，回波峰值功率随着收发间距的增大而下降，且盲区距离越小或云雾能见度越大，下降速度越小；2）当引信处于云雾中时，回波波峰位置随收发间距的增大而增大；3）当引信处于云雾中时，云雾散射回波展宽程度随着收发间距的增大而增大。分析表明：仿真结果符合云雾对传输光束的散射规律，可以为激光引信收发视场参数的优化设计提供依据。

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