线目标激光雷达散射截面测量计算方法

吉林省长春理工大学研究生院机电工程学院 胡凯峰 吕琼莹 张新

1 激光雷达散射截面概念

当被测目标被激光照射时，能量从各个方向散射，散射场与入射场之和就构成空间的总场，散射能量的空间分布称为散射方向图，它取决于被测目标的大小、形状和结构，以及入射波的f（频率）、极化等。产生激光散射的物体通常称为目标（target）或散射体。

激光雷达散射截面的定义是基于平面波照射下目标各向同性散射的概念。入射激光的功率密度为：

E'和H'分别为入射电场和磁场强度。故总功率为：

如果物体将所有功率各向同性地散射出去，则在距离为R的远处，其散射功率的密度为：

散射功率可用散射场来表示:

于是有：

因为入射波是平面波，且假定为点散射体，所以距离R→∞时，有：

这就是雷达散射截面最基本的理论定义式[2]。

2 线目标激光雷达散射截面方程的计算

激光雷达散射截面计算方程的标准形式（功率）[3][4]：

其中：

PR：接收激光功率（W）;

PT：发射激光功率（W）；

GT：发射天线增益；

σW：目标散射截面；

D：接收孔径（m）；

R：激光雷达到目标的距离（m）

ηAtm：单程大气传输系数；

ηSys：激光雷达光学系统的传输函数；

AR：有效接收面积（m2）；

θT：发射激光的带宽；

λ：发射激光的波长；

Ka：孔径透光系数；

Ω：目标的散射立体角；

dA：目标的面积；

ρW：目标的平均反射系数；

（5）σW目标散射截面

对于线状目标的讨论，如一般的电缆电线，它的长度远远大于一个被照亮区域的长度，而宽度却远小于被照区域的宽度。考虑到一个漫射的线性目标。

故线目标激光雷达散射截面的方程为:

3 关于线目标LRCS的测量

对线目标的LRCS，可以进行理论计算，也可以进行实际的测量。在这里我们只对线目标LRCS测量做一个简单的计算[5]。

3.1 测量线目标LRCS的基本方法

为了得到线目标的LRCS测量值，可以直接对实际目标进行测量，也可以利用“模型比较法”进行测试。测量的方法一般有三种：外场动态测量、地面静态测量和微波暗室内的测量。这三种测量方法，原理是大致相同的，但设备利用差别比较大。

雷达距离方程为：

由雷达方程可知，当式中除PR和d外，其余各项参数固定不变时，则雷达散射截面d的取值仅仅与接收功率PR成正比。从而得到LRCS测量的表达式为：

式中d0为被测指定目标的LRCS值，P0为在相同条件下，对被测指定目标进行测量时的接收功率。通常是用标准的金属圆柱做为标定目标。因它的雷达散射截面d0可以用精确的理论计算方法求出，故在上式中的d0和P0对这个给定的系统来说都是已知量。因此对于任何目标来说，只要测得Pr即可简单地换算出d来。在实际测量系统中，电压的测量要比功率测量容易得多，故表达式为:

因此，只要测量出被测目标的电压输出值，即可绘制出LRCS曲线。典型的LRCS测量系统的原理如图1所示。

图1 典型的L R C S测量系统原理

3.2 实验仪器及测试结果

在本实验中定标如表1所示。

利用上述指标测量标准目标输出电压 V0=38.9mV；d0=8.51mm。

表1 试验定标

4 结论

本文对线目标激光雷达散射截面做了较为充分的理论计算和实验仿真，但仍然需要继续深入地探索与发现。激光雷达作为现金最先进的目标定位仪器,需要我们不断去研究以及应用，例如无人机避障等等。

图2 测量结果

[1]黄刚强.D C_1雷达目标散射截面积测量设备 [J].国防科技大学学报,1982:49-58.

[2]贺嘉.激光雷达高速扫描系统原理及设计[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[3]常畅.激光雷达散射截面测量的一种补偿方法[D].西安:西安电子科技大学,2013.

[4]刘林艳.激光散射自动测量系统研究[D].西安:西安电子科技大学,2009.

[5]杨洋.点目标激光雷达散射截面的实验研究[J].承德石油高等专科学校学报,2003,5(3).