激光引信地面背景近场散射特性研究

李　喆， 张京国， 高　宠

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳　471009)



激光引信地面背景近场散射特性研究

李喆， 张京国， 高宠

(中国空空导弹研究院， 河南 洛阳471009)

摘要：针对激光引信地面背景近场散射特性仿真建模的问题， 介绍了激光引信近场散射特性原理， 建立了激光雷达散射截面和散射回波的仿真模型， 分析了激光引信在几种不同地面背景、 同一地面背景下不同交会状态的近场散射特性， 可以为激光引信抗地面背景干扰设计与验证工作提供依据。

关键词：激光引信； 激光雷达散射截面； 双向反射分布函数； 近场； 散射回波

0引言

激光引信是一种主动式近炸引信,采用主动激光实现对目标的探测与识别。 它具有测距精度高、 抗电磁干扰能力强、 良好的距离截止特性等优点,在精确制导武器尤其是近距格斗空空导弹中得到广泛应用。[1-3]

激光引信本身发射激光光束,这一激光光束到达目标、 背景发生散射,部分回波被激光引信接收系统所接收变成电信号, 经过实时处理后， 可实现对目标的探测。 激光引信目标、 背景近场散射特性是引信目标识别和抗干扰设计的重要依据， 但是很难通过有限的飞行试验解决引信系统性能参数的设计与验证问题， 必须借助大量的数字仿真试验对其进行优化与调整[4-6]。

针对激光引信目标近场散射特性的数字仿真建模， 国内学者已经开展了大量的研究工作[7-10]， 但是针对地面背景近场散射特性的研究报道较少。 本文分析了激光引信近场散射特性的原理， 针对激光引信关键部件、 地面背景进行数字仿真建模， 重点研究了激光引信对不同地面背景、 同一地面背景不同交会条件下的近场散射特性， 对于激光引信攻击低空飞行高速小目标时， 抗地面背景干扰的方案论证、 算法设计工作有重要指导意义。

1激光引信近场散射特性原理

1.1　激光雷达散射截面原理

理论上的激光雷达散射截面(LRCS)定义为

(1)

式中:Ei为目标处入射光波电场强度振幅；Er为远场观测点处来自目标的散射光波电场强度振幅;R为目标到观测点的距离。 由于光通量密度(单位面积内的光功率)正比于光波电场强度振幅的模平方, 因此LRCS可以表示为

(2)

式中:φi为目标处入射光通量密度;φr为观测点处散射光通量密度;Ir=R2φr为目标在观测方向上的散射光强。 式(2)表明,激光雷达散射截面的物理意义为目标在观测方向上散射光强与目标处入射光通量密度之比。

地面背景的激光雷达散射截面是由激光波长、 地面表层材料固有的方向散射特性以及地面背景形状等因素决定的。 根据实测得到的表层材料对特定波长激光的方向散射特性和地面背景形状,应该可以计算出背景的激光雷达散射截面。 目前国际上在不同表面材料的激光散射特性研究中普遍采用了双向反射分布函数(BRDF)f(θi,ψi,θr,ψr)来表征材料的方向散射特性， BRDF定义为材料在(θr,ψr)方向的散射光亮度与沿(θi,ψi)方向入射的光照度之比。

根据定义可以推导出地面背景的激光雷达散射截面与地面表层材料双向反射分布函数之间的关系。 设入射光相对于地面背景上面元dA法线的入射角为θi,则入射光通量密度可表示为ψi=εi/cosθi，εi为面元dA上入射光照度。 设探测方向相对于面元dA法线的散射角为θr,该方向的散射光亮度为Lr,则在探测点处来自面元dA的散射光通量密度为dψr=LrcosθrdA/R2。 于是可得面元dA的激光雷达散射截面为

4πcosθicosθrdAfr(θi,θr)

(3)

式中:fr(θi,θr)=Lr/εi为对应面元材料的双向反射分布函数。 将式(3)沿地面背景表层积分,即得地面背景的激光雷达散射截面:

(4)

利用公式(4)可计算得到在各种入射-散射条件下的激光雷达散射截面。

1.2　双向反射分布函数原理

激光引信的散射回波与激光照射物体的粗糙度、 表层材料折射率及入射光波长相关。 不同的地面背景对入射激光的反射形式不同， 其对入射激光的反射同时包含漫反射分量和镜面反射分量[11]。 工程上通常使用双向反射分布函数(BRDF)描述散射特性如图1所示，BRDF的定义为面元反射方向的辐亮度与入射方向的光照度之比， 即

(5)

式中：θ，ψ分别为天顶角与方位角。

图1　BRDF定义几何示意图

不同地面背景表层BRDF值的获取方法包括理论解析法和实验统计法。 在已知涂层粗糙度、 材料折射率和入射光波长后， 可通过基尔霍夫近似、 小斜率近似等方法求解BRDF的理论解析值， 工程上普遍采用实验统计法测量有限角度处的BRDF值， 并用其对含参数统计模型中的参数进行拟合。 一种常用的模型为BRDF的五参数半经验统计模型， 其表达式为

exp[b×(1-cosγ)a]·

(6)

式中:kb，kr，a，b，kd分别为待拟合参数。

1.3　面元散射回波计算原理

在交会过程中， 需要对激光引信收发视场内的面元进行消隐与遮挡处理。 探测视场内的有效面元对入射激光散射的几何示意图见图2， 激光束相对面元dA的入射角为θi， 引信接收方向与面元法向量的夹角为θr， 入射光在面元dA处的光照度为Ei， 在接收方向上的散射光亮度dLr为

dLr=fr·dEi=fr·Eicosθi

(7)

引信接收到面元dA的散射光功率为

PΔ=dLr·dA·dω=

(8)

式中:l2为面元中心与接收窗口中心间的距离。

引信视场内所有有效面元的散射回波就是对各个面元dA的回波功率进行累加：

P=∑PΔ

(9)

2地面背景近场散射特性仿真模型构建

2.1　激光引信模型

本文针对采用四象限连续视场的360°周视激光引信进行建模， 其光路原理图如图3所示。 假设弹体坐标系的原点设在引信的中心,发射光路的视场半角为α1， 中心倾角为β1， 接收光路的视场半角为α2， 中心倾角为β2， 发射光束绕弹轴分为四个象限。

图3　激光引信光路探测原理图

激光器的发射光束在弹体子午面内经非球面镜会聚成准直光， 并由扩束镜在弹体弧矢面内将光束进行扩束， 经发射光学系统整形后， 发射视场在子午面内的束散角为0.5°~1°， 在弧矢面内的束散角不小于90°， 引信发射光学系统的原理图及光线追迹图如图4~5所示， 发射光学系统的光能量分布示意图如图6所示。

图4　激光引信发射光学系统原理图

图5　激光引信发射光学系统光线追迹图

图6　激光引信发射光学系统光能量分布

2.2　地物背景模型

沙地激光双向反射分布函数模型采用D.W.Deering及J.Otterman的改进模型[12]， 这是一个几何光学模型， 它假设地表几何结构为垂直的细圆柱组成。 沙地的双向反射分布函数模型fr为

(10)

式中：r为小面元反射系数；t为小面元透射系数；f为Lambert分量；r0为Lambert面反射系数。

机场跑道、 砖地双向反射分布函数模型为BRDF的五参数半经验统计模型。 以砖地模型为例， 对0.86 μm波长激光的拟合参数如表1所示。

表1　BRDF统计模型拟合参数

入射角θi为45°时砖地BRDF的拟合数据如图7所示， 该拟合数据就可以应用于散射特性计算。 地面背景示意图见图8。

图7　砖地BRDF的建模结果

图8　地面背景示意图

3地面背景近场散射特性仿真结果

3.1　不同地面背景近场散射特性仿真

地面背景模型为平面， 导弹运动姿态不变， 选定激光引信同一高度从空中与3种不同地面背景交会， 得到不同地面背景激光雷达散射截面和散射回波。 根据公式(8)中的结果， 散射回波仅与激光雷达散射截面相关， 其仿真结果如图9所示。

图9　不同地面背景近场散射特性仿真结果

从结果中可以看出， 不同BRDF的地面背景， 激光散射回波也不同， 且变化趋势相似。

3.2　同一背景不同交会条件LRCS仿真

地面背景模型为平面， 选定激光引信同一背景、 同一高度， 不同导弹俯仰角从空中与地面背景交会， 得到不同地面背景激光雷达散射截面。 根据公式(4)中结果， 激光雷达散射截面仅与θi相关(激光引信收发视场极为接近， 相对地面背景θi=θr)， 仿真结果如图10所示。

图10　不同导弹俯仰角LRCS仿真结果

从图中可以看出不同导弹俯仰角时cosθi值的变化， 同时激光引信的积分面积dA也随θi变化， 随着θi的增大， LRCS最大值随之增加， 且变化速率在变缓。

导弹运动姿态不变， 选定激光引信同一背景(图8所示地面背景模型)， 不同高度从空中与地面背景交会， 得到不同地面背景激光雷达散射截面， 仿真结果如图11所示。

图11　不同高度下的激光雷达散射截面仿真结果

从图中可以看出， 虽然导弹运动姿态不变， 但不同高度交会时， 激光引信针对同一地面背景积分面积dA上的夹角θi在变化， 使得LRCS值起伏有了很大变化。

4结论

本文分析了激光引信近场散射特性原理， 针对激光引信关键部件、 地面背景进行数字仿真建模， 利用上述模型， 对激光引信地面背景激光散射特性进行仿真分析。 结果表明， 沙地激光雷达散射截面最大， 散射回波最强， 对激光引信干扰最大； 其他参数相同的情况下， 随导弹俯仰角增大， 激光雷达散射截面随之增大。

参考文献：

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[10] 王彪, 林嘉轩, 童广德.复杂目标激光引信回波仿真[J].制导与引信, 2012, 33(4): 24-30.

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[12] Larsson H, Steinvall O, Chevalier T, et al. Characterizing Laser Radar Snow Reflection for the Wavelengths 0.9 and 1.5 μm [J].Optical Engineering, 45(11).

Characteristics of Laser Fuze Scattering from

Ground Background in the Near Field

Li Zhe, Zhang Jingguo, Gao Chong

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:For research on the modeling and simulation of characteristics of laser fuze scattering from ground background in the near field, the principle of the laser fuze near field scattering characteristics is introduced, the simulation model of laser radar cross section and scatter echo are established, the fuze’s scattering characteristics in the different ground background and the same ground background with different rendezvous conditions are analyzed. The results can provide basis for ground background interference design and verification work of laser fuze.

Key words:laser fuze; laser radar cross section; bidirectional reflectance distribution function(BRDF); near field; scatter echo

作者简介：李喆(1982-)，男，河北保定人，硕士，研究方向为目标与环境特性。

收稿日期：2015-07-29

中图分类号：TJ43+9.2

文献标识码：A

文章编号：1673-5048(2015)06-0027-04