脉冲激光引信的云雾回波波形特征仿真研究

2020-01-14王凤杰陈慧敏陆长平

制导与引信 2019年2期

王凤杰, 陈慧敏, 陆长平

(1.上海无线电设备研究所,上海201109;2.北京理工大学机电动态控制重点实验室,北京100081)

0 引言

目前,对空武器平台使用的激光引信易受到云雾环境的干扰,导致探测性能下降甚至失效[1]。利用云雾和硬目标的回波特征差异识别激光引信的回波来源、消除云雾干扰,是提高激光引信在云雾环境中探测能力的一种思路。张京国、宋雪平和王广生等研究了云雾对激光引信后向散射回波的脉冲展宽特性[2-5],并分析了激光引信结构、发射激光信号形式和激光引信与云雾边界距离等因素的影响,研究结果表明,收发间距越大、发射激光脉宽越窄,回波展宽程度越大。但是,仅仅依靠回波展宽信息还不足以区分出云雾回波和硬目标回波,需要研究更多的回波特征信息。Hauger、李新斌和路明等研究了云雾中有目标时的回波特性[6-8],发现在特定情况下,回波会出现双峰现象,第一个峰值为云雾后向散射回波峰值,第二个峰值为目标回波峰值,但是未对回波双峰现象的出现规律作进一步的研究。

因此,本文基于 Mie散射理论和 Monte Carlo方法,建立脉冲激光引信在云雾中的探测模型,仿真获取云雾中无目标和云雾中有目标两种场景下脉冲激光引信的云雾回波,分析云雾中无目标时云雾回波的波形特征,和云雾中有目标时回波双峰现象的出现规律。

1 脉冲激光引信探测模型

脉冲激光引信探测模型的原理:将发射激光分解为大量光子,以光子作为探测单元,利用Mie散射理论和Monte Carlo方法解算光子在云雾中的运动轨迹,统计因粒子散射而返回到激光引信的光子,得到探测回波。根据探测回波的形成过程,脉冲激光引信探测模型分为三个部分:激光发射模型、激光在云雾中的传输模型和激光接收模型。

1.1 激光发射模型

脉冲激光引信发射的激光在时域上为高斯脉冲,其功率表达式为

式中:τ为高斯脉冲的持续时间;P0为峰值功率。

在脉冲激光引信探测模型中,以激光束腰作为光子发射点,激光束腰处每个位置发射的光子数量服从高斯分布,所以光子发射位置为[9]

式中:ξ1、ξ2为标准正态分布随机数。光子发射方向为[10]

式中:θt=为光子发射方向天顶角;θ'为激光光束发散角;ξ3为标准正态分布随机数;φt=2π·ξ4为光子发射方向方位角;ξ4为[0,1]区间上的均匀分布随机数。

激光器发射出的光子在进入外部空间前,还要通过发射端光学系统进行整形,以减小光子的发散程度。发射端光学系统为一个平凸透镜,光子通过平凸透镜时,会在透镜两侧发生两次折射,从而使光子移动方向的发散角度变小。光子在发射端的整形过程,如图1所示。

图1 光子在发射端的整形过程示意图

1.2 激光在云雾中的传输模型

光子进入烟雾后会与烟雾粒子发生碰撞,碰撞粒子的粒径根据粒子粒径分布抽样确定。在描述云雾粒径分布时,用得较多的是指数谱分布函数,表达式为[11]

式中:r为云雾粒径;a,b,α和β为分布参数。

与云雾粒子碰撞散射后,光子的能量发生改变,光子的能量变为[12]

式中:Ebs为散射前的光子能量;Qsca和Qext分别为粒子的散射系数和消光系数,表达式为[13]

式中:x=πd/λ为粒子尺寸参数;λ为激光波长;an,bn为Mie散射系数。

与云雾粒子碰撞散射后,光子的移动方向也发生改变,光子的移动方向变为[14]

式中:(uxs,uys,uzs)为散射前的光子移动方向;φsca为散射方位角,在[0,2π]区间上的均匀分布;θsca为散射天顶角,根据Mie散射相函数抽样确定;Mie散射相函数的表达式为[15]

式中:S1(θ)、S2(θ)为散射振幅函数。

光子与云雾粒子的碰撞散射过程,如图2所示。

如果光子与粒子碰撞散射后的能量不小于阈值(为避免无限循环,设定能量阈值,当光子能量小于阈值时,认为光子已消亡),则光子沿着新方向继续移动,移动距离为[16]

式中:ξ为[0,1]区间上均匀分布的随机数;μt为云雾衰减系数。

图2 光子与云雾粒子碰撞散射过程示意图

1.3 激光接收模型

若光子离开云雾后移动方向朝向脉冲激光引信一侧,则光子有可能被脉冲激光引信接收,成为回波光子。若光子进入脉冲激光引信的接收窗口:

式中:dtr为脉冲激光引信的收发光轴间距;Rr为接收端镜头半径。

且光子入射角度满足接收视场角要求:

式中:θview为脉冲激光引信的接收视场角,则光子被脉冲激光引信成功接收,成为回波光子。

光子接收过程,如图3所示。

图3 光子接收过程示意图

1.4 仿真流程

仿真流程如图4所示。首先,设置云雾参数、目标参数和激光引信参数等仿真参数;然后,初始化并发射光子,计算光子在包含云雾和目标的环境中的运动轨迹,判断光子能否被激光引信接收成为回波光子;最后,统计全部回波光子的接收时刻信息和能量信息,得到激光引信的回波信号。

2 仿真结果与分析

2.1 仿真条件

脉冲激光引信参数方面,脉冲激光引信位于云雾内部,发射激光波长为0.86μm,脉冲宽度(本文中的脉冲宽度均为半高宽度为5,10,30,50 ns,激光束散角为5 mrad,接收光学系统直径为25.4 mm,接收视场角为21 mrad,收发光轴间距为35 mm。云雾参数方面,云雾空间范围无限大,能见度为20 m,粒径范围为(0.1～50)μm,粒径分布函数为式(4)。目标参数方面,目标为朗伯反射平板,其表面垂直于激光引信发射光轴,与激光引信的距离(以下简称目标距离)为10 m,反射率为0.3。

仿真参数如表1所示。

仿真场景如图5所示。

2.2 云雾中无目标时的回波波形特征

图6为脉冲宽度分别为5,10,30和50 ns时脉冲激光引信的云雾后向散射回波,图中横坐标为以激光发射时刻为零点的时间序列,纵坐标为以发射激光峰值功率为标准的归一化回波强度序列。图6显示,脉冲激光引信的云雾回波依然是一个脉冲信号,未出现波形类型改变等重大变化;但同时也可看到,回波波形也发生了一些变化,即下降沿的变化速率要比上升沿慢一些。

图6 不同脉宽激光引信的云雾后向散射回波

图7为四种脉宽激光引信云雾回波波形的展宽幅度(回波脉宽减去发射激光脉宽)和展宽比例(展宽幅度除以发射激光脉宽)。观察图7中云雾回波的展宽幅度,云雾回波的展宽幅度随脉宽增加呈现递减的趋势。相较于展宽幅度,展宽比例更能体现云雾回波波形的展宽程度。观察图7中云雾回波的展宽比例,展宽比例均随脉宽增加而减小。上述结果表明,发射激光脉宽越窄,云雾回波波形的展宽程度越大。

图7 不同脉宽激光引信的云雾回波展宽

图8为云雾回波波形展宽中上升沿与下降沿所占比例。图8显示,上升沿与下降沿在回波展宽中所占比例存在差异,且下降沿所占比例更大。对于5,10,30和50 ns脉宽激光的云雾回波,下降沿所占比例分别为78%、75%、67%和68%,均远远大于上升沿所占比例,约为上升沿所占比例的2～3倍。上述结果表明,云雾回波波形相较于发射激光波形出现了畸变,不再是关于峰值完全对称的脉冲波形,而是呈现上升沿陡、下降沿缓特征的非对称脉冲波形。

图8 不同脉宽激光引信回波中上升沿与下降沿所占比例

综上所述,云雾回波波形相较于发射激光波形出现了畸变与展宽,回波波形呈现出上升沿陡、下降沿缓的非对称特征,且发射激光脉宽越窄,回波波形的展宽程度越大、非对称性越明显。

2.3 云雾中有目标时的云雾回波波形特征

图9为脉宽5,10,30,50 ns激光引信的目标与云雾混合回波波形。图9中,脉宽5 ns和10 ns激光的回波波形出现了两个明显波峰,第一个波峰主要为云雾回波,第二个波峰主要为目标回波;脉宽30 ns激光的回波波形中云雾回波波峰不明显,而脉宽50 ns激光的回波波形依然只有一个波峰。上述结果表明:激光引信的目标与云雾混合回波波形可能出现多个波峰,且窄脉冲激光出现的几率要大于宽脉冲激光,即窄脉冲激光比宽脉冲激光有更大的几率分离出目标回波和云雾回波。