近距云雾散射激光回波特征

张京国，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

由于工作波段的原因，激光引信存在着受自然环境如云雾、沙尘影响较大的缺点，成为制约其发展和应用的“瓶颈”问题。云雾是相对密集的悬浮粒子所组成的散射体，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。当散射微粒尺寸相当于或大于光波长时，产生米氏散射［1－2］。

目前，国内外对激光引信云雾回波特性［3－4］及其抗干扰技术［5－7］开展了大量的研究工作，但就激光引信与云雾边缘的间距对回波特性影响的定量研究还鲜有报道，多是定性分析和近似公式计算。本文主要对激光窄脉冲在云雾悬浮粒子中的传输特性进行模拟仿真分析，研究激光引信与云雾边缘的间距对回波特性的影响，为激光引信抗云雾干扰提供技术支撑。

1 云雾散射回波仿真方法

激光引信光学收发视场示意图如图1所示，A是发射窗口，B是接收窗口，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”H0，A处与B处的间距常被称为“收发间距”。激光引信与云雾边缘的间距H＊是指激光引信收发窗口到云团边缘的距离。

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

一般通过蒙特卡罗法［8－9］来研究云雾散射回波信号。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，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，在运动过程中被云雾粒子散射多次。

在蒙特卡罗法中，光子在介质中运动的状态，可用一组参数来描述，它通常包括：光子的空间位置r、权值K、运动方向余弦Q和光子运动经历的时间t，以S＝ （r，K，t，Q）表示。光子发生第m次散射的状态参数表示为：

光子在云雾介质中运动，直到其运动历史结束前（如逃逸出边界或被吸收等），要经过若干次散射。光子的运动过程可看作为马尔科夫过程，由状态Sm－1能够确定状态Sm，于是得到了一个光子的随机游历历史S0，S1，…，SM－1，SM，也就是模拟了一个由源发出的光子的运动过程。这里S0为光子的初态；SM为光子的终止状态，M称为光子运动的链长。

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。当光子在探测视场和视野区域内时，光子有可能被捕获。光子被探测器捕获的概率为：

式（2）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；θs，m＋1是散射角；S是探测系统的通光面积；接收表面法线方向与光子入射方向的夹角表示为：

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。散射相位函数采用H－G函数的修正公式［2］：

式（4）中，g为非对称因子。

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（5）中，

散射后光子新的方向余弦为［8－9］：

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］：

2 云雾散射回波随引信与云雾边缘的间距的变化规律

图2给出了回波波峰位置（即云雾散射回波波峰相对于发射脉冲的波峰延时）随引信与云雾边缘的间距的变化规律；图3给出了回波峰值比值随引信与云雾边缘的间距的变化规律，图中纵坐标代表不同间距下的回波峰值与零间距下的回波峰值的比值，两个横坐标分别代表脉冲宽度和引信与云雾边缘的间距。图4给出了回波波形随引信与云雾边缘的间距的变化规律，图中的纵坐标代表峰值功率。图2—图4所用的主要仿真参数如下：接收系统通光面积0.000 6m2，收发间距85mm，探测视场倾角85°，发射视场角0.4°，接收视场角3.2°，波长0.95 μm，云雾对光波的折射率1.33－1.3×10－7j。

从图2—图4可以看出，在激光引信参数给定的条件下，当盲区距离小于0.6 H＊时，波峰位置随间距增大而增大，而当盲区距离大于0.6 H＊时，回波波峰位置随间距的变化不明显；在刚开始阶段，回波峰值功率随着引信与云雾边缘的间距的增大而增大，而当间距增大至大约2.3m时，回波峰值功率达到最大，之后回波峰值功率随着间距的增大而减小；随着引信与云雾边缘的间距的减小，云雾散射回波波形更趋近于高斯波形。

图2 回波波峰位置随脉冲宽度和引信与云雾边缘的间距的变化规律Fig.2 Peak position of the laser echo variable with the transmitting pulse width and space

图3 回波峰值比值随脉冲宽度和引信与云雾边缘的间距的变化规律Fig.3 Peak power ratio of the laser echo variable with the transmitting pulse width and space

图4 回波波形随脉冲宽度和引信与云雾边缘的间距的变化规律Fig.4 Wave shape of the laser echo variable with the transmitting pulse width and space

3 云雾散射回波特性分析

云雾介质多次散射回波信号的幅值的变化规律并不是固定不变的，不仅与云雾能见度、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，而且激光引信与云雾边缘的间距对其影响也很大。云雾是相对密集的悬浮粒子所组成的散射体，会对激光多次散射，不在探测视场范围内的云雾部分也会对形成散射回波有贡献。多次散射主要由盲区距离内贴近收发系统的云雾产生，当随机分布的云雾粒子比较稀薄或激光引信与云雾边缘的间距较大时，散射回波信号主要由云雾粒子的单次散射产生，此时所有的多次散射均可忽略；当云雾粒子较浓且激光引信与云雾边缘的间距较小时，需要考虑粒子间多重散射的相互作用。

由于云雾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，云雾的衰减作用主要使后向散射信号在云雾中的贯穿深度变小，因此在激光引信工作于云雾边缘附近的条件下，当引信与云雾边缘的间距增大时，盲区外云雾的单次散射回波在到达探测器前受到的云雾衰减程度减弱，回波强度会增大，且增大程度大于多次散射减小的程度，因而回波峰值功率随着间距的增大而增大；当引信与云雾边缘的间距增大到约等于盲区距离后，单次散射回波功率随着间距的增大而迅速减小。

云雾散射回波相对于发射脉冲会有一定时延，当盲区距离大于引信与云雾边缘的间距时，回波信号主要由盲区距离外的云雾单次散射和盲区距离内云雾多次散射产生，回波波峰位置主要由盲区距离决定，而当盲区距离小于引信与云雾边缘的间距时，回波信号主要由云雾的单次散射产生，回波波峰位置主要由引信与云雾边缘的间距决定。

在不同的引信与云雾边缘的间距下，由云雾后向散射形成的回波干扰幅值小于非穿透性目标反射而形成的回波信号幅值，因此对于不同的回波延时信号，利用信号幅值差异，可以识别目标与干扰。

4 结论

本文就引信与云雾边缘的间距对激光引信云雾散射回波的影响进行了模拟分析，研究结果如下：1）引信与云雾边缘的间距对波峰位置和峰值功率的影响较大，在激光引信参数给定的条件下，当盲区距离小于0.6 H＊时，波峰位置随间距增大而增大，而当盲区距离大于0.6 H＊时，回波波峰位置随间距的变化不明显；2）随着引信与云雾边缘的间距的减小，云雾散射回波波形更趋近于高斯波形。分析表明：仿真结果符合云雾对传输光束的散射规律，可以为激光引信的目标识别提供技术支撑。

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