点目标LRCS测量系统研究

吉林省长春理工大学研究生院机电工程学院 张新 吕琼莹 胡凯峰 蒋贵德

1 研究背景及意义

激光雷达散射截面（LRCS）延续了微波雷达散射截面（RCS）的定义，它是一种假想出来的面积，又可以叫做漫射平面或漫射标准件的几何投影面积。它等同于一个无损耗的朗伯表面（Lambertiansurface），该表面在接收机和目标上产生的散射功率相同。这个截面从通过它的电磁波中截取能量，接收天线终端接收功率就等于入射波功率密度乘以暴露在这个功率密度中的天线有效面积，这个面积用σ表示[1]。

目标LRCS的测量是研究目标雷达特征的必要手段。对目标的实际测量不但可获取目标基本散射特征，对已有实验进行验证分析，并可获得大量目标特征数据，建立目标特性数据库。对其测量方法的研究不但可用来分析目标散射场的各种机理，更可以应用到现代及未来军事研究中，对目标的精确识别和未来武器优化都具有重要意义。

2 理论基础

目标按相对于光斑大小可分为三类：即扩展目标、点目标和线状目标。LRCS的测量受多种因素影响，如目标的几何参数、物理参数和入射雷达波参数等，同时还与目标相对于雷达的姿态有关。对于扩展目标，光斑是不能覆盖整个目标的，所以无法用其RCS来准确表征其特性；对于线状目标,必须考虑目标相对光斑的位置[2]；对于点目标，我们可以用其LRCS来表征其目标特性。本文中讨论的即某锥形点目标的激光雷达散射截面情况。

已知LRCS的定义式为：

对于各向同性散射点目标，距离目标R处满足：

对于目标表面均方粗糙度大于激光波长，且反射信号均匀散射、幅度分布具有BRDF特征的暗小目标的LRCS面积σ的计算公式如下：

ρ为半球反射率；r为朗伯圆面半径；θ为朗伯面的入射角度。

利用雷达方程并通过实验可知：

Pr—接收机接收的激光反向散射功率；Pt—激光发射功率；

ωt—发射光束立体角；ωr—目标散射光束立体角；

σ—雷达散射截面积；Ac—接收器孔径面积；

T—目标单向传输路径透射率；T1—光学系统效率；

该式中T、T1等量不易测量，实际场合下并不实用。为此我们采用微波雷达中曾用过的另一种方法——标准目标法[3]进行测量。为了消除易变因素对σ的影响,在距离雷达R0处放置一个LRCS为σ0的标准目标样品,其中σ0、R0均为已知量,则由（4）式得到标准目标的回波功率为:

设定一般目标散射立体角相等，此时联立上式得到：

特别当：R=R0时，T=T0，则 σ·σ0

其中 Pr、P0可由探测器响应得到，即 Pr=RVVr，P0=RVV0，则上式变为:

Vr、V0分别为待测目标和标准目标在探测器的输出电压，上式即实验方法获取LRCS的公式。我们以半径为a的漫反射球（喷砂铝球）为参考目标时激光雷达散射截面σ 具有0如下形式：

其中ρ2π是目标材料的半球反射率，红外激光常用的喷砂铝板和聚四氟乙烯的半球反射率分别为0.65和0.98。

3 实验设计与仿真

雷达发射端和接收端天线一般到目标的距离已经远大于目标任何意义上的尺寸，所以入射到目标处的雷达波可以近似看成平面波，我们以后对于激光雷达的讨论是基于入射光为平面波的情况。我们对锥形点目标LRCS进行精确测量采用的是单站对比测量法，即我们将入射光进行调制后分光，一束光经准直后照射到待测目标上，再对目标反射回来的光束进行收集，准直后进锁相；另一束光作为参考光束进锁相，将两光束分别导入光谱仪并通过特定软件进行分析。测量系统如图1所示。

图1 单站对比测量系统

本实验中光源选择的是波长1550nm的光纤体激光器；光环行器选择的是THORLABS的6015-3-FC型单模光纤环行器；转台选择的是Thorlabs的TTR001型俯仰、倾斜转台；光谱仪选择的是上海复享仪器设备有限公司制造的NIR1700型近红外光谱仪，如图2、图3所示。

图2 TTR001型俯仰、倾斜转台

图3 NIR1700型近红外光谱仪

当目标角度变化时，LRCS变化规律如图4所示。

[1]阮颖铮等.雷达截面与隐身技术[M].北京：国防工业出版社，1998.6

[2]杨洋.激光雷达标准目标散射截面的研究[J].光学技术Vol.26No.4July2000

[3]张威.测量目标雷达后向散射截面的标准法.GF69681:1～3.