隐身目标激光近场散射特性研究

高　宠， 张京国， 李　喆

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳　471009)



隐身目标激光近场散射特性研究

高宠， 张京国， 李喆

(中国空空导弹研究院, 河南 洛阳471009)

摘要：采用波束分割法， 通过仿真计算各个被照射小面元的激光雷达散射截面(Laser Radar Cross Section， LRCS)， 并进行叠加， 获得目标LRCS。 定量分析了隐身目标的激光远场、 近场散射特性， 可以为激光近距探测系统灵敏度等参数的设计提供依据。

关键词：隐身目标； 激光近场散射特性； 激光雷达散射截面； 仿真计算

0引言

由于激光引信具有良好的距离截止特性、 对目标能主动全向探测、 抗电子干扰能力强等特点， 因此得到了广泛的应用。 目标激光近场散射特性是激光引信设计和性能评估的基础和依据， 决定了激光引信的主要技术参数， 目标激光近场散射特性的研究对于激光引信设计有重要意义[1-6]。

目前， 国内外针对目标激光散射特性开展了大量的研究工作[7-10]， 但对激光近场散射特性的研究还比较少， 尤其是隐身目标的激光近场散射特性。 本文主要对隐身目标的激光散射特性进行仿真分析。

1目标激光散射特性计算模型

目标激光散射特性采用激光雷达散射截面(Laser Radar Cross Section， LRCS) 来表征， 反映目标表面材料方向散射特性、 目标几何形状结构和激光波长等因素对目标激光散射特性的综合影响， 用σ表示。 虽然对于引信近场来说， 其LRCS与激光雷达中所提的目标LRCS受照射区域、 照射方向、 距离等因素影响概念有所不同， 但是在弹目交会过程中， 仍可以作为衡量目标散射特性的定量标准。

一般通过双向反射分布函数( Bidirectional Reflectance Distribution Function， BRDF)来计算LRCS。 BRDF被用来表征目标表面材料方向散射特性， 用fr表示。 目标表面材料的BRDF与表面材料粗糙度、 入射角和散射角等有关。

整个目标表面的LRCS为[6]

σ=∫AiπfrcosθicosθrdAi

(1)

式中： 积分域Ai为目标被激光照射到的面积；θi为入射角；θr为散射角。

BRDF五参数模型[11-12]为

(2)

式中： 第一项为粗糙表面的镜面反射分量； 第二项为漫反射分量；G(θi,θr,φr)为遮蔽函数， 指数项为描述粗糙度统计特性的特征函数；kb，kd，kr，a，b为待定参数， 由目标表面材料决定， 可通过实测数据计算得到；θi为入射角；θr为散射角；γ为微观平面上的入射角； cosα为θi和θr的函数；α和γ表示为

(3)

这里可认为cosφr=1。

2目标激光散射特性仿真计算

2.1　目标激光散射特性的仿真方法

对于像隐身飞机一类的复杂目标， 在导弹与目标相对交会运动过程中， 目标表面面积比激光引信波束照射面积大得多， 通过波束分割法， 求解交会过程中某一时刻的激光引信照射到的目标表面LRCS。 波束分割是指把发射光束分成大量细小光束的集合， 求解这些细小光束照射到的目标部位。 通过对各个小单元的LRCS的计算， 进入视场判断和遮挡判断， 将被照射面元的LRCS进行叠加， 得到目标的LRCS[6]。

2.2　典型材料的BRDF

三种材料(钢675、 歼七蒙皮、 白漆)的BRDF随散射角的变化关系如图1所示， 这里散射方向和入射方向重合。

图1　BRDF随散射角的变化关系

从图1可以看出， 钢675材料的镜面效应强于白漆。 在散射角15°内， 钢675的BRDF随散射角迅速减小， 而白漆的BRDF随散射角的变化相对缓慢。

2.3　目标激光远场散射特性

F-22A飞机表面材料的BRDF无法获取， 这里选取两种代表性的材料对F-22A飞机激光散射特性进行分析， 包括镜面反射较强、 漫反射较弱的金属材料(钢675)和镜面反射相对较弱、 漫散射较强的白漆涂层。

F-22A飞机远场LRCS水平面仿真结果如图2所示， 其中表面材料分别选用钢675和某型白漆涂层。

图2　水平面远场LRCS

从图2可以看出：

(1) 当F-22A飞机表面材料散射特性类似于钢675散射特性时， F-22A远场LRCS最小值为-15 dBsm， 在头部±30°范围内， LRCS约-10 dBsm， 即0.1 m2；

(2) 当F-22A飞机表面材料散射特性类似于白漆涂层散射特性时， F-22A远场LRCS最小值大于0 dBsm， 即1 m2， 不具有隐身效果。

因此， 如果F-22A对激光具有较好的隐身效果， 则F-22A表面材料的散射特性接近于金属的散射特性。

2.4　目标激光近场散射特性

脱靶量10 m条件下， 导弹从F-22A飞机正下方迎头、 尾追交会的动态LRCS计算结果分别如图3~4所示。 图中横坐标为沿相对速度方向导弹位置， 为正表示导弹在目标前方， 为负表示导弹在目标后方， 其中“0”点为目标几何中心在相对速度方向的投影。 计算条件：探测视场角1°。

图3　迎头交会动态LRCS计算结果

图4　尾追交会动态LRCS计算结果

从图3~4可以看出， 钢675与白漆涂层对目标动态LRCS影响较大， 在大多数情况下钢675的目标动态LRCS小于白漆涂层的动态LRCS。

随机抽取16 224条全向交会弹道进行数字仿真， 交会条件：交会角0°～180°； 脱靶方位0°～360°。 计算结果表明：

(1) 当F-22A飞机表面材料散射特性类似于白漆涂层散射特性时， 当引信最小可探测LRCS为-16 dBsm时， 引信对F-22A飞机的启动概率大于99%；

(2) 当F-22A飞机表面材料散射特性类似于钢675散射特性时， 当引信最小可探测LRCS为-20 dBsm时， 引信对F-22A飞机的启动概率大于99%。

3结论

本文主要对F-22A飞机的激光散射特性进行仿真计算， 结果表明：

(1) 当表面材料激光散射特性类似于钢675时， F-22A在头部±30°范围内的远场LRCS约-10 dBsm， 近场LRCS最小值为-20 dBsm；

(2) 当表面材料激光散射特性类似于白漆涂层时， F-22A远场LRCS最小值大于0 dBsm， 近场LRCS最小值为-16 dBsm。

参考文献：

[1] 袁正. 激光引信综述[J]. 航空兵器, 1998(3): 31-38.

[2] 杨若愚， 梁谦， 于海山. 一种基于多门限的周视激光引信抗干扰方法研究[J]. 航空兵器, 2014(3): 20-23.

[3] 高宠， 刘建新， 张京国， 等. 基于蒙特卡罗法的激光引信云雾回波信号研究[J]. 航空兵器, 2008(3): 50-53.

[4] 王日， 徐玉滨， 孙宝举， 等. 激光探测目标仿真算法研究[J]. 红外与激光工程, 1999, 28(3): 898-901.

[5] 近距激光雷达[M]. 宋振峰， 王秀萍， 王丽霞， 译.洛阳：中国空空导弹研究院, 2000.

[6] 徐根兴. 目标和环境的光学特性[M]. 北京： 中国宇航出版社, 1995.

[7] 薛谦忠, 吴振森, 李良超, 等. 激光引信目标近场散射特性理论研究[J]. 西安电子科技大学学报, 2000, 27(5): 594-596.

[8] 吴振森, 陈辉. 激光引信目标近场散射特性研究[J]. 激光与红外, 2001, 31(5): 294-297.

[9] 刘斌. 激光引信目标识别及抗干扰设计[J]. 探测与控制学报, 2002, 22(8): 898-901.

[10] 张京国, 梁晓庚, 唐俊. 一种激光引信目标回波信号的计算方法[J]. 制导与引信, 2008, 29(1): 22-27.

[11] 吴振森, 谢东辉, 谢品华, 等. 粗糙表面激光散射统计建模的遗传算法[J]. 光学学报, 2002, 22(8): 898-901.

[12] 李铁, 阎炜, 吴振森. 双向反射分布函数模型参量的优化及计算[J]. 光学学报, 2002, 22(8): 898-901.

Study on Laser Near-Field Scattering Characteristics

of Stealth Targets

Gao Chong， Zhang Jingguo， Li Zhe

(China Airborne Missile Academy, Luoyang 471009, China)

Abstract:Adopting the method of beam splitting, through the simulation calculation of each irradiated facet of laser radar cross section (LRCS) and superposition, the LRCS of target is acquired. Laser far-field and near-field scattering characteristics of stealth targets are quantitatively analyzed, which can provide reference for the sensitivity design of laser short range detection system.

Key words:stealth targets; laser near-field scattering characteristics； LRCS; simulation calculation

作者简介：高宠(1979-)，男，山西朔州人，高级工程师，研究方向为引信目标与环境特性、引战配合。

收稿日期：2015-07-30

中图分类号：TN958.98

文献标识码：A

文章编号：1673-5048(2015)06-0024-03