CN105486180A - 基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型，采用3D？Max进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；对激光波束在其横截面上，波束分解，在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。本发明的有益效果是计算目标近场回波信号精度高，反应速度快。

Description

基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算

技术领域

本发明属于复杂目标激光回波检测与分析领域，涉及基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法。

背景技术

由于激光方向性强、光束窄，无副瓣，抗干扰等方面均优于无线电引信等特点，其在激光引信中得到了重要应用。目标的光散射特性对主动式激光引信的研制具有重要参考意义。不同目标具有不同的反射特性，同一目标不同部位也具有不同的反射特性，对同种材料，表面形状和表面状态不同，反射特性也具有较大差别，这就引起主动式光引信作用距离的离散性。对低反射率的目标，要满足一定的作用距离，就需要增加发射功率。这就要求对引信目标回波作系统仿真，通过输入虚拟引信、目标及所处背景环境，构建任意条件下动态弹目交会虚拟试验。动态弹目交会虚拟试验能够模拟引信系统和弹目交会段目标的激光回波信号，评估引信系统探测和识别目标、抗干扰能力、炸点控制技术方案是否科学合理的基础数据，同时也能够促进硬件系统的改进和算法的优化。

英国EMI公司、法国Thomson-ESF公司成功地用仿真系统进行了“海标枪”导弹、TB-40近炸引信的引战配合效率计算，瑞典Ericsson公司、俄罗斯莫斯科保尔曼科技大学研制的近炸引信仿真系统包括脉冲调制、连续多普勒体制，三维目标回波计算软件，干扰模型、地面、海面反射信号计算软件，并建有大量实测数据的数据库。但是目前无线电引信计算目标近场回波信号中精度低，反应速度慢。

现有技术中，有用平面和二次曲面(柱面、锥面和椭球面)单元来逼近目标表面,建立目标几何模型,并假设发射信号为连续平面波，进行回波仿真计算。其存在以下缺点：

1)目标建模时，采取的二次曲面技术，该技术进行复杂目标建模时，时间成本极高，一个复杂模型需要熟练人员上月时间。

2)该计算方法假设引信发射功率Pt为常数，在时间与空间上无差别。这与真实情况不符，(引信发射信号为脉冲波束，具有空间与时间分布)计算的结果误差较大。

发明内容

本发明的目的在于提供基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法，解决了现有的无线电引信计算目标近场回波信号中精度低，反应速度慢的问题。为激光引信动态目标近场回波信号仿真，目标激光探测、识别、引信系统技战指标评估提供技术支撑。

本发明基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，按照以下步骤进行：

步骤1：首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型：原点O_m在激光引信波束口面中心；X_m轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Y_m轴：与发射波束光轴重合，垂直X_m轴，向上为正；Z_m轴：按右手法则定义；

激光引信发射场模型：

$U(0,r_m)=\frac{2P\left(t\right)}{\mathrm{\π}}\exp \[-\frac{r_m^2}{W_0^2}-ik\frac{r_m^2}{F_0}\],r_m=\sqrt{x_m^2+y_m^2}---\left(2\right)$

其中W₀和F₀分别是激光的初始波束半径和焦距。P(t)是脉冲激光功率的时间调制：

$P\left(t\right)=P_0\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(3\right)$

其中，P为发射功率，P₀为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t₀时刻对应着脉冲的峰值功率；

步骤2：目标几何建模；采用3DMax进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；

步骤3：对激光波束在其横截面上，进行波束分解：在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；

步骤4：进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。

进一步，所述步骤4中，计算每个小波束的回波功率的前提条件：

1)波束与目标的所有面元不相交。该情况下，此小波束回波功率为零；

2)波束与目标某面元相交，且波束位于三角形面元内。直接计算该波束的回波功率；

3)波束范围大于面元，则对波束进一步细分，直到满足2)。

进一步，所述步骤4中，小波束回波功率计算方法：

表面小面元上，入射光源方向为探测器的观测方向为其中θ,φ分别代表天顶角和方位角，Z代表粗糙表面平均平面的法线方向，P点为目标上一点，P′点为探测器上一点，dA为小波束在目标面元上的投影面积，dA'为探测器微分面元面积，小太阳表示激光脉冲波束入射方向，假设入射照度为E_i(t,x,y,z)，其为时间和空间的函数，则散射方向的亮度表示为：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i)E_i(t,x,y,z){\mathrm{cos\θ}}_i---\left(4\right)$

其中，表示p点以方向入射，方向出射的双向反射分布函数BRDF，其中，表示以方向入射，表示以方向出射，

将(2)、(3)式代入，得：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i){\mathrm{cos\θ}}_i\frac{2P_0}{{\mathrm{\πW}}^2\left(z\right)}\exp \[-2\frac{x^2+y^2}{W^2\left(z\right)}\]\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(5\right)$

由于探测器孔径一般较小，整体看作是面元dA′，那么接收孔径接收的通量为：

${\mathrm{\φ}}_m=L_{rm}(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r){\mathrm{\Ωcos\θ}}_i^{\′}{s}_m---\left(6\right)$

s_m是面元dA的面积，Ω为探测器孔径对P点所张的立体角：

${\mathrm{\Ω}}_m=\frac{s_m^{\′}{\mathrm{cos\θ}}_i^{\′}}{r^2}---\left(7\right)$

接收的总功率为所有小波束回波功率的求和，考虑到时间函数得：

Φ＝Σφ_m(t-t′)(10)

设定参考平面为z＝0，则t′＝2L/c为激光脉冲在发射与参考平面间的往返时间。

本发明的有益效果是：采用3dMax等建模工具获得基于三角面元的模型，比较容易操作，时间成本低；建立了激光引信发射模型，给出引信发射场的时空特性，并利用横向和纵向的空间划分，来计算这种具有时空分布的引信场的回波特性，更贴近实际情况，计算目标近场回波信号精度高，反应速度快；详细公开了局部照射、波束分解以及回波计算的操作步骤，操作性强，容易实施。

附图说明

图1是导弹与目标几何位置交会示意图；

图2是弹体引信分布示意图；

图3是目标几何模型和材料设置文件示意图；

图4是激光波束分解示意图；

图5是小面元坐标系内入射和散射角示意图；

图6是回波功率计算示意图；

图7是微粗糙铝材料的BRDF；

图8a)是脱靶量为5m的回波功率包络图；

图8b)是脱靶量为7m的回波功率包络图；

图9a)是φm:45°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°条件的回波功率包络图；

图9b)是φm:60°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°条件的回波功率包络图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

导弹引信由收发一体的系统组成，发射一定宽度的脉冲信号。在导弹与目标交会过程中，当发射信号照射到目标上，经目标散射的激光信号被接收器接收，形成接收功率信号。该信号可作为导弹引爆的判据之一。本发明提供了一种基于波束分解和局部照射的弹目交会过程中激光引信近场回波功率的计算方法，可用来仿真计算不同情况下激光引信的回波功率，可应用于引信的辅助设计。

本发明利用波束分解方法，把宽波束分解为一系列小波束，利用射线理论判断小波束与目标是否相交，计算每个小波束的回波功率，最后将每个小波束的回波功率进行叠加，获得激光波束的近场回波功率。

本发明建立了激光脉冲波束的时空模型；对复杂目标进行几何建模和面元划分；对激光脉冲波束进行波束分解，利用射线理论判断小波束与目标的相交情况；根据小波束与目标面元几何关系的三种情况，结合目标表面材料激光BRDF模型，计算每个小波束的回波功率；最后叠加所有小波束的回波功率，获得弹目交汇过程中激光近场回波功率的时间序列。

在本发明中，目标在光波波段，不能被当成理想导体，也不再是光滑表面，目标表面的光学散射特性由材料的BRDF所决定(材料BRDF的确定在该领域为成熟技术)。

本发明具体步骤如下：

1.建立弹目交汇中的相对速度坐标系：

设导弹相对与目标的速度为定义相对速度坐标系：如图1所示，原点O_RT在目标的几何中心；X_RT轴为与弹体相对目标运动的相对运动速度方向一致；Y_RT轴在包含X_RT轴的纵对称平面内，垂直于X_RT轴，向上为正方向；Z_RT轴可以按右手法则确定。

假定在相对速度坐标第中，导弹起始坐标为(x0,y0,z0)，在任意时刻t导弹的中点坐标为：

xm＝x0+V_RTt,ym＝y0,zm＝z0(1)

该坐标系的建立，是为了确定任意时刻，导弹与目标的相对位置。确定相对位置后，及可以将导弹，以及激光引信转换到目标坐标系内，在目标坐标系内研究该问题。

2.建立引信坐标系和激光引信发射场模型：

导弹引信系统由多个收发模块组成，它们围绕导弹纵轴均匀分布，每个模块都会发出一束激光，为了计算激光的空间及时间分布，首先建立引信坐标系：如图2所示，原点O_m在激光引信波束口面中心；X_m轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Y_m轴：与发射波束光轴重合，垂直X_m轴，向上为正；Z_m轴：按右手法则定义。

激光引信发射场模型表示为：

$U(0,r_m)=\frac{2P\left(t\right)}{\mathrm{\π}}\exp \[-\frac{r_m^2}{W_0^2}-ik\frac{r_m^2}{F_0}\],r_m=\sqrt{x_m^2+y_m^2}---\left(2\right)$

其中W₀和F₀分别是激光的初始波束半径和焦距。P(t)是脉冲激光功率的时间调制：

$P\left(t\right)=P_0\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(3\right)$

其中，P为发射功率，P₀为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t₀时刻对应着脉冲的峰值功率。

从公式(2)中可以看出，激光引信的能量在传输的横截面上分布是不均匀的，照射在目标上的能量也是不均匀的，因此需要对波束进行分解。

3.目标几何建模：

采用3DMax进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息。目标几何模型文件如图3左图所示。文件分为三部分：第一行给出总面元数和总顶点数；第二部分是面元信息，每一行有四个数据，面元编号、该面元的第一个点的编号、第二个点的编号和第三个点的编号；第三部分为顶点信息，每行四个数据，第一个是顶点编号，后面三个是该顶点的x,y,z坐标。为了表征目标表面由多种材料构成的情况，为每个模型文件配备一个材料配置文件，如图3右图所示。文件分为两部分：第一行给出材料设置的总行数和材料总数；第二部分是材料设置部分，每行有三个数据，比如第一行的意义为从面元n1到n2，表面材料的编号为matnum。

4.波束分解：

由激光引信发射场模型可以看出，引信发射的激光波束能量随空间和时间是变化的。其中，随空间的变化体现在其传输的横截面上能量分布不均匀，随时间的变化体现在激光能量随其纵向传输距离而变化。由于，激光波束照射到目标上时，目标不同位置上的激光能量会随横向和纵向的不同而变化。因此，对激光波束在其横截面上，进行波束分解，示意图如图4所示，在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，可以近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度。在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减。

5.引信近场回波功率计算：

如图4所示，进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，即可获得引信的总体回波功率。需要计算小波束的回波功率情况如下：研究每个小波束与目标三角面元的关系：

1)波束与目标的所有面元不相交。该情况下，此小波束回波功率为零，忽略。

2)波束与目标某面元相交，且波束位于三角形面元内。直接计算该波束的回波功率。

3)波束范围大于面元，则对波束进一步细分，直到满足2)。

其中，波束与面元相交的判断方法，可参照射线与三角面元相交判断方法(射线追踪算法)。

6.小波束回波功率计算方法：

小波束照射到小面元上，则在该小面元坐标系内，计算该波束的回波功率。

如图5所示，表面小面元上，入射光源方向为探测器的观测方向为其中θ,φ分别代表天顶角和方位角，Z代表粗糙表面平均平面的法线方向。

如图6所示，P点为目标上一点，P′点为探测器上一点。dA为小波束在目标面元上的投影面积，dA'为探测器微分面元面积，小太阳表示激光脉冲波束入射方向。假设入射照度为E_i(t,x,y,z)，其为时间和空间的函数。则散射方向的亮度可表示为：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i)E_i(t,x,y,z){\mathrm{cos\θ}}_i---\left(4\right)$

其中，表示p点以方向入射，方向出射的双向反射分布函数(BRDF)。其中，表示以方向入射，表示以方向出射。

将(2)(3)式代入，可得：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i){\mathrm{cos\θ}}_i\frac{2P_0}{{\mathrm{\πW}}^2\left(z\right)}\exp \[-2\frac{x^2+y^2}{W^2\left(z\right)}\]\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(5\right)$

由于探测器孔径一般较小，整体可以看作是面元dA′，那么接收孔径接收的通量为：

${\mathrm{\φ}}_m=L_{rm}(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r){\mathrm{\Ωcos\θ}}_i^{\′}{s}_m---\left(6\right)$

s_m是面元dA的面积，Ω为探测器孔径对P点所张的立体角

${\mathrm{\Ω}}_m=\frac{s_m^{\′}{\mathrm{cos\θ}}_i^{\′}}{r^2}---\left(7\right)$

其中，BRDF的定义如下：

双向反射分布函数定义为沿方向出射的辐射亮度与沿方向入射到被测表面的辐照度之比，如下所示：

目标表面的双向反射分布函数通过实验测量材料BRDF数据建立BRDF五参数模型，五参数半经验统计模型如公式(9)所示。

式中，表示样片表面BRDF的相干散射分量(镜反射分量)，k_d表示非相干散射分量(漫反射分量)。当反射角度小于85°时，这个模型能够很好的符合金属和电介质粗糙表面的测量数据，并很好地预测了非镜向峰值现象。

7.总体接收功率：

接收的总功率为所有小波束回波功率的求和，考虑到时间函数得：

Φ_＝Σφ_m(t-t′)(10)

设定参考平面为z＝0，则t′＝2L/c为激光脉冲在发射与参考平面间的往返时间。

算例一：在本文仿真计算中导入某飞机模型文件，其表面材料为微粗糙铝材料，其BRDF如图7，激光发射器发射的激光波长为0.808μm。算例中考虑了几种情况，不同情况共用假想参数如表1所示。

表1

1)接收功率随脱靶量的变化：

图8a)，图8b)为不同脱靶量时接受功率时间序列信号，其中图8a)φm:30°ρ:5mα:180°β:0°γ:0°，图8b)φm:30°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°描述了脱靶量分别为5m、7m的回波功率包络图。从图中可以看出：由于脱靶方位和相对姿态不变，回波包络形状类似，但随着脱靶量的增加，接收功率明显减小。对于通道4在-3.5～2.5ms时间段内值比较大，是因为主机翼的影响，对于通道5在0.5～3.5ms时间段内值比较大是由于尾翼的影响。脱靶量的变化也会导致回波起止时间发生改变，并且使得通道3在脱靶量为7m时接收不到回波信号。

2)接收功率随脱靶角的变化：

图9a)、图9b)描述了不同脱靶角时的回波功率包络图，图9a)为φm:45°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°、图9b)为φm:60°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°。脱靶角变化导致光束照射到目标的位置发生明显变化，功率和波形发生明显变化，在图9b)中通道4和通道5，都从飞机头部开始照射，而在图9a)，图9b)中通道5信号的起止时间基本保持不变，因为其照射位置都是从飞机的头部开始，但对于通道4，信号的起始时间发生变化，因为其起始照射位置是从飞机中部某处开始，对于不同的脱靶角，其照射到的部位不一样，故波形的起始位置不同。

以上所述仅是对本发明的较佳实施方式而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施方式所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围内。

Claims (3)

1.一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，其特征在于，按照以下步骤进行：

步骤1：首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型：原点O_m在激光引信波束口面中心；X_m轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Y_m轴：与发射波束光轴重合，垂直X_m轴，向上为正；Z_m轴：按右手法则定义；

激光引信发射场模型：

$U(0,r_m)=\frac{2P\left(t\right)}{\mathrm{\π}}\exp \[-\frac{r_m^2}{W_0^2}-ik\frac{r_m^2}{F_0}\],r_m=\sqrt{x_m^2+y_m^2}---\left(2\right)$

其中W₀和F₀分别是激光的初始波束半径和焦距，P(t)是脉冲激光功率的时间调制：

$P\left(t\right)=P_0\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{(t-t_0)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(3\right)$

其中，P为发射功率，P₀为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t₀时刻对应着脉冲的峰值功率；

步骤2：目标几何建模；采用3DMax进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；

步骤3：对激光波束在其横截面上，进行波束分解：在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；

步骤4：进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。

2.按照权利要求1所述基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，其特征在于，所述步骤4中，计算每个小波束的回波功率的前提条件：

1)波束与目标的所有面元不相交，该情况下，此小波束回波功率为零；

2)波束与目标某面元相交，且波束位于三角形面元内，直接计算该波束的回波功率；

3)波束范围大于面元，则对波束进一步细分，直到满足2)。

3.按照权利要求1所述基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，其特征在于，所述步骤4中，小波束回波功率计算方法：

表面小面元上，入射光源方向为探测器的观测方向为其中θ,φ分别代表天顶角和方位角，Z代表粗糙表面平均平面的法线方向，P点为目标上一点，P′点为探测器上一点，dA为小波束在目标面元上的投影面积，dA'为探测器微分面元面积，小太阳表示激光脉冲波束入射方向，假设入射照度为E_i(t,x,y,z)，其为时间和空间的函数，则散射方向的亮度表示为：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i)E_i(t,x,y,z){\mathrm{cos\θ}}_i---\left(4\right)$

其中，表示p点以方向入射，方向出射的双向反射分布函数BRDF，其中，表示以方向入射，表示以方向出射，

将(2)、(3)式代入，得：

$L_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r)=f_r(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_i){\mathrm{cos\θ}}_i\frac{2P_0}{{\mathrm{\πW}}^2\left(z\right)}\exp \[-2\frac{x^2+y^2}{W^2\left(z\right)}\]\exp \[-\frac{4\mathrm{\π}{\left(t-t_0\right)}^2}{{\mathrm{\τ}}^2}\]---\left(5\right)$

由于探测器孔径一般较小，整体看作是面元dA′，那么接收孔径接收的通量为：

${\mathrm{\φ}}_m=L_{rm}(p,{\stackrel{\→}{\mathrm{\ω}}}_r){\mathrm{\Ωcos\θ}}_i^{\′}{s}_m---\left(6\right)$

s_m是面元dA的面积，Ω为探测器孔径对P点所张的立体角：

${\mathrm{\Ω}}_m=\frac{s_m^{\′}{\mathrm{cos\θ}}_i^{\′}}{r^2}---\left(7\right)$

接收的总功率为所有小波束回波功率的求和，考虑到时间函数得：

Φ＝Σφ_m(t-t′)(10)

设定参考平面为z＝0，则t′＝2L/c为激光脉冲在发射与参考平面间的往返时间。