CN108662955A - 一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法，首先建立激光引信坐标和目标模型，其次初始化发射激光并确定光子发射时的位置和方向，依次发射光子；然后判断光子能否照射到目标，计算被目标反射后的光子移动方向，再判断被目标反射后的光子能否被激光引信接收，记录光子被接收的时刻和能量；最后判断全部光子仿真是否结束，如果是统计每个时刻回波光子的总能量，就得到了激光引信的目标回波。本发明的仿真方法能够解决激光引信回波仿真精度低的问题。

Description

一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法

技术领域

本发明属于数值仿真技术领域，具体涉及一种激光引信回波仿真的方法。

背景技术

激光引信回波仿真是评估激光引信探测性能、测试目标散射特性重要且有效的手段。现有方案均是以激光束作为探测单元计算被探测目标回波，存在以下不足：(1)未考虑激光束截面光场强度分布的不均匀性；(2)未考虑激光引信接收窗口对回波角度的要求。上述不足导致基于激光束探测的激光引信回波仿真存在较大的误差。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法，能够解决激光引信回波仿真精度低的问题。

一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法，该方法的实现步骤如下：

步骤一、建立激光引信坐标系：以激光引信发射窗口为坐标原点，发射激光轴向为z轴，接收窗口相对发射窗口所在方向为x轴，按左手法则建立坐标系；

步骤二、建立目标模型：采用三角形网格将目标表面划分为多个面元，提取每个三角形面元的顶点位置、法线向量、反射率和双向反射分布函数；

步骤三、初始化发射激光：将激光引信发射的激光信号离散化，并将发射激光功率转换为发射的光子数量，得到光子的初始能量；

步骤四：确定光子发射时的位置和方向，依次发射光子；

步骤五、判断光子能否照射到目标：依次判断光子移动轨迹所在直线与目标每个面元是否有交点；若与所有面元均没有交点，则光子照射不到目标；若只与一个面元有交点，则光子照射到目标，且唯一的交点即为光子在目标上的照射位置；若与多个面元有交点，则光子照射到目标，距离光子发射位置最近的交点为光子在目标上的照射位置；

如果照射到目标进入下一步，如果未照射到目标则进入步骤九；

步骤六、计算被目标反射后的光子移动方向：根据目标双向反射分布函数计算得到目标散射方向概率分布，利用散射方向概率分布抽样确定反射后的光子移动方向；

步骤七、判断被目标反射后的光子能否被激光引信接收：若被目标反射后光子移动方向朝向激光引信一侧，计算光子到达激光引信接收窗口平面的位置，若光子到达位置在接收窗口内，且入射角度符合接收视场角，则光子被激光引信接收，成为回波光子；

如果是则进入下一步，如果否则进入步骤九；

步骤八：记录光子被接收的时刻和能量；

步骤九：判断全部光子仿真是否结束，如果是统计每个时刻回波光子的总能量，就得到了激光引信的目标回波；如果否则返回步骤四。

进一步地，所述步骤四中所述光子发射位置为：

其中ω₀为激光束腰半径，ξ₁，ξ₂为标准正态分布随机数；

所述光子发射方向为：

其中θ₀＝|(θ'/2)·ξ₃|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，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。

进一步地，所述步骤五中判断光子移动轨迹所在直线与目标面元是否有交点的方法是：首先计算光子移动轨迹所在直线与面元所在平面之间的交点，再判断交点是否在面元内部；若交点在面元内部，则光子移动轨迹所在直线与面元有交点，否则没有交点。

进一步地，所述步骤八中，光子被接收时的能量为：

E'＝η_eη_rη_tE

其中E为光子发射时的初始能量，η_e为激光引信发射光学系统的透过率，η_r为激光引信接收光学系统的透过率，η_t为目标的反射率。

有益效果：

本发明的方法采用光子作为探测单元，利用光子在空间中的分布来模拟激光束在空间中的光场强度分布，同时加入了激光回波角度判别，更加真实的模拟激光引信的回波接收过程，从而提高了激光引信目标回波的模拟精度。

附图说明

图1为基于光子探测的激光引信回波仿真流程图；

图2为激光引信坐标系示意图；

图3为目标模型图；

图4为激光引信发射激光的波形图；

图5为激光引信目标回波的波形图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法，以脉冲激光引信对距离5m处直升机的回波仿真为例，其仿真步骤如附图1所示，

步骤一、建立激光引信坐标系：以激光引信发射窗口为坐标原点，发射激光轴向为z轴，接收窗口相对发射窗口所在方向为x轴，按左手法则建立，如图2所示。

步骤二、建立目标模型：采用三角形网格将直升机表面划分为多个面元，如图3所示；提取每个三角形面元的顶点位置、法线向量、反射率和双向反射分布函数，格式如下：

第1列：面元编号；

第2～4列：顶点1坐标(tx₁，ty₁，tz₁)；

第5～7列：顶点2坐标(tx₂，ty₂，tz₂)；

第8～10列：顶点3坐标(tx₃，ty₃，tz₃)；

第11列：面元法线(VT₁，VT₂，VT₃)；

第12列：面元反射率η_t；

第13列：双向反射分布函数。

步骤三、初始化发射激光：激光引信发射激光为脉冲信号，峰值功率75W，如图4所示。设定激光引信峰值功率对应的光子数量为7500万个，每个光子的初始能量为：

其中P_M为激光引信发射激光峰值功率，N_M为峰值功率对应的光子数量。

以0.1ns间隔对发射激光脉冲信号进行离散化，激光引信在每个时刻发射的光子数量为：

其中P(i)为第i个时刻的激光功率。

步骤四、激光引信按照时间顺序依次发射每个时刻的光子，光子的初始位置为：

其中ω₀为激光束腰半径，ξ₁，ξ₂为标准正态分布随机数。

光子发射方向为：

其中θ₀＝|(θ'/2)·ξ₃|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，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。

步骤五、判断光子能否照射到目标：依次判断光子移动轨迹所在直线与目标每个面元是否有交点，判断方法是：首先计算光子沿移动轨迹到达面元所在平面需要的距离：

然后计算光子移动轨迹所在直线与面元所在平面的交点：

最后判断交点是否在面元内部，若：

S₁+S₂+S₃＝S

则光子移动轨迹所在直线与面元有交点，否则没有交点；其中S为面元面积，S₁、S₂、S₃为交点与面元两个顶点所围成的三角形区域面积。

若光子移动轨迹所在直线与目标的所有面元均没有交点，则光子照射不到目标；若只与一个面元有交点，则光子照射到目标，且唯一的交点即为光子在目标上的照射位置；若与多个面元有交点，则光子照射到目标，距离光子发射位置最近的交点为光子在目标上的照射位置。

如果照射到目标进入下一步，如果未照射到目标则进入步骤九；

步骤六、计算被目标反射后的光子移动方向：被朗伯体目标反射后的光子移动方向为：

其中为反射方位角，为[0,2π]区间上的均匀分布随机数，θ₁为反射天顶角，根据双向反射分布函数得出的散射方向概率分布抽样确定，朗伯体目标的双向反射分布函数为：

P(θ₁)＝cosθ₁

步骤七、判断被目标反射后的光子能否被激光引信接收：若被目标散射后的光子移动方向满足：

u′_z＜0

说明光子移动方向朝向激光引信一侧，计算光子到达激光引信接收窗口平面的位置：

其中(x₂,y₂,z₂)为光子在目标上的照射位置，L₂为光子从目标到达激光引信接收窗口平面的移动距离。

若光子到达位置在接收窗口内：

(x₃-dtr)²+y₃ ²≤R_r ²

且入射角度符合接收视场角：

则光子被激光引信接收，成为回波光子；其中dtr为激光引信收发间距，R_r为接收窗口半径，θ_view为接收视场角。

如果是则进入下一步，如果否则进入步骤九；

步骤八、计算并保存光子被接收的时刻：

其中t₀为光子发射时刻，L为光子在探测过程中的总移动距离，c为光速。

计算并保存光子被接收时的能量：

E'＝η_eη_rη_tE

其中η_e为激光引信发射光学系统的透过率，η_r为激光引信接收光学系统的透过率，η_t为目标的反射率。

步骤九、判断全部光子仿真是否结束，如果是统计每个时刻回波光子的总能量：

P_r(t)＝∑E'(t)

其中E'(t)为t时刻被接收光子的能量。

至此就得到了激光引信的目标回波，如图5所示，发射出的探测激光照射到直升机的两个距离不同的部位，因此得到两个回波峰值。如果否则返回步骤四。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于光子探测的激光引信回波仿真方法，其特征在于，该方法的实现步骤如下：

步骤一、建立激光引信坐标系：以激光引信发射窗口为坐标原点，发射激光轴向为z轴，接收窗口相对发射窗口所在方向为x轴，按左手法则建立坐标系；

步骤二、建立目标模型：采用三角形网格将目标表面划分为多个面元，提取每个三角形面元的顶点位置、法线向量、反射率和双向反射分布函数；

步骤三、初始化发射激光：将激光引信发射的激光信号离散化，并将发射激光功率转换为发射的光子数量，得到光子的初始能量；

步骤四：确定光子发射时的位置和方向，依次发射光子；

步骤五、判断光子能否照射到目标：依次判断光子移动轨迹所在直线与目标每个面元是否有交点；若与所有面元均没有交点，则光子照射不到目标；若只与一个面元有交点，则光子照射到目标，且唯一的交点即为光子在目标上的照射位置；若与多个面元有交点，则光子照射到目标，距离光子发射位置最近的交点为光子在目标上的照射位置；

如果照射到目标进入下一步，如果未照射到目标则进入步骤九；

步骤六、计算被目标反射后的光子移动方向：根据目标双向反射分布函数计算得到目标散射方向概率分布，利用散射方向概率分布抽样确定反射后的光子移动方向；

步骤七、判断被目标反射后的光子能否被激光引信接收：若被目标反射后光子移动方向朝向激光引信一侧，计算光子到达激光引信接收窗口平面的位置，若光子到达位置在接收窗口内，且入射角度符合接收视场角，则光子被激光引信接收，成为回波光子；

如果是则进入下一步，如果否则进入步骤九；

步骤八：记录光子被接收的时刻和能量；

步骤九：判断全部光子仿真是否结束，如果是统计每个时刻回波光子的总能量，就得到了激光引信的目标回波；如果否则返回步骤四。

2.如权利要求1所述的基于光子探测的激光引信回波仿真方法，其特征在于，所述步骤四中所述光子发射位置为：

其中ω₀为激光束腰半径，ξ₁，ξ₂为标准正态分布随机数；

所述光子发射方向为：

其中θ₀＝|(θ'/2)·ξ₃|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，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。

3.如权利要求1所述的基于光子探测的激光引信回波仿真方法，其特征在于，所述步骤五中判断光子移动轨迹所在直线与目标面元是否有交点的方法是：首先计算光子移动轨迹所在直线与面元所在平面之间的交点，再判断交点是否在面元内部；若交点在面元内部，则光子移动轨迹所在直线与面元有交点，否则没有交点。

4.如权利要求1所述的基于光子探测的激光引信回波仿真方法，其特征在于，所述步骤八中，光子被接收时的能量为：

E'＝η_eη_rη_tE

其中E为光子发射时的初始能量，η_e为激光引信发射光学系统的透过率，η_r为激光引信接收光学系统的透过率，η_t为目标的反射率。