CN113626997A - 扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，属于数值仿真技术领域。仿真方法的实现步骤包括：建立坐标系、扬尘质量浓度区间划分、计算出激光在不同质量浓度区间内对应的激光衰减系数、设置扬尘环境参数、脉冲激光发射系统参数、后向散射回波接收系统参数和透射接收系统参数、初始化发射光子并计算光子散射自由程、散射自由程修正、计算光子散射后的位置和能量；对光子在坐标系中的位置进行判别、统计透射接收系统和后向散射回波接收系统接收到的光子信息，最后整形为脉冲信号。本发明能够有效的对脉冲激光引信在复杂战场扬尘环境中的探测特性进行仿真，为提高脉冲激光引信探测性能提供理论基础。
Description
技术领域
本发明属于数值仿真技术领域，具体涉及一种扬尘环境下脉冲激光传输特性的仿真方法。
背景技术
脉冲激光引信是利用脉冲激光进行近距离探测的一种装置，具有炸点控制精度高和抗电磁干扰能力强等优势，已广泛应用于多种武器系统。但脉冲激光引信容易受到战场扬尘粒子的散射和吸收作用，导致探测性能下降。由于战场扬尘粒子多种多样，空间质量浓度分布复杂，目前还没有一种能结合扬尘空间质量浓度分布对脉冲激光传输特性进行仿真的有效方法。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，该方法将扬尘空间网格划分和散射自由程修正进行结合，能够有效的对脉冲激光引信在复杂战场扬尘环境中的探测特性进行仿真，为提高脉冲激光引信探测性能提供理论基础。
一种扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，该方法采用的设备包括脉冲激光发射系统、后向散射回波接收系统和透射接收系统；
仿真方法的实现步骤如下：
步骤一：建立坐标系，坐标系用于标记脉冲激光发射系统、后向散射回波接收系统、透射接收系统和扬尘环境的位置，以及光子的运动轨迹；
步骤二：扬尘质量浓度区间划分，根据扬尘的空间质量浓度分布对扬尘空间进行区间划分，记录每个区间的位置和扬尘质量浓度；
步骤三：计算出激光在不同质量浓度区间内对应的激光衰减系数；
步骤四：设置扬尘环境参数、脉冲激光发射系统参数、后向散射回波接收系统参数和透射接收系统参数；
步骤五、初始化发射光子，设置脉冲激光峰值对应的光子数量，初始化每个光子的能量、位置和方向，并依次发射到扬尘环境中；
步骤六、计算光子散射自由程，当光子遇到扬尘粒子后发生散射现象，根据随机确定的光子的散射方向和散射自由程，计算出光子在扬尘中的移动路线；
步骤七、散射自由程修正，统计光子在移动路线上经过的全部质量浓度区间，并将光子在每个区间内的等效移动距离还原为实际移动距离，通过累加得到修正后的散射自由程，即光子此次散射过程的实际移动距离，从而实现对自由程的修正；
步骤八、计算光子散射后的位置和能量，根据Mie散射理论计算出扬尘粒子对光子单次散射后光子能量和位置的变化；
步骤九、对光子在坐标系中的位置进行判别，如果光子经过散射后仍然在扬尘环境中，且光子能量大于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，保存散射后光子的位置和能量，返回步骤六，如果光子经过散射后仍然在扬尘环境中，且光子能量小于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，进入步骤十；如果光子经过散射后不在扬尘环境中，则判断光子是否进入后向散射回波接收系统或透射接收系统，光子的能量是否大于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，如果满足则认为接收到的光子有效，记录接收到光子的时刻和光子的能量；
步骤十、判断是否为最后一个光子，对每一个光子都进行是否为最后一个光子的判断，如果不是最后一个光子，循环执行步骤五到十；如果是最后一个光子，执行下一步；
步骤十一：统计透射接收系统和后向散射回波接收系统接收到的光子信息；
步骤十二：整形为脉冲信号。
进一步地，所述脉冲激光发射系统由激光器和发射光学模块组成，所述激光器用于发射脉冲激光，发射光学模块对激光器发射的脉冲激光进行整形；
所述后向散射回波接收系统和透射接收系统均是由接收光学模块和光电探测器组成，接收光学模块将尽可能多的光汇聚到光电探测器的光敏面上，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；
所述脉冲激光发射系统和后向散射回波接收系统共同位于扬尘环境的一端，透射接收系统位于扬尘环境的另一端，透射接收系统的光轴和脉冲激光发射系统的光轴在同一直线上，透射接收系统接收脉冲激光中穿透扬尘环境的光子，后向散射回波接收系统接收脉冲激光中遇到扬尘环境发生后向散射回到发射平面的光子。
进一步地，所述步骤四中的扬尘环境参数包括粒径范围、粒径分布和不同波长下的粒径复折射率；脉冲激光发射系统参数包括激光波长、激光脉宽、激光功率、束腰半径、光束发散角；后向散射回波接收系统参数包括有效接收光学系统直径、光敏面尺寸、接收视场角、收发光轴间距和接收灵敏度；透射接收系统参数包括有效接收光学系统直径、光敏面尺寸、接收视场角和接收灵敏度。
进一步地，所述步骤四中扬尘环境参数设置方法为：采用激光散射粒度分布分析仪对采集的扬尘样本进行粒径分布测试，得到扬尘粒子不同粒径的频度分布；在对粒径进行抽样时，根据实际测得不同粒径扬尘粒子出现的频度，在[0,1]区间上分配不同的长度，然后仿真时在[0,1]区间上均匀随机抽样，抽样值所在区间对应的粒径，即为光子碰撞到的粒子粒径。
进一步的，所述步骤五中初始化发射光子的方法为：利用光子数量表征激光功率，将激光传输问题离散化，利用光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统的数量、能量和时刻来对脉冲激光后向散射特性和透射特性进行定性分析，得到归一化后向散射回波强度和透射强度。
进一步的，所述步骤七中散射自由程的修正步骤为：
步骤1、获取光子散射后的散射自由程S1和散射方向，计算出光子新的位置坐标；
步骤2、判断光子的运动轨迹是否穿过不同的质量浓度区间，如果光子没有穿过不同质量浓度区间，得到的散射自由程为实际散射自由程；如果穿过不同质量浓度区间，则进行散射自由程修正；
步骤3、在进行散射自由程修正时，确定光子起始位置的质量浓度C1、衰减系数μ1和光子在起始质量浓度中的移动距离d；
步骤4、确定第一次质量浓度变化后的扬尘质量浓度C2和衰减系数μ2；
步骤5、进行散射自由程修正，新的自由程S2为：
步骤6、判断进行修正后的散射自由程是否继续穿过新的质量浓度区间，如果不再穿过新的质量浓度区间，得到的散射自由程为修正后的实际散射自由程；如果继续穿过新的质量浓度区间，则进行下一步；
步骤7、继续进行自由程修正，将已经进行过自由程修正的质量浓度区间看成一个整体区间，起始质量浓度的衰减系数变为μ2，起始自由程变为S2，即μ1＝μ2，S1＝S2，循环步骤1到7。
进一步地，所述步骤十二中整形为脉冲信号的过程包括：将透射接收系统和后向散射回波接收系统不同时刻接收到的光子数量和光子能量与发射脉冲信号进行卷积运算，整形为脉冲形的后向散射回波信号和透射信号。
有益效果：
1、本发明的仿真方法以光散射理论和Monte Carlo方法为基础，综合考虑了扬尘质量浓度空间分布非均匀特性、扬尘粒子粒径分布特性等多种影响因素，建立了脉冲激光在扬尘环境中的传输模型。该模型利用光子数量表征激光功率的方法，将激光传输问题离散化，利用光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统的数量、能量和时刻来对脉冲激光后向散射特性和透射特性进行定性分析，得到归一化后向散射回波强度和透射强度，可定性的对脉冲激光在扬尘环境中的后向散射特性和透射特性进行分析。
2、本发明的仿真方法针对扬尘环境质量浓度空间分布的非均匀性，提出了一种基于空间划分的表征方法。该方法根据质量浓度分布状态，依次进行扬尘环境空间网格划分、网格内整体扬尘质量浓度统计，能够实现对非均匀扬尘环境质量浓度分布状态的精确表征。
3、本发明同时还提出了一种光子散射自由程修正方法，该方法解决了光子单次散射通过多个不同扬尘质量浓度区域时，散射自由程会发生改变的问题。如不对散射自由程进行修正，随着散射次数的增加，仿真误差将不断累加，最终导致仿真结果严重偏离真实结果。
4、本发明设置扬尘环境参数时采用激光散射粒度分布分析仪对采集的扬尘样本进行粒径分布测试，得到扬尘粒子不同粒径的频度分布。同时，光子进入扬尘环境后会与粒子发生碰撞，碰撞粒子的粒径根据扬尘粒子的粒径分布抽样确定。在对粒径进行抽样时，根据实际测得不同粒径扬尘粒子出现的频度，在[0,1]区间上分配不同的长度，然后仿真时在[0,1]区间上均匀随机抽样，抽样值所在区间对应的粒径即为光子碰撞到的粒子粒径，该方法能够保证模型的准确性。
附图说明
图1为本发明扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法的流程图；
图2为仿真系统的组成原理图；
图3为脉冲激光在非均匀扬尘环境中的传输特性仿真示意图；
图4为扬尘粒径分布图；
图5为散射自由程修正流程图；
图6为脉冲激光归一化后向散射回波强度；
图7为脉冲激光归一化透射强度。
其中：1-脉冲激光发射系统、2-后向散射回波接收系统、3-透射接收系统、4-扬尘粒子。
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。
本发明提供了一种扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，方法采用的设备包括脉冲激光发射系统、后向散射回波接收系统和透射接收系统，如附图2所示，脉冲激光发射系统和后向散射回波接收系统共同位于扬尘环境的一端，透射接收系统位于扬尘环境的另一端，透射接收系统的光轴和脉冲激光发射系统的光轴在同一直线上，透射接收系统接收脉冲激光中穿透扬尘环境的光子，后向散射回波接收系统接收脉冲激光中遇到扬尘环境发生后向散射回到发射平面的光子。
以脉冲激光在非均匀扬尘环境中的传输特性为例进行分析，其仿真步骤如附图1所示，
步骤一、建立坐标系：
以脉冲激光发射系统的激光器中心为原点，光束的传播方向为z轴，后向散射回波接收系统的光电探测器与脉冲激光发射系统的激光器中心连线为x轴，建立左手坐标系，如图2所示。
步骤二、扬尘质量浓度区间划分：
基于已有的车辆行驶扬尘仿真模型，获得了车辆行驶扬尘空间质量浓度分布数据，本次仿真选取距车辆尾部8m，高度1.5m处的扬尘环境进行仿真。仿真示意图如图3所示，图中脉冲激光沿z轴方向进入扬尘场，后向散射回波接收系统与脉冲激光发射系统位于同一接收平面，透射接收系统位于扬尘场的另一端，与脉冲激光发射系统在同一轴线上。本次仿真根据扬尘质量浓度将扬尘环境分为16个质量浓度区间，各区间质量浓度和范围如表1所示。
表1扬尘质量浓度区间划分
步骤三、计算激光传输衰减系数：
通过大量试验，得到扬尘质量浓度与激光传输衰减系数的经验公式为：
其中，ρ为粒子的密度，λ为激光波长，ri为粒子半径，c(ri)为半径ri粒子的质量浓度，Qext(λ,ri)为半径ri粒子对波长λ激光的消光系数。
步骤四、设置扬尘环境参数、脉冲激光发射系统参数、后向散射回波接收系统参数和透射接收系统参数。
为保证仿真的准确性，对某训练基地车辆行驶扬尘进行了采集，并用激光散射粒度分布分析仪(型号LA-950)进行测试，得到了扬尘不同粒径的频度分布图，如图4所示。
因为车辆扬尘来源于地面的浮土，所以车辆行驶扬尘的复折射率采用沙尘性气溶胶的复折射率，沙尘性气溶胶的复折射率如表2所示。
表2沙尘性气溶胶的复折射率
脉冲激光发射系统、后向散射回波接收系统和透射接收系统的参数设置如表3所示。
表3模型参数设置
步骤五、初始化发射光子：
在仿真时将发射激光分解为大量光子，光子的数量分布按照脉冲激光在时域上的功率分布来进行分配。以时间间隔Ts对发射激光脉冲信号进行采样，将其转换为离散数字信号，采样公式为：
其中，P0为脉冲激光峰值功率，τ为高斯脉冲的持续时间。
利用光子数量表征激光功率，建立激光功率与光子数量的对应关系，光子的初始能量为：
其中，N0为峰值功率对应的光子数量。
步骤六、计算光子散射自由程：
光子在扬尘环境中传输时会与扬尘粒子发生多次碰撞，每一次碰撞散射后光子会沿着新方向继续移动，把光子在相邻两次碰撞之间的移动距离称为散射自由程，散射自由程长度为：
其中，ξ为[0,1]区间上均匀分布的随机数，μt为粒子衰减系数。
步骤七、散射自由程修正：
统计光子在移动路线上经过的全部质量浓度区间，并将光子在每个区间内的等效移动距离还原为实际移动距离，通过累加得到修正后的散射自由程，即光子此次散射过程的实际移动距离，从而实现对散射自由程的修正，散射自由程修正流程图如图5所示。
步骤八、计算光子散射后的位置和能量。
根据Mie散射理论，计算出扬尘粒子对光子单次散射后光子能量和位置的变化。
光子经过一次散射后移动到新位置，新位置的坐标为：
其中，(x,y,z)为前一次散射后的坐标，(u′x,u′y,u′z)为发生散射后的移动方向，(x′,y′,z′)发生散射后的坐标。
粒子碰撞散射后，光子的能量发生改变，光子的能量变为：
其中，Ebs为散射前的光子能量，Qsca和Qext分别为粒子的散射系数和消光系数。
步骤九、对光子在坐标系中的位置进行判别。
光子到达透射接收系统所在平面时坐标为：
光子到达后向散射回波接收系统所在平面的坐标为：
其中，(xl,yl,zl)为光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统接收平面前最后一次散射的位置，(uxl,uyl,uzl)为光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统接收平面前最后一次散射的移动方向，ΔS为光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统接收平面的实际散射自由程，zt为透射接收系统z轴方向的坐标。
光子能够进入透射接收系统接收窗口的条件为：
xf 2+yf 2≤Rr 2
光子能够进入后向散射回波接收系统接收窗口的条件为：
(xf-dtr)2+yf 2≤Rr 2
其中，dtr为后向散射回波接收系统和脉冲激光发射系统中心轴线的收发间距。
光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统接收平面前最后一次散射的入射角度为：
光子能够进入后向散射回波接收系统和透射接收系统接收视场角的条件为：
其中，θview为透射接收系统和后向散射回波接收系统的接收视场角。
步骤十、判断是否为最后一个光子：
对每一个光子都进行是否为最后一个光子的判断，如果不是最后一个光子，循环执行步骤五到十；如果是最后一个光子，执行下一步。
步骤十一：统计透射接收系统和后向散射回波接收系统接收到的光子信息。
步骤十二：整形为脉冲信号。
应用Matlab中的卷积函数把光子能量与脉冲信号进行卷积，得到完整的接收脉冲信号。把卷积后的信号与发射的峰值光子总数的比值，作为归一化后向散射回波强度和归一化透射强度，其分布函数H可表示为：
其中，Pulse为激光器发射脉冲的时域分布函数，w为不同时刻的光子能量分布函数，N为发射峰值光子总数。
至此，得到了脉冲激光的归一化后向散射回波强度和归一化透射强度，如图6、图7所示。
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 (7)
1.扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，该方法采用的设备包括脉冲激光发射系统、后向散射回波接收系统和透射接收系统；
仿真方法的实现步骤如下：
步骤一：建立坐标系；
步骤二：扬尘质量浓度区间划分；
步骤三：计算出激光在不同质量浓度区间内对应的激光衰减系数；
步骤四：设置扬尘环境参数、脉冲激光发射系统参数、后向散射回波接收系统参数和透射接收系统参数；
步骤五、初始化发射光子，设置脉冲激光峰值对应的光子数量，初始化每个光子的能量、位置和方向，并依次发射到扬尘环境中；
步骤六、计算光子散射自由程；
步骤七、散射自由程修正；
步骤八、计算光子散射后的位置和能量；
步骤九、对光子在坐标系中的位置进行判别，如果光子经过散射后仍然在扬尘环境中，且光子能量大于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，保存散射后光子的位置和能量，返回步骤六，如果光子经过散射后仍然在扬尘环境中，且光子能量小于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，进入步骤十；如果光子经过散射后不在扬尘环境中，则判断光子是否进入后向散射回波接收系统或透射接收系统，光子的能量是否大于后向散射回波接收系统或透射接收系统接收阈值，如果满足则认为接收到的光子有效，记录接收到光子的时刻和光子的能量；
步骤十、判断是否为最后一个光子，对每一个光子都进行是否为最后一个光子的判断，如果不是最后一个光子，循环执行步骤五到十；如果是最后一个光子，执行下一步；
步骤十一：统计透射接收系统和后向散射回波接收系统接收到的光子信息；
步骤十二：整形为脉冲信号。
2.如权利要求1所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述脉冲激光发射系统由激光器和发射光学模块组成，所述激光器用于发射脉冲激光，发射光学模块对激光器发射的脉冲激光进行整形；
所述后向散射回波接收系统和透射接收系统均是由接收光学模块和光电探测器组成，接收光学模块将尽可能多的光汇聚到光电探测器的光敏面上，光电探测器将接收到的光信号转换为电信号；
所述脉冲激光发射系统和后向散射回波接收系统共同位于扬尘环境的一端，透射接收系统位于扬尘环境的另一端，透射接收系统的光轴和脉冲激光发射系统的光轴在同一直线上，透射接收系统接收脉冲激光中穿透扬尘环境的光子，后向散射回波接收系统接收脉冲激光中遇到扬尘环境发生后向散射回到发射平面的光子。
3.如权利要求1或2所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述步骤四中的扬尘环境参数包括粒径范围、粒径分布和不同波长下的粒径复折射率；脉冲激光发射系统参数包括激光波长、激光脉宽、激光功率、束腰半径、光束发散角；后向散射回波接收系统参数包括有效接收光学系统直径、光敏面尺寸、接收视场角、收发光轴间距和接收灵敏度；透射接收系统参数包括有效接收光学系统直径、光敏面尺寸、接收视场角和接收灵敏度。
4.如权利要求3所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述步骤四中扬尘参数设置方法为：采用激光散射粒度分布分析仪对采集的扬尘样本进行粒径分布测试，得到扬尘粒子不同粒径的频度分布；在对粒径进行抽样时，根据实际测得不同粒径扬尘粒子出现的频度，在[0,1]区间上分配不同的长度，然后仿真时在[0,1]区间上均匀随机抽样，抽样值所在区间对应的粒径，即为光子碰撞到的粒子粒径。
5.如权利要求4所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述步骤五中初始化发射光子的方法是：利用光子数量表征激光功率，将激光传输问题离散化，利用光子到达后向散射回波接收系统和透射接收系统的数量、能量和时刻来对脉冲激光后向散射特性和透射特性进行定性分析，得到归一化后向散射回波强度和透射强度。
6.如权利要求5所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述步骤七中散射自由程的修正步骤为：
步骤1、获取光子散射后的散射自由程S1和散射方向，计算出光子新的位置坐标；
步骤2、判断光子的运动轨迹是否穿过不同的质量浓度区间，如果光子没有穿过不同质量浓度区间，得到的散射自由程为实际散射自由程；如果穿过不同质量浓度区间，则进行散射自由程修正；
步骤3、在进行散射自由程修正时，确定光子起始位置的质量浓度C1、衰减系数μ1和光子在起始质量浓度中的移动距离d；
步骤4、确定第一次质量浓度变化后的扬尘质量浓度C2和衰减系数μ2；
步骤5、进行散射自由程修正，新的自由程S2为：
步骤6、判断进行修正后的散射自由程是否继续穿过新的质量浓度区间，如果不再穿过新的质量浓度区间，得到的散射自由程为修正后的实际散射自由程；如果继续穿过新的质量浓度区间，则进行下一步；
步骤7、继续进行自由程修正，将已经进行过自由程修正的质量浓度区间看成一个整体区间，起始质量浓度的衰减系数变为μ2，起始自由程变为S2，即μ1＝μ2，S1＝S2，循环步骤1到7。
7.如权利要求6所述的扬尘环境下脉冲激光传输特性仿真方法，其特征在于，所述步骤十二中整形为脉冲信号的过程包括：将透射接收系统和后向散射回波接收系统不同时刻接收到的光子数量和光子能量与发射脉冲信号进行卷积运算，整形为脉冲形的后向散射回波信号和透射信号。
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2021
- 2021-07-23 CN CN202110838121.3A patent/CN113626997B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113626997B (zh) | 2024-04-12 |
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