黃澤青，賀 偉

(西安郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，西安 710100)

引 言

激光引信具有抗干擾能力強(qiáng)、系統(tǒng)體積小、實(shí)時(shí)測距精度高且安全性有保證等優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈領(lǐng)域取得了普遍的應(yīng)用。通常在激光回波信號里含有目標(biāo)特征、反射特點(diǎn)等關(guān)鍵有用信息,但提取目標(biāo)回波特征對實(shí)驗(yàn)場地要求較高，回波信號中不僅存在大量雜波，激光引信也易受到自然環(huán)境如云霧、沙塵較大影響。而且由于探測目標(biāo)體型較大，現(xiàn)場難以做到多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)。國內(nèi)外對激光引信回波信號仿真及抗干擾開展了大量研究，LI提出將回波信號功率峰值對應(yīng)目標(biāo)特征，以此實(shí)現(xiàn)目標(biāo)回波仿真。ZHANG等人提出一種基于蒙特卡羅法的激光引信回波信號仿真技術(shù)[1]。TAN等人提出一種基于雙向反射函數(shù)的水下激光引信回波仿真方法[2]。本文中根據(jù)目標(biāo)的表面材料和所得雙向反射分布函數(shù)(bidirectional reflectance distrbution function,BRDF)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，結(jié)合遺傳優(yōu)化算法來進(jìn)行建模[3-4]，最后提出一種基于回波包絡(luò)上升速率的區(qū)域聯(lián)合判別方式，研究了在理想環(huán)境和云霧環(huán)境下目標(biāo)的點(diǎn)回波特征。

1 激光引信回波仿真基本原理

主要的激光引信目標(biāo)回波信號計(jì)算原理是通過二次曲面(圓錐面和圓柱面)法來求解目標(biāo)面元上的回波功率[5]。首先基于目標(biāo)實(shí)測BRDF數(shù)據(jù)以及目標(biāo)表面的材料特性來進(jìn)行建模，對目標(biāo)表面面元?jiǎng)澐种翈浊У綌?shù)萬個(gè)微面元[6]。根據(jù)彈目交會(huì)狀態(tài)下激光引信的各項(xiàng)參量，通過對微面元的信號反射計(jì)算其功率，再對其做積分運(yùn)算,求得所有微面元的激光雷達(dá)橫截面(laser radar cross section,LRCS)[7]，疊加各個(gè)分解小目標(biāo)的回波信號，得到照射面元的引信回波功率，最終通過積分求得激光引信接收到各個(gè)通道的回波信號[8]。

2 激光引信發(fā)射與接收波束模型

假設(shè)坐標(biāo)系(Oxmymzm)的原點(diǎn)在激光引信的中心，Oxm軸沿橫軸并取方向?yàn)檎琌ym軸垂直于Oxm軸方向向上，Ozm軸和橫軸于同一平面且構(gòu)成右手規(guī)則。設(shè)γ1為發(fā)射光路內(nèi)傾角，Δγ1為視場成像角；γ2為接收光路內(nèi)傾角，視場寬度為Δγ2[9]。其中，4組發(fā)射與接收裝置共同構(gòu)成激光引信，每組接收與發(fā)射裝置分布均勻且距離相近。激光引信發(fā)射脈沖電流，再通過引信發(fā)射裝置產(chǎn)生激光束，在系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，激光束在彈軸平面形成90°的視場角，發(fā)射光束扁平，象限光學(xué)發(fā)射系統(tǒng)使其在目標(biāo)周圍被看作一個(gè)圓錐形探測視場。如圖1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser fuze emission field

3 BRDF統(tǒng)計(jì)建模

3.1 雙向反射分布函數(shù)

通常理想目標(biāo)表面材料的光散射特性復(fù)雜，理論上由粗糙面散射理論可獲知實(shí)驗(yàn)數(shù)值，但實(shí)際上很難提供計(jì)算所需的粗糙面元微觀特性如相關(guān)長度、統(tǒng)計(jì)分布等。因此，通常使用雙向反射分布函數(shù)BRDF來描述目標(biāo)面元的光散射特征。BRDF所描述的光散射特征分布和粗糙面元的微觀特性、材料介電常數(shù)、入射光波長等因素緊密聯(lián)系。通常粗糙面元會(huì)被看作是由大量微面元構(gòu)成，且所有微面元的反射都遵循菲涅耳效應(yīng)[10-11]。

如圖2所示，對于小面元dS，入射光源方向?yàn)?θi,φi)，探測器的觀測方向?yàn)?θr,φr)。其中θ是天頂角，φ是方位角，z是代表粗糙面元的法線。BRDF定義為入射到粗糙表面的光輻射照度與光輻射亮度相聯(lián)系，在圖中表示為dLr(θi，φi，θr，φr)與沿(θi，φi)方向入射到被照射面元的亮度dEi(θi,φi)之比，即：

(1)

式中,fr(θi,φi,θr,φr)可以簡化為fr(θi,θr,φ)，φ=φr-φi為小面元坐標(biāo)系內(nèi)入射角與反射角的差值。

Fig.2 BRDF geometric diagram

3.2 五參量模型

根據(jù)粗糙面元的BRDF樣片材料，可以獲知樣片表面的光散射特征。但由于直接獲取樣片BRDF很困難，實(shí)驗(yàn)次數(shù)有限，不能多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)獲取數(shù)據(jù)。一般情況下是采用所得到的部分BRDF實(shí)驗(yàn)值擬合五參量統(tǒng)計(jì)模型，五參量模型基于粗糙面元的目標(biāo)光散射計(jì)算獲得，最終給出了BRDF的五參量統(tǒng)計(jì)模型[12]：

(2)

式中,kb，kd，kr，a，b為待定參量。kb為鏡反射系數(shù)，kd為漫反射系數(shù)，kr為與微面元表面法線分布函數(shù)相關(guān)的參量，a和b是與表面菲涅耳函數(shù)相關(guān)的系數(shù)。根據(jù)能量守恒定律，kd+kb≤1，θi,θr,φr分別為入射角、散射角和相對方位角，γ為微觀平面上本地坐標(biāo)系的入射角。(2)式前半部分表示的是雙向反射分布函數(shù)的相干散射，其中粗糙表面上偏振二向分布函數(shù)用kr2×cosα/[1+(kr2-1)cosα]標(biāo)記，α為微面元平面法線與粗糙面元平面法線的夾角[13-14]，菲涅耳反射系數(shù)用exp[b(1-cosγ)]來表示，遮蔽系數(shù)用G(θi,θr,φr)來表示。

遺傳算法的收斂速度極快，它是一種全局優(yōu)化概率算法，可以很快找到最佳解。而且各態(tài)歷經(jīng)性使其能夠有效進(jìn)行全局優(yōu)化搜索，減少計(jì)算時(shí)間，保證算法有效性基礎(chǔ)上得到參量值。因此可以通過遺傳算法來計(jì)算五參量模型的參量值[15]。選取樣片1和2的實(shí)測BRDF數(shù)據(jù)來進(jìn)行優(yōu)化建模，波長和五參量如表1所示。

Table 1 Five parameters data table of sample piece

選取不同入射波長的BRDF實(shí)測數(shù)據(jù)來進(jìn)行優(yōu)化建模并與實(shí)測數(shù)據(jù)相比較[16]，入射波長分別為0.86μm和0.905μm。如圖3所示，實(shí)線為實(shí)測數(shù)據(jù)，虛線為五參量模型計(jì)算結(jié)果。可知對于不同材料的BRDF，目標(biāo)回波的形狀基本相似，幅值不同。而且隨著入射角的增大，峰值功率逐漸增大。由于脈沖激光引信的探索過程是高速變化的，其入射角的波動(dòng)范圍值較廣。因此一般檢驗(yàn)時(shí)應(yīng)選擇在較大入射角的情況下進(jìn)行[17-18]，以便回波信號可以在能量較少時(shí)也能夠成功實(shí)現(xiàn)檢測。模擬曲線能很好地符合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，證明了建模結(jié)果的正確性。

Fig.3 Schematic diagram of comparison between measured values and model values

4 系統(tǒng)時(shí)刻鑒別方法

本文中系統(tǒng)探測裝置最大測量范圍為為0.1m～7m，因此對回波時(shí)刻的鑒別提出了很高的要求。激光引信回波接收系統(tǒng)包括光-電轉(zhuǎn)換單元和回波信號處理單元。在光-電轉(zhuǎn)換單元中，由于常見的回波時(shí)刻鑒別電路中需設(shè)定閾值電平，通過信號波形變換形成上升沿很陡的信號用于回波時(shí)刻判讀，因此當(dāng)目標(biāo)反射面積變化時(shí)，由于信號幅值變化會(huì)產(chǎn)生較大誤差，波形如圖4a所示。

Fig.4 Echo signal detection waveform

需要特別說明的是，由于系統(tǒng)對回波時(shí)刻的鑒別提出了很高的要求，對回波時(shí)刻判讀的精度要求足夠高，因此本文中采用0.1μs作為時(shí)間間隔。雖然通過雙閾值前沿判定和誤差補(bǔ)償?shù)墓潭ㄩ撝佃b別等方法能夠一定程度上改善回波時(shí)刻依賴回波幅值這一問題，但也存在精確度不高等缺點(diǎn)[19]。因此系統(tǒng)采用恒定比率過零檢測方法對回波時(shí)刻進(jìn)行判別，與其它方法相比，其鑒別精度高，且不依賴回波信號上升幅值。當(dāng)輸入信號進(jìn)入鑒別電路時(shí)會(huì)被分成無差異兩路信號，其中一路信號的延遲時(shí)間是脈沖寬度的一半，而另一路信號則以原始幅度和相位值傳輸，兩路信號相減得到的信號形狀呈橫向的S形，信號前半部分為負(fù)信號，然后過零點(diǎn)變成正信號。檢測波形圖如圖4b所示。

由于橫向S形信號在通過零點(diǎn)位置時(shí)不會(huì)受到信號的幅度變化和外部干擾影響，因此可以把它當(dāng)作脈沖時(shí)刻鑒別的一個(gè)穩(wěn)定鑒別點(diǎn)，其檢測波形如圖4c所示。

5 實(shí)驗(yàn)與分析

針對引信工作中的實(shí)際環(huán)境，如在云煙環(huán)境中，結(jié)合脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)信號處理單元對目標(biāo)回波的判別，提出了基于回波包絡(luò)上升速率的區(qū)域聯(lián)合判別方式，并通過實(shí)際的實(shí)驗(yàn)測試得出數(shù)據(jù)。測試實(shí)驗(yàn)中用表面反射率接近實(shí)體目標(biāo)的白板代替，小型目標(biāo)表面反射率約為0.33，大中型目標(biāo)表面反射率約為0.9，具體以不同尺寸白板來區(qū)分各型號的探測目標(biāo)，云煙環(huán)境用煙霧機(jī)產(chǎn)生的煙霧模擬。由于研究的引信探測視場呈環(huán)形，則每一路形成的探測視場角為90°。因此，設(shè)置3個(gè)測試角度，分別為中心點(diǎn)0°、左側(cè)45°和右側(cè)45°。

如圖5所示，通過背景板可以看到，激光光束照射的視場角以對稱形式左右可分別到達(dá)45°，測試得到的光束光斑分布均勻。系統(tǒng)設(shè)計(jì)的小型目標(biāo)作用距離為3m，中型目標(biāo)作用距離為5m，大型目標(biāo)作用距離為7m。在沒有干擾下,不同場景目標(biāo)測試記錄數(shù)據(jù)如表2和表3所示。

Fig.5 Laser beam diagram of emitter

Table 2 Objective test data record sheet under ideal environment

Table 3 Objective test data record sheet under cloud and smoke environment

將模擬目標(biāo)白板在不同作用距離點(diǎn)上下移動(dòng)，找到反射點(diǎn)，通過示波器顯示反射回波，讀取回波幅值。利用數(shù)據(jù)記錄儀記錄回波包絡(luò)圖如圖6a所示。

Fig.6 Echo envelope diagram under different scenarios

從記錄結(jié)果可以看到,在中心位置即發(fā)射激光直射到目標(biāo)時(shí),發(fā)射回波的幅值最大，位于探測視場兩側(cè)的光束能量略有下降。由于作用距離變大，反射回波幅值會(huì)降低，這符合激光傳輸能量的變化趨勢。圖中矩形框內(nèi)包絡(luò)的上升速率呈遞增趨勢，到達(dá)峰值后穩(wěn)定持續(xù)一段時(shí)間，包絡(luò)走勢滿足對目標(biāo)識別的判定準(zhǔn)則。

使用煙霧機(jī)在裝置探測視場內(nèi)間隔噴出煙霧來模擬實(shí)際環(huán)境，測試結(jié)果如表3所示。

在實(shí)際環(huán)境中，系統(tǒng)正常工作，比較表2數(shù)據(jù)，回波幅值大小有所降低，偏差約為65.3%。這是因?yàn)榧す饷}沖抵抗干擾而損失能量，但在判定準(zhǔn)則的應(yīng)用下依然實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的判定。利用數(shù)據(jù)記錄儀記錄此測試環(huán)境下的回波包絡(luò)如圖6b所示。

與圖6a相比，系統(tǒng)探測到的回波包絡(luò)圖出現(xiàn)明顯的差異，在探測光路中脈沖激光由于實(shí)際環(huán)境如云煙的影響，激光反射率較低，因此,系統(tǒng)接收到此部分反射回波后作出的反應(yīng)會(huì)出現(xiàn)小幅的的包絡(luò)響應(yīng)。當(dāng)激光穿過云煙到達(dá)目標(biāo)表面時(shí)，反射回波到達(dá)接收系統(tǒng)后會(huì)出現(xiàn)幅度較大的反應(yīng)目標(biāo)的包絡(luò)圖形。從包絡(luò)圖中可以明顯看出,目標(biāo)形成的包絡(luò)在前沿上升速率較快，且達(dá)到峰值后穩(wěn)定持續(xù)一段時(shí)間。對比圖中方框1和方框2可知，干擾形成的包絡(luò)在達(dá)到某一峰值后會(huì)迅速下降，不會(huì)形成持續(xù)穩(wěn)定得包絡(luò)現(xiàn)象，因此,系統(tǒng)在探測過程中依據(jù)判定準(zhǔn)則較好地實(shí)現(xiàn)了抗干擾。

6 結(jié) 論

為了在復(fù)雜環(huán)境下提取目標(biāo)回波特征信息，傳統(tǒng)方法主要通過對目標(biāo)反射回波信號的功率值來仿真，且常常忽略了云煙環(huán)境產(chǎn)生的干擾。本文中結(jié)合遺傳算法與五參量統(tǒng)計(jì)模型對目標(biāo)進(jìn)行建模，分析比較了幾種常用時(shí)刻鑒別方法，并選擇了恒定比率過零檢測方法，通過仿真檢測回波得知該方法可以很好地判別脈沖時(shí)刻。最后提出了一種基于回波包絡(luò)上升速率的區(qū)域聯(lián)合判別方法，加入干擾因素后，通過對比得到了探測視場不同角度點(diǎn)回波幅值。該方法通過對回波包絡(luò)走勢的判別實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的判定，且在云煙環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了抗干擾，提高了回波信號仿真的精確度。由于系統(tǒng)的測量精度和穩(wěn)定性還有進(jìn)一步提升的可能，對于回波信號及其抗干擾在以后的研究工作中還需體現(xiàn)其多樣性。