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摘 要：激光引信自身工作特性， 使其易受到云雾的干扰， 从而引起虚警， 因此需要提高激光引信抗云雾干扰的能力。 本文利用蒙特卡洛法进行建模， 分析了目标在云雾环境下对不同脉宽激光的回波特性， 并进行了相关的试验验证。 数学仿真与试验结果证明， 窄脉冲激光引信可以有效抑制云雾回波， 提高引信在云雾环境中对目标的识别能力和抗云雾干扰能力， 降低引信虚警。
关键词： 窄脉冲; 激光引信; 回波特性; 目标探测; 抗干扰
中图分类号： TJ760; TJ43+9.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2021）05-0106-04
0 引 言
激光引信具有灵敏度高、 启动快速性好以及不易受电子干扰等特点， 在空空、 面空、 空面等多类导弹上得到广泛的应用。 但由于激光的工作波段较短， 与空气中云雾悬浮粒子尺寸相当， 激光引信容易受到云雾干扰产生虚警信号， 特别是当目标处于云雾背景中时， 要求激光引信能从云雾等干扰背景中正确识别目标[1-2]， 对激光引信性能提出了更高的要求。 因此， 针对激光在云雾环境下的传输特性的研究具有重要的工程应用意义。
窄发射脉宽对云雾干扰有明显抑制作用， 可提高激光引信的抗干扰和目标识别能力， 成为目前激光引信研究与应用的热门方向。 文献[3-4]研究了激光引信对背景的散射回波特性和脉冲宽度对云雾回波的影响， 但并未对云雾中目标的激光回波特性进行分析研究与验证。
本文利用蒙特卡洛法对激光回波的大量光子运动， 以及光子与目标表面、 云雾悬浮粒子的反射、 散射过程进行建模， 研究并分析窄脉冲激光引信对云雾中目标的回波特性， 系统分析了激光脉冲宽度对云雾背景中目标识别的影响， 并在此基础上利用某窄脉冲原理样机开展了针对云雾背景下的目标识别试验， 验证了窄脉冲激光可以提高引信对云雾中目标的识别能力。
1 激光引信回波模型
1.1 激光引信回波的数字仿真原理
由于激光引信发射的光子达到目标表面和悬浮颗粒的距离存在差异， 激光回波信号将受到目标和云雾悬浮粒子距离分布的调制， 从而影响激光回波功率的一维时间分布[5-6]。
本文采用蒙特卡洛法通过随机数来模拟激光引信产生的大量光子和环境中自由运动的云雾颗粒， 模拟大量光子在云雾环境和目标表面的传输、 反射和散射过程， 使光子运动的统计规律得以重现， 然后对全部光子进行统计分析， 进而求得交会过程中某一时刻激光引信接收到的激光回波功率和波形[7-9]。
1.2 目标及云雾的散射特性
目标表面对激光波束的散射特性一般用双向反射分布函数（BRDF）描述， 表示某一入射方向的光波， 在表面上半球空间的反射能量的分布。 BRDF模型假设目标表面由小面元組成， 小面元的法线方向呈高斯分布， 并且小面元反射遵循菲涅尔关系。 BRDF模型表示为[10]
fr （θi ， θr ， φr ）=kb k2rcos α1+（k2r-1）cos α·
exp [b·（1- cos γ）a]·
G（θi ， θr ， φr ） cos θicos θr +kdcos θi （1）
式中：
k2rcos α1+（k2r-1）cos α 代表粗糙表面的镜面反射分量; kd cos θi 代表漫反射分量; G（θi ， θr ， φr ）表示遮蔽函数， 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; θ i为入射角; θ r为散射角; γ是微观平面上的入射角。
云雾等自然界悬浮液态粒子在一般情况下可近似为球形。 由于激光的波长与云雾粒子的直径相近， 因此一般用米氏散射理论来描述液态悬浮粒子对激光引信回波的散射作用[11]。 此时散射相位函数f（θ）采用H-G函数的修正公式[12]， 表示为
f（θ）=321-g22+g21+（ cos θ）2（1+g2-2g cos θ）3/2（2）航空兵器 2021年第28卷第5期
李乐堃， 等： 窄脉冲激光引信对云雾中目标的回波特性研究
1.3 激光引信回波仿真数学模型
为了能够得到光子的历史信息， 需要对每一碰撞点处的光子被探测器捕获的概率进行统计。 光子在传输过程中， 可能与目标表面发生碰撞， 也可能与悬浮粒子发生碰撞， 在确定了碰撞点状态后， 就开始确定这一碰撞点处的光子被探测器捕获的概率。
当光子与目标表面发生碰撞且光子在探测视域内时， 光子碰撞后被探测器捕获的概率为
Pm+1=Km+1fr （Ψ， θ， γ）· cos θ· cos Ψ·
exp （-σ·lr ）Srcos ξ/ π l2r（3）
式中： Km+ 1为光子的权值; σ为衰减系数; Ψ为入射角; θ为散射角; Sr为探测面积; f r表示微分面元d S 上的激光双向反射分布函数; lr为散射点到探测器的距离; ξ为接收表面法线方向与光子入射方向的夹角。
当光子与云雾粒子发生碰撞且光子在探测视域内时， 光子被探测器捕获的概率[6]为
Pm+1=Km+1f（θs， m+1） exp （-σ·lr ）Srcos ξ/4 π l2 r（4）
式中： θs， m +1为散射角。
当全部光子的运动过程模拟结束后， 开始对光子被探测器捕获的概率进行记录。 捕获概率描述了目标+云雾散射系统的冲激响应特性。 由于冲激响应函数是散射系统的传递函数， 因此任何到达接收点的激光回波信号都可以由发射脉冲信号函数与冲激响应函数的卷积得到。 由于目标和云雾表面对光子的漫反射作用， 激光引信接收到的回波会有一定程度衰减， 在云雾环境下回波会有二次衰减， 其衰减系数与云雾的能见度与目标距激光引信的距离有关。 本文在设计仿真时考虑到云雾的二次衰减作用对目标回波的影响， 通过设置不同的仿真参数， 测试引信发射脉宽对回波的影响。
2 激光回波仿真结果及分析
假设发射脉冲达到峰值的时间为t0。
仿真条件1： 无云雾仅目标
目标为直径1 m的白色漫反射球。 激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。
仿真条件2： 纯云雾环境
激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。 云雾能见度为5 m， 40 m和100 m。
仿真条件3： 云雾中存在目标
目标为直径1 m的白色漫反射球。 激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。 云雾能见度选择5 m， 40 m和100 m 。
仿真结果如图1～5所示。 图1为当目标在距离激光引信不同距离时， 对不同脉宽激光的回波对比图。 从图1中可以看出， 目标的回波峰值基本不随脉宽的改变而改变， 随目标距离的增大， 峰值功率缩小至1/10左右， 并且时序上后移。
图2为不同能见度时， 云雾对不同脉宽激光的回波功率对比图。 图2中， 同一能见度环境下， 随着脉宽减小， 云雾回波的峰值功率减小， 并且会出现一定的畸变; 5 m能见度环境下， 5 ns回波峰值功率较40 ns回波峰值功率减小了至少1/2， 40 m与100 m能见度时， 5 ns回波峰值功率减小至40 ns的1/6左右; 当发射脉宽相同时， 云雾回波的峰值功率随着能见度降低而增高。
图3～5为不同距离的云雾中目标在能见度5 m， 40 m与100 m条件下对不同激光发射脉宽的激光回波对比。 由图3～5可以看出， 其他条件相同时， 脉宽越窄， 二者在时域上的区分度越大。 图3中， 5 m能见度环境下， 不同距离目标的峰值回波功率基本相同。 图4～5中， 7 m处目标的回波峰值功率为3 m处目标的1/5， 1/10左右。
3 云雾中目标探测的试验验证
由上述仿真结果可知， 使用窄发射脉冲不仅可以提高激光引信抗云雾干扰的能力， 并且具有一定的云雾中目标探测的能力。 现对上述仿真结果进行试验验证。
使用烟雾发生器， 能见度为30 m的云雾环境进行试验。 在固定位置摆放激光引信试验样机和示波器， 使用直径1 m的白色漫反射球作为目标， 通过调整目标的不同距离观察引信接收回波的波形变化。 为了更好地观察试验结果， 试验中使用的引信功率较大。 产品参数： 1#激光引信功率200 W， 收发视场角均为90°， 发射脉冲宽度35 ns; 2#激光引信功率3 kW， 收发视场角均为90°， 发射脉冲宽度5 ns。 试验结果图6～7所示。
图6（a）是引信在纯云雾环境下的回波波形， 从中可以看出， 1#激光引信云雾回波的展宽较多， 云雾回波较大; 图6（b）中4 m处的目标回波较云雾回波有两个不易辨别的波峰， 由于云雾和目标回波的叠加作用， 回波存在展宽， 时序上二者不易区分， 在进行信号处理时有一定的难度。
图6 1#激光引信在实验室云雾能见度为30 m条件下图7（a）中， 2#激光引信在纯云雾环境下回波展宽较小; 图7（b）中回波有两个明显的波形， 4 m处的目标回波和云雾回波已经在时序上完全分开， 基本不存在叠加效应， 有利于下一步的信号处理。 因此可以得出， 脉宽越窄， 激光引信对云雾的抑制作用越好， 更有利于进行抗干扰的信号处理设计。
由于仿真中的云雾是均匀分布的， 而实验室中创造的云霧环境并不均匀， 因此试验图像与仿真图像中云雾出现的位置不同。
4 结 论
本文使用蒙特卡洛法来模拟激光引信产生的大量光子和环境中自由运动的云雾颗粒， 模拟大量光子在云雾环境和目标表面的传输、 反射和散射过程， 对云雾和目标的回波特性进行仿真分析。 通过设置不同的仿真条件， 得出了窄脉冲对云雾回波具有抑制作用， 可以提高引信对云雾中目标的区分度的结论。 同时， 本文也对窄脉冲激光引信的抗云雾干扰能力和对云雾中目标的探测能力进行了试验验证。 根据本文中的仿真与试验结果， 可以进一步设计样机与相关的抗云雾干扰的信号处理算法， 并对样机的抗干扰能力进行验证， 从而综合提高激光引信的抗干扰能力。
参考文献：
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Study on Echo Characteristics of Narrow Pulse
Laser Fuze on Targets in Cloud
Li Lekun*， Li Yuan， Gao Chong， Tu Jianping
（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）
Abstract： Due to the working characteristics of laser fuze， it is easy to be interfered by cloud， thus causing false alarm. Therefore， it is necessary to improve the ability of laser fuze to resist the cloud interference. Monte Carlo method is used to analyze the echo characteristics of targets in cloud under different pulse width laser， and carry out relevant tests to verify. The results of mathematical simulation and experiment show that the narrow pulse laser fuze can effectively suppress the cloud echo， improve the fuze’s ability to identify targets in the cloud and anti-cloud interference ability， and reduce false alarm.
Key words： narrow pulse; laser fuze; echo characteristics; target detection; anti-interference
关键词： 窄脉冲; 激光引信; 回波特性; 目标探测; 抗干扰
中图分类号： TJ760; TJ43+9.2 文献标识码： A 文章编号： 1673-5048（2021）05-0106-04
0 引 言
激光引信具有灵敏度高、 启动快速性好以及不易受电子干扰等特点， 在空空、 面空、 空面等多类导弹上得到广泛的应用。 但由于激光的工作波段较短， 与空气中云雾悬浮粒子尺寸相当， 激光引信容易受到云雾干扰产生虚警信号， 特别是当目标处于云雾背景中时， 要求激光引信能从云雾等干扰背景中正确识别目标[1-2]， 对激光引信性能提出了更高的要求。 因此， 针对激光在云雾环境下的传输特性的研究具有重要的工程应用意义。
窄发射脉宽对云雾干扰有明显抑制作用， 可提高激光引信的抗干扰和目标识别能力， 成为目前激光引信研究与应用的热门方向。 文献[3-4]研究了激光引信对背景的散射回波特性和脉冲宽度对云雾回波的影响， 但并未对云雾中目标的激光回波特性进行分析研究与验证。
本文利用蒙特卡洛法对激光回波的大量光子运动， 以及光子与目标表面、 云雾悬浮粒子的反射、 散射过程进行建模， 研究并分析窄脉冲激光引信对云雾中目标的回波特性， 系统分析了激光脉冲宽度对云雾背景中目标识别的影响， 并在此基础上利用某窄脉冲原理样机开展了针对云雾背景下的目标识别试验， 验证了窄脉冲激光可以提高引信对云雾中目标的识别能力。
1 激光引信回波模型
1.1 激光引信回波的数字仿真原理
由于激光引信发射的光子达到目标表面和悬浮颗粒的距离存在差异， 激光回波信号将受到目标和云雾悬浮粒子距离分布的调制， 从而影响激光回波功率的一维时间分布[5-6]。
本文采用蒙特卡洛法通过随机数来模拟激光引信产生的大量光子和环境中自由运动的云雾颗粒， 模拟大量光子在云雾环境和目标表面的传输、 反射和散射过程， 使光子运动的统计规律得以重现， 然后对全部光子进行统计分析， 进而求得交会过程中某一时刻激光引信接收到的激光回波功率和波形[7-9]。
1.2 目标及云雾的散射特性
目标表面对激光波束的散射特性一般用双向反射分布函数（BRDF）描述， 表示某一入射方向的光波， 在表面上半球空间的反射能量的分布。 BRDF模型假设目标表面由小面元組成， 小面元的法线方向呈高斯分布， 并且小面元反射遵循菲涅尔关系。 BRDF模型表示为[10]
fr （θi ， θr ， φr ）=kb k2rcos α1+（k2r-1）cos α·
exp [b·（1- cos γ）a]·
G（θi ， θr ， φr ） cos θicos θr +kdcos θi （1）
式中：
k2rcos α1+（k2r-1）cos α 代表粗糙表面的镜面反射分量; kd cos θi 代表漫反射分量; G（θi ， θr ， φr ）表示遮蔽函数， 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; θ i为入射角; θ r为散射角; γ是微观平面上的入射角。
云雾等自然界悬浮液态粒子在一般情况下可近似为球形。 由于激光的波长与云雾粒子的直径相近， 因此一般用米氏散射理论来描述液态悬浮粒子对激光引信回波的散射作用[11]。 此时散射相位函数f（θ）采用H-G函数的修正公式[12]， 表示为
f（θ）=321-g22+g21+（ cos θ）2（1+g2-2g cos θ）3/2（2）航空兵器 2021年第28卷第5期
李乐堃， 等： 窄脉冲激光引信对云雾中目标的回波特性研究
1.3 激光引信回波仿真数学模型
为了能够得到光子的历史信息， 需要对每一碰撞点处的光子被探测器捕获的概率进行统计。 光子在传输过程中， 可能与目标表面发生碰撞， 也可能与悬浮粒子发生碰撞， 在确定了碰撞点状态后， 就开始确定这一碰撞点处的光子被探测器捕获的概率。
当光子与目标表面发生碰撞且光子在探测视域内时， 光子碰撞后被探测器捕获的概率为
Pm+1=Km+1fr （Ψ， θ， γ）· cos θ· cos Ψ·
exp （-σ·lr ）Srcos ξ/ π l2r（3）
式中： Km+ 1为光子的权值; σ为衰减系数; Ψ为入射角; θ为散射角; Sr为探测面积; f r表示微分面元d S 上的激光双向反射分布函数; lr为散射点到探测器的距离; ξ为接收表面法线方向与光子入射方向的夹角。
当光子与云雾粒子发生碰撞且光子在探测视域内时， 光子被探测器捕获的概率[6]为
Pm+1=Km+1f（θs， m+1） exp （-σ·lr ）Srcos ξ/4 π l2 r（4）
式中： θs， m +1为散射角。
当全部光子的运动过程模拟结束后， 开始对光子被探测器捕获的概率进行记录。 捕获概率描述了目标+云雾散射系统的冲激响应特性。 由于冲激响应函数是散射系统的传递函数， 因此任何到达接收点的激光回波信号都可以由发射脉冲信号函数与冲激响应函数的卷积得到。 由于目标和云雾表面对光子的漫反射作用， 激光引信接收到的回波会有一定程度衰减， 在云雾环境下回波会有二次衰减， 其衰减系数与云雾的能见度与目标距激光引信的距离有关。 本文在设计仿真时考虑到云雾的二次衰减作用对目标回波的影响， 通过设置不同的仿真参数， 测试引信发射脉宽对回波的影响。
2 激光回波仿真结果及分析
假设发射脉冲达到峰值的时间为t0。
仿真条件1： 无云雾仅目标
目标为直径1 m的白色漫反射球。 激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。
仿真条件2： 纯云雾环境
激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。 云雾能见度为5 m， 40 m和100 m。
仿真条件3： 云雾中存在目标
目标为直径1 m的白色漫反射球。 激光引信的模拟参数为功率100 W， 收发视角为90°， 发射脉宽为5 ns， 20 ns和40 ns。 云雾能见度选择5 m， 40 m和100 m 。
仿真结果如图1～5所示。 图1为当目标在距离激光引信不同距离时， 对不同脉宽激光的回波对比图。 从图1中可以看出， 目标的回波峰值基本不随脉宽的改变而改变， 随目标距离的增大， 峰值功率缩小至1/10左右， 并且时序上后移。
图2为不同能见度时， 云雾对不同脉宽激光的回波功率对比图。 图2中， 同一能见度环境下， 随着脉宽减小， 云雾回波的峰值功率减小， 并且会出现一定的畸变; 5 m能见度环境下， 5 ns回波峰值功率较40 ns回波峰值功率减小了至少1/2， 40 m与100 m能见度时， 5 ns回波峰值功率减小至40 ns的1/6左右; 当发射脉宽相同时， 云雾回波的峰值功率随着能见度降低而增高。
图3～5为不同距离的云雾中目标在能见度5 m， 40 m与100 m条件下对不同激光发射脉宽的激光回波对比。 由图3～5可以看出， 其他条件相同时， 脉宽越窄， 二者在时域上的区分度越大。 图3中， 5 m能见度环境下， 不同距离目标的峰值回波功率基本相同。 图4～5中， 7 m处目标的回波峰值功率为3 m处目标的1/5， 1/10左右。
3 云雾中目标探测的试验验证
由上述仿真结果可知， 使用窄发射脉冲不仅可以提高激光引信抗云雾干扰的能力， 并且具有一定的云雾中目标探测的能力。 现对上述仿真结果进行试验验证。
使用烟雾发生器， 能见度为30 m的云雾环境进行试验。 在固定位置摆放激光引信试验样机和示波器， 使用直径1 m的白色漫反射球作为目标， 通过调整目标的不同距离观察引信接收回波的波形变化。 为了更好地观察试验结果， 试验中使用的引信功率较大。 产品参数： 1#激光引信功率200 W， 收发视场角均为90°， 发射脉冲宽度35 ns; 2#激光引信功率3 kW， 收发视场角均为90°， 发射脉冲宽度5 ns。 试验结果图6～7所示。
图6（a）是引信在纯云雾环境下的回波波形， 从中可以看出， 1#激光引信云雾回波的展宽较多， 云雾回波较大; 图6（b）中4 m处的目标回波较云雾回波有两个不易辨别的波峰， 由于云雾和目标回波的叠加作用， 回波存在展宽， 时序上二者不易区分， 在进行信号处理时有一定的难度。
图6 1#激光引信在实验室云雾能见度为30 m条件下图7（a）中， 2#激光引信在纯云雾环境下回波展宽较小; 图7（b）中回波有两个明显的波形， 4 m处的目标回波和云雾回波已经在时序上完全分开， 基本不存在叠加效应， 有利于下一步的信号处理。 因此可以得出， 脉宽越窄， 激光引信对云雾的抑制作用越好， 更有利于进行抗干扰的信号处理设计。
由于仿真中的云雾是均匀分布的， 而实验室中创造的云霧环境并不均匀， 因此试验图像与仿真图像中云雾出现的位置不同。
4 结 论
本文使用蒙特卡洛法来模拟激光引信产生的大量光子和环境中自由运动的云雾颗粒， 模拟大量光子在云雾环境和目标表面的传输、 反射和散射过程， 对云雾和目标的回波特性进行仿真分析。 通过设置不同的仿真条件， 得出了窄脉冲对云雾回波具有抑制作用， 可以提高引信对云雾中目标的区分度的结论。 同时， 本文也对窄脉冲激光引信的抗云雾干扰能力和对云雾中目标的探测能力进行了试验验证。 根据本文中的仿真与试验结果， 可以进一步设计样机与相关的抗云雾干扰的信号处理算法， 并对样机的抗干扰能力进行验证， 从而综合提高激光引信的抗干扰能力。
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Study on Echo Characteristics of Narrow Pulse
Laser Fuze on Targets in Cloud
Li Lekun*， Li Yuan， Gao Chong， Tu Jianping
（China Airborne Missile Academy， Luoyang 471009， China）
Abstract： Due to the working characteristics of laser fuze， it is easy to be interfered by cloud， thus causing false alarm. Therefore， it is necessary to improve the ability of laser fuze to resist the cloud interference. Monte Carlo method is used to analyze the echo characteristics of targets in cloud under different pulse width laser， and carry out relevant tests to verify. The results of mathematical simulation and experiment show that the narrow pulse laser fuze can effectively suppress the cloud echo， improve the fuze’s ability to identify targets in the cloud and anti-cloud interference ability， and reduce false alarm.
Key words： narrow pulse; laser fuze; echo characteristics; target detection; anti-interference