脉冲激光近感探测烟雾回波特性仿真研究.pdf

第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 863 脉冲激光近感探测烟雾回波特性仿真研究 赵雷磊，贺 伟，张 森，高凯悦，刘丽娜，张坤钰（西安邮电大学 通信与信息工程学院，陕西 西安 710121）摘要：针对脉冲激光近感探测在烟雾干扰下引起的虚警、漏警等问题，本文根据 Mie 散射理论，运用Monte Carlo 方法建立脉冲激光近感探测模型，仿真 905 nm 脉冲激光获取大小目标在无干扰和烟雾干扰两种条件下的回波，分析回波的波形特征。结果表明：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和回波幅值呈负相关；大小目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者；烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征。研究成果可以为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础。关键词：激光近感探测；烟雾；Mie 散射；Monte Carlo 方法；回波特性 中图分类号：TN249 文献标志码：A 文章编号：1001-8891(2023)08-0863-06 Simulation of Smoke Echo Characteristics of Pulsed Laser Proximity Detection ZHAO Leilei，HE Wei，ZHANG Sen，GAO Kaiyue，LIU Lina，ZHANG Kunyu(School of Communications and Information Engineering,Xian University of Posts and Telecommunications,Xian 710121,China)Abstract:To address the problems of false and missed alarms caused by smoke interference in pulsed laser proximity detection,according to Mie scattering theory and the Monte Carlo method,this study established a pulsed laser proximity detection model,simulated a 905-nm pulsed laser to obtain echoes of large and small targets under the conditions of no interference and smoke interference,and analyzed the waveform characteristics of the echoes.The results show that there is a negative correlation between the distance from the transmitting and receiving system to the target and the echo amplitude without interference.The rising rate of the echo front of large and small targets increases.Under the condition of smoke interference,the pulse widths of the smoke and target echoes have a certain broadening compared with the transmitted laser waveform.However,the broadening degree of the former is greater than that of the latter,and the smoke echo waveform is asymmetric with a steep front edge and gentle back edge.The results provide a theoretical basis for anti-smoke interference in laser proximity detection.Key words:laser proximity detection,smoke,Mie scattering,Monte Carlo,echo characteristics 0 引言 随着科技的发展，激光技术不仅在测距、遥感、通信等方面得到广泛的应用，而且在军事领域得到各国的重视，各类激光武器相继推出，例如激光制导武器、激光雷达等。激光近感探测根据激光束来感知目标，通过目标的回波信号来确定目标的距离和方位，其特点是方向性强、探测精度高、抗电磁干扰能力突出。战场环境中，烟雾对激光有散射和吸收的作用，从而引起能量的衰减，出现虚警和漏警的问题1。因此，对于激光在烟雾环境下后向散射特性的研究十分重要。针对该问题，国内外科研人员进行了大量的研究。冯继青等2利用比尔朗伯定律和经典扩散方程建立烟雾环境下激光透过率模型，分析不同激光波长的透过率，但是该方法只考虑了单次散射，具有局限性。王红霞等3建立模型计算 1.06 m 脉冲激光在烟雾中的传输，分析得到透过率与粒子粒径、烟雾厚度的关收稿日期：2021-08-27；修订日期：2021-09-19.作者简介：赵雷磊（1995-），男，河南灵宝人，硕士研究生，研究方向为光电探测技术及其应用。E-mail:。通信作者：贺伟（1966-），男，陕西西安人，研究员，硕士，研究方向为信息传感及信号处理检测技术。E-mail:hewei_。基金项目：西安邮电大学科研项目（101-204020271）。第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 864 系，并且数值仿真脉冲激光在烟雾中的时间展宽特性。类成新等4研究激光在随机分布的烟尘团簇粒子的衰减特性，分析激光波长、入射角和粒子密度等参数对在烟尘中激光衰减的影响。李晓峰等5模拟研究在烟雾环境下不同波长激光在各个复折射率条件下的吸收、衰减和散射效应。Mori 等6分析了非对称因子和 Mie 散射系数在烟雾中单次散射的变化特点。孟祥盛7利用偏振特性设计一种激光引信，该系统可以降低引信对烟雾后向散射信号的接收能力。陈慧敏等8建立烟雾后向散射模型，分析回波特性，将仿真结果与实测数值进行对比，验证模型的准确性。本文根据 Mie 散射理论，运用 Monte Carlo 方法建立脉冲激光近感探测模型，设置不同距离的大小目标，在无干扰和烟雾干扰条件下仿真 905 nm 脉冲激光，分析回波波形特征。从而为激光近感探测抗烟雾干扰提供理论基础和新的思路。1 理论分析 1.1 烟雾的物理特性 战场上环境十分复杂，爆炸产生的烟雾粒子的主要成分是硫、碳、磷及其混合物。粒子的直径大小与爆炸强度、爆炸物成分和气候条件有关，爆炸产生的烟雾是瞬时的。烟雾也可以看作是气溶胶微粒，不仅爆炸会产生烟雾颗粒，人为释放烟雾气溶胶颗粒对制导武器系统是一种干扰9。本文选取发烟材料粒子的粒径大致分布在 321 m 之间，烟雾粒子粒径分布如图 1 所示。图 1 烟雾粒子粒径分布 Fig.1 Particle size distribution of smoke particles 1.2 Mie 散射理论 Mie 散射理论可用于各个方向同性的球体，但是对于形状不规则的粒子同样适用。Mie 散射理论是研究大气中的气溶胶微粒与辐射光发生散射的经典理论，其散射的强度与频率二次方成正比，方向性较明显。假设入射光的强度为 I0，散射距离为 l，则散射光强 I 为10：212022=8iiIIl (1)式中：i1、i2为强度函数，表达式为：111222(,)(,)(,)(,)is msmis msm (2)式中：m 为散射体相对折射率；为散射角；s1、s2为散射光振幅函数，s1、s2分别为 s1、s2的共轭函数，散射体尺度参数的表达式为11：2=r (3)式中：r 是散射体的半径；为入射光波长。散射光振幅函数是无穷级数，可以取表达式的前 10 项来推演结果。因此，s1、s2具体展开式为：112121(1)21(1)kkkkkkkkkkksabk kksabk k (4)式中：ak、bk表示为 Mie 散射系数，该系数和散射体相对折射率 m 及散射体尺度参数相关。烟雾粒子的散射系数 Qsca和消光系数 Qext的表达式分别为：22sca21ext212(21)()2(21)Re()kkkkkkQkabQkab (5)不同相对折射率消光系数随尺度参数分布如图 2所示。图 2 不同相对折射率消光系数随尺度参数分布 Fig.2 Distribution of extinction coefficient of different relative refractive indices with scale parameter 如图 2 所示，在选取的 3 种相对折射率下，消光第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 赵雷磊等：脉冲激光近感探测烟雾回波特性仿真研究 Aug.2023 865 系数随尺度参数的增加呈振荡衰减分布，最终趋于稳定值。相对折射率越大，震荡幅度越大。光子与烟雾粒子发生碰撞后各个方向的散射强度用散射相函数来表示，该函数表达式为：2212221()()(21)()kkkSSPkab）(6)式中：S1()、S2()为散射光振幅函数。单个粒子散射相位函数与散射角关系如图 3 所示。图 3 粒子散射相位函数与散射角关系 Fig.3 Relationship between scattering phase function and scattering angle of particles 2 脉冲激光近感探测模型 构建本模型的主要思路是将发射的脉冲激光分解成大量光子，根据 Mie 散射理论和 Monte Carlo 方法模拟光子在烟雾中的运动轨迹，统计出发生散射后的抵达光电探测器的光子。脉冲激光近感探测模型分为3部分：激光发射模型、激光在烟雾中的传输模型、激光接收模型。2.1 激光发射模型 激光器发出的脉冲激光为高斯脉冲，功率表达式为：202(/2)()exp/4ln2tP tP (7)式中：P0为峰值功率；为高斯脉冲持续的时间。光子的发射点选择在激光的束腰处，该位置的光子服从高斯分布，因此可得光子的位置为：0 1020tttxyz (8)式中：1 200/z为束腰半径；z0为瑞利长度；1、2为标准正态分布随机数。光子起始发射方向为：sincossinsincosxtttytttzttuuu (9)式中：03/2t为光子发射方向的天顶角；0为光束发散角；3为标准正态分布随机数；t24为光子发射方向的方位角；4为0,1区间上的均匀分布随机数。2.2 激光在烟雾中的传输模型 光子在烟雾环境中会与烟雾粒子发生碰撞，碰撞后光子的能量会发生变化，其变化为12：sca10ext=QEEQ (10)式中：E0为散射前光子能量；E1为散射后光子能量；Qsca和Qext分别为烟雾粒子的散射系数和消光系数，具体表达式参考1.2节。碰撞后，光子的方向也发生变化，其变化为：scascascasca2scascascasca22scascascasin(cossin)cos1sin(cossin)cos1sincos1cosxsxszsysxszsysyszsxsyszszszszsuu uuuuuu uuuuuuu (11)式中：(uxs,uys,uzs)为散射前的光子移动方向；(uxs,uys,uzs)为散射后的光子移动方向；sca为0,2均匀分布的散射方位角；sca为散射天顶角。光子与烟雾粒子发生碰撞后，如果没有消亡（能量小于阈值），则继续朝新的方向移动，移动的距离为：lnts (12)式中：为0,1区间上均匀分布的随机数；t为烟雾衰减系数。2.3 激光接收模型 光子离开烟雾环境后，朝接收端光学系统移动，有一定的比例被光电探测器接收。若光子进入接收窗口，则有13：222ftrfr()xdyR (13)式中：xf、yf为光子最后一次散射的位置；dtr为收发光轴间距；Rr为接收端镜头半径。同时，光子在进入接收端光学系统时，入射角需要满足接收视场角要求：viewin2 (14)第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 866 式中：in为光子入射角；view为接收视场角。若满足上式，光子可看作是被光电探测器成功接收，成为回波光子。3 仿真结果与分析 3.1 仿真流程 烟雾环境下脉冲激光近感探测模型仿真流程图如图4所示。大致流程如下：输入相关参数，对脉冲激光收发系统及烟雾模型初始化，光子与粒子发生碰撞后计算出光子的能量和位置，若光子在烟雾边界内且光子存活，重复碰撞直到光子进入光电探测器或者消失。当最后一个光子完成循环流程，计算出激光回波幅值。beginParameter initializationCalculation of Mie scattering parametersPhoton initializationEmit photonsCalculate photon positionWithin the boundaries?Sampling calculationWeight calculationPhotons survive?Enter the detector?saveThe last photon?endYYNNNYNY 图 4 激光近感探测模型仿真流程 Fig.4 Simulation flowchart of laser proximity detection model 3.2 仿真参数 选取大小两种目标，大目标为武装直升机和小型固定翼飞机。武装直升机机体长12.5 m，宽3.4 m，高3.94 m，主旋翼直径16.35 m；小型固定翼飞机长3.3 m，机身直径0.28 m，机翼长1.56 m，高为0.7 m。激光经过该目标的回波在一个周期内距离变化量大，实验中用反射率为0.9的白板代替；小目标为小尺寸靶弹，长为2 m，直径约为12 cm，激光经过该目标的回波在一个周期内距离变化量小，实验中用反射率为0.3的灰板代替。环境选取无干扰和烟雾干扰两种环境，仿真参数如表1所示。表 1 仿真参数 Table 1 Simulation parameters Simulation parameters Value Laser wavelength/nm 905 Emission pulse width/ns 30 Emission beam divergence angle/mrad 5 Receiving field of view angle/mrad 21 Launching system diameter/mm 10 Receiving lens diameter/mm 30 Transmit-receive spacing/mm 35 Simulated photon number 106 Smoke particle size range/m 3-18 Smoke complex index 1.75-0.43i Target surface Bloom Target reflectance 0.3(small target)0.9(big target)Target distance/m 3(small target)7(big target)3.3 结果分析 由图5可知，取小目标和大目标的距离分别为3 m和7 m，比较小目标和大目标，作用距离增大，探测信号回波的幅值减小，即发射接收系统与目标之间的距离和探测信号回波幅值呈负相关。两者探测回波的前沿上升速率呈递增趋势。由图6可知，在烟雾干扰的环境下，对小目标和大目标取相同质量浓度的烟雾，探测回波信号和图5相比有了明显的变化。脉冲激光会先探测到烟雾，因为烟雾对激光的反射率低，所以接收信号的幅值相对较小；当脉冲激光穿过烟雾到达目标表面，探测回波幅值相对较大，但是由于烟雾环境中粒子对激光的散射和吸收作用，引起能量的衰减，相比较于无干扰条件下，大小目标回波幅值有所降低。烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但是前者的展宽程度大于后者。烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征，对于大目标而言，作用距离的增加，该特征变化得更加明显。因此激光近感探测系统在探测目标时，如果不加入任何抑第45卷 第8期 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 赵雷磊等：脉冲激光近感探测烟雾回波特性仿真研究 Aug.2023 867 制后向散射信号方法，烟雾后向散射信号和目标反射信号将会混合在一起，导致探测系统信噪比降低，进而造成系统虚警、漏警等一系列问题。(a)小目标(a)Small target (b)大目标(b)Big target 图 5 无干扰时探测回波信号 Fig.5 Detection of echo signal without interference (a)小目标(a)Small target (b)大目标(b)Big target 图 6 烟雾干扰时探测回波信号 Fig.6 Detection of echo signal when smoke interferes 4 结论 本文根据Mie散射理论，运用Monte Carlo方法建立脉冲激光近感探测模型，设置参数，仿真得到大小目标在有无烟雾干扰条件下的回波，分析回波的波形特征，得到如下结论：无干扰情况下，发射接收系统与目标之间的距离和探测信号回波幅值呈负相关，目标回波前沿的上升速率均呈递增趋势。烟雾干扰情况下，脉冲激光会先探测到烟雾回波后探测到目标回波且烟雾回波幅值小于目标回波幅值。烟雾回波和目标回波的脉冲宽度相对于发射激光波形均有一定的展宽，但前者的展宽程度要大于后者，烟雾回波波形呈现前沿陡峭，后沿平缓的非对称特征，对于大目标而言，作用距离的增加，该特征变化得更加明显。参考文献：1 刘清海,刘海锋,代晓东,等.石墨烯烟幕红外干扰性能研究J.红外技术,2019,41(11):1071-1076.LIU Qinghai,LIU Haifeng,DAI Xiaodong,et al.Study on infrared interference performance of graphene smoke screenJ.Infrared Technology,2019,41(11):1071-1076.2 冯继青,高春清,刘义东,等.激光对于烟雾的穿透特性分析J.光学技术,2006,4(6):883-885.FENG Jiqing,GAO Chunqing,LIU Yidong,et al.Analysis of laser penetration characteristics of smokeJ.Optical Technology,2006,4(6):883-885.3 王红霞,刘代志,宋仔标,等.激光在烟幕中传输的蒙特卡罗模拟J.计算物理,2013,30(3):415-421.WANG Hongxia,LIU Daizhi,SONG Zibiao,et al.Monte Carlo simulation 第45卷 第8期 红 外 技 术 Vol.45 No.8 2023 年 8 月 Infrared Technology Aug.2023 868 of laser propagation in smoke screenJ.Computational Physics,2013,30(3):415-421.4 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