光电工程  2019, Vol. 46 Issue (1): 180453      DOI: 10.12086/oee.2019.180453     
激光引偏干扰中典型自然地物假目标的引偏能力
孙春生 , 张爽 , 张晓晖     
海军工程大学兵器工程学院,湖北 武汉 430033
摘要:针对自然地物假目标在激光引偏干扰中的应用需求,以有效引偏空域表征引偏能力,计算分析了其引偏能力。在充分考虑目标反射特性、干扰-指示激光强度和大气激光衰减系数等因素的前提下,利用信号压制系数K≥1的条件建立了假目标引偏能力分析模型,基于模型分析了典型条件下常见自然地物假目标的有效引偏空域。研究结果表明,假目标有效引偏空域与目标类型紧密相关,相同条件下植被类、砂石类和漫反射体目标的引偏能力依次增强;植被类和砂石类自然地物的引偏空域存在远小于漫射分量的镜像反射分量;干扰激光入射角的变化对有效引偏空域分布会产生较明显的影响,但对植被类目标,其引偏空域随入射角的变化却没有明显的趋势性变化规律。研究结果对于自然地物假目标的合理运用具有指导意义。
关键词激光引偏干扰    假目标    自然地物    引偏空域    压制系数    
Deceiving ability of typical natural objects used for false target in laser decoy jamming
Sun Chunsheng, Zhang Shuang, Zhang Xiaohui     
College of Weaponry Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan, Hubei 430033, China
Abstract: Aiming at the application of natural objects false target in laser decoy jamming, its deceiving ability characterized by decoy airspace was calculated and analyzed. On the premise of full considering the reflection characteristics of target, the intensity of jamming-indicating laser, atmospheric laser attenuation coefficient, and other factors, the analysis model of decoy jamming ability for false target was established under the condition of suppression coefficient K (≥1). Furthermore, the effectual decoy airspace of common natural objects was analyzed under typical condition. The results show that the effective cheating airspace of false target is closely related to the type of targets, and the deceiving ability of vegetation, gravel and diffuse reflection objects is enhanced in turn under the same conditions. There exists a mirror reflection component that is much smaller than the diffuse reflection component in the decoy airspace of vegetation and gravel natural objects, and the variation of the incident angle of jamming laser has obvious influence on the distribution of effectual decoy airspace. However, there is no obvious trend change rule for the decoy airspace of vegetation targets with the incidence angle. The research results are instructive for the reasonable application of typical natural objects used for false target.
Keywords: laser decoy jamming    false target    natural objects    decoy airspace    suppression coefficient    

1 引言

激光引偏干扰是对抗激光半主动制导武器的有效手段。激光引偏干扰的基本思想是:激光假目标诱偏来袭的激光制导武器至假目标自身,通过自身的牺牲换来被保护目标的安全。假目标的引偏能力直接决定着假目标的布设方法与引偏效果。激光引偏干扰系统一般选用漫反射靶板或自然地物作为假目标[1-2],由于漫反射靶板具有朗伯反射特性,其引偏能力容易获知;而自然地物的激光反射特性则复杂得多,其引偏能力受地物类型、入射激光参数、来袭弹体导引头参数等诸多因素的影响。研究不同条件下自然地物假目标的引偏能力对提升激光引偏干扰系统使用的灵活性、充分发挥其作战效能具有重要意义。

已有一些文献研究了与自然地物激光假目标引偏能力有关的部分问题[2-3]。在文献[2]中,作者测量了几种典型自然地物的相对反射系数,分两种情况示意了指示-干扰激光的反射能量空域分布,进而给出了自然地物假目标类型和面形选择建议。文献[3]针对机动编队周围自然地物的选择区域进行了研究,结合激光制导武器攻击特点,计算了一定条件下自然地物作假目标的可选择区域大小,总结了防护运动目标时激光引偏干扰系统选择自然地物假目标的基本要求。这些研究虽然通过定性分析或实验测量或理论计算解决了一些与自然地物激光假目标引偏能力相关应用问题,但没有明确提出自然地物假目标引偏能力的表征方法,更没有给出其引偏能力的量化方法。论文以自然地物假目标的有效引偏空域[4-5]来表征自然地物假目标的引偏能力,在信号压制系数的基础上建立自然地物假目标引偏能力分析模型,基于模型分析典型条件下常见自然地物假目标的有效引偏空域,为自然地物假目标的科学运用奠定理论基础。为达到成功引偏目的,引偏干扰信号与制导指示信号之间需满足特征、时域和空域相关,前两个相关性由引偏干扰装备的自身性能决定,空域相关性则与假目标的引偏能力密切相关。本文的研究是以激光引偏干扰系统的自身性能满足引偏干扰相关性要求为前提,如能够及时探测来袭激光、识别激光编码、发射超前同步的干扰激光等。

2 假目标的引偏能力分析模型

在激光导引头处干扰信号功率密度与制导信号功率密度的比值称为压制系数K。作者在前期的研究中已推导出了压制系数K的简化表达式[5]

$ K = \frac{{{P_{{\rm{tg}}}}{\eta _{\rm{g}}}\cos {\theta _{{\rm{rg}}}}{f_{{\rm{rg}}}}}}{{{P_{{\rm{tz}}}}{T_{{\rm{iz}}}}{\eta _{\rm{z}}}\cos {\theta _{rz}}{f_{{\rm{rz}}}}}}, $ (1)

式中:下标g和z分别表示干扰激光和指示激光,${P_{\text{t}}}$表示干扰或指示激光器输出功率,$\eta $表示地物或目标表面激光光斑的利用率,${\theta _{\text{r}}}$为探测方向相对于地物或目标表面面元法线的反射角,${f_{\text{r}}}$为双向反射分布函数(bidirectional reflectance distribution function, BRDF),它是描述物体表面反射特性的物理量,${T_{\text{i}}}$为激光器到目标距离上激光大气透过率。

由压制系数可以进一步建立假目标引偏能力的分析模型。在装备自身性能满足引偏所需的特征、时域和空域相关时,为保证引偏干扰效果,压制系数K应不小于1。通过K≥1和式(1)可以得到假目标有效引偏空域的计算公式:

$ {f_{{\rm{rg}}}}({\theta _{{\rm{ig}}}}, {\theta _{{\rm{rg}}}}, {\varphi _{\rm{g}}})\cos {\theta _{{\rm{rg}}}} \ge \frac{{{P_{{\rm{tz}}}}{T_{{\rm{iz}}}}{\eta _{\rm{z}}}\cos {\theta _{{\rm{rz}}}}{f_{{\rm{rz}}}}}}{{{P_{{\rm{tg}}}}{\eta _{\rm{g}}}}}, $ (2)

式中:${\theta _{{\text{ig}}}}$为入射干扰激光相对于假目标上光斑面元${\text{d}}A$法线的入射角;${\varphi _{\text{g}}}$表示假目标表面反射光相对于入射光的方位角。双向反射分布函数${f_{\text{r}}}$在实际观测或探测时,会产生一个$\cos {\theta _{\text{r}}}$投影加权量。为与实际情况一致,一般将${f_{\text{r}}}\cos {\theta _{\text{r}}}$一并考虑,不妨称之为观测双向反射分布函数。结合双向反射分布函数的物理意义,利用式(2)即可计算出一定条件下入射到假目标上的引偏激光经反射后形成的干扰激光的有效引偏空域。因此式(2)可视为假目标引偏能力的分析模型。

为便于计算分析,通常对式(2)进行工程近似。在实际应用中,目标表面指示激光光斑法线与导引头-目标光斑连线的夹角${\theta _{{\text{rz}}}}$有一定的随机性,在此近似取半球空间内的平均值,即$\cos {\theta _{{\text{rz}}}} = 1/2$;同时假定被保护目标表面具有朗伯余弦反射特性,即${f_{{\text{rz}}}} = {\rho _z}/{\rm{ \mathsf{ π} }}$,其中${\rho _{\text{z}}}$为目标表面的激光半球反射系数,在这些近似条件下,式(2)可简化为

$ {f_{{\rm{rg}}}}({\theta _{{\rm{ig}}}}, {\theta _{{\rm{rg}}}}, {\varphi _{\rm{g}}})\cos {\theta _{{\rm{rg}}}} \ge \frac{{{\eta _{\rm{z}}}{\rho _{\rm{z}}}{{\rm{e}}^{ - cL}}}}{{2{\rm{ \mathsf{ π} }}\alpha {\eta _{\rm{g}}}}}, $ (3)

式中:$\alpha $为干扰激光与指示激光功率的比例系数,即$\alpha = {P_{{\text{tg}}}}/{P_{{\text{tz}}}}$${{\text{e}}^{ - cL}}$为来袭激光指示器到目标距离上激光大气透过率${T_{\text{i}}}$,其中c为大气激光衰减系数,L为指示器到目标距离。由式(3)可以看出,假目标的引偏空域与入射激光角度${\theta _{{\text{ig}}}}$、假目标双向反射分布函数${f_{\text{r}}}$、被防护目标激光反射特性${\rho _{\text{z}}}$、激光光斑的利用率$\eta $、干扰激光与指示激光功率比$\alpha $、大气激光衰减系数c和指示距离L等参数相关的量。在设定条件下,有效引偏空域通过三维空间(${\theta _{{\text{rg}}}}$, ${\varphi _{\text{g}}}$, ${f_{\text{r}}}\cos {\theta _{\text{r}}}$)表征。

3 典型自然地物假目标引偏空域计算

为了分析典型自然地物的引偏能力,需要先选取合适的双向反射分布函数(BRDF)模型,然后依据式(3)计算出一定条件下典型自然地物的有效引偏空域。

3.1 典型地物BRDF模型及参数的选取

典型地物表面相对于激光引偏所使用的光波段属粗糙面。粗糙表面的BRDF模型通常分为数值模型、解析模型和经验统计模型。其中经验统计模型是根据粗糙面多角度散射分布实验数据,通过优化理论将双向反射分布函数看成是关于角度和某几个参量为变量的数学函数,它考虑了粗糙表面的分类、各参量因子的物理含义,使用起来简洁、有效,被广泛应用于遥感和军事上,具有广泛的工程使用价值[6-9]。根据相关学者的研究,吴振森等人在Torrance-Sparrow模型[10]基础上改进而成的五参数半经验统计模型能够较准确地描述自然地物的反射特性[9, 11]。因此,这里采用五参数半经验统计模型研究植被类、砂石类典型地物的激光散射特性,其中植被类地物用树叶近似。

双向反射分布函数的五参数半经验统计模型为

$ \begin{array}{l} {f_{\rm{r}}}({\theta _{\rm{i}}}, {\theta _{\rm{r}}}, \varphi ) = {k_{\rm{b}}}\frac{{{k_{\rm{r}}}^2\cos \alpha }}{{1 + (k_{\rm{r}}^{\rm{2}} - 1)\cos \alpha }}\\ \;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;\; \times \exp [b{(1 - \cos \gamma )^a}]\frac{{G({\theta _{\rm{i}}}, {\theta _{\rm{r}}}, \varphi )}}{{\cos {\theta _{\rm{i}}}\cos {\theta _{\rm{r}}}}} + \frac{{{k_{\rm{d}}}}}{{\cos {\theta _{\rm{i}}}}}, \end{array} $ (4)

其中:

$ \begin{array}{l} \cos \alpha = \frac{{\cos {\theta _{\rm{i}}} + \cos {\theta _{\rm{r}}}}}{{2\cos \gamma }}, \\ {\cos ^2}\gamma = \frac{1}{2}(\cos {\theta _{\rm{i}}}\cos {\theta _{\rm{r}}} + \sin {\theta _{\rm{i}}}\sin {\theta _{\rm{r}}}\cos {\varphi _{\rm{r}}} + 1), \end{array} $

式中:${k_{\text{b}}}, {k_{\text{r}}}, {k_{\text{d}}}, a, b$为待定参数,这些待定系数直接引用文献[12]对多类目标样片激光散射特性的研究结果,如表 1所示;$G({\theta _{\text{i}}}, {\theta _{\text{r}}}, \varphi )$为遮蔽因子,一般情况下利用遮蔽因子的逼近公式并将其中参数取经验值可获得具体的符合一定工程要求的遮蔽因子值[13],这里的遮蔽因子采用此方法获得。

表 1 五参数半经验统计模型待定系数的选取 Table 1 Selection of undetermined coefficients for five parameters semi-empirical statistical model
目标类型 kb kr kd a b
植被类 0.1263 0.3002 0.04840 1.133 -10.52
砂石类 0.1565 0.2930 0.1054 1.453 -37.52
3.2 典型地物引偏空域的计算

在知道了典型地物的BRDF模型之后,就能够根据式(3)计算出一般工程应用条件下假目标的有效引偏空域。计算过程中,c取大气能见度为15 km时的激光衰减系数,对常用的1.06 μm激光约为0.17 km-1;干扰激光光斑的利用率ηg取0.6;指示光斑的利用率ηz在此近似取0.6;典型军用目标的1.06 μm激光反射系数ρz近似取为0.3;指示器到目标距离L取10 km;干扰激光与指示激光的功率比α取为0.1。计算得到的植被和砂石类目标的BRDF三维分布和有效引偏空域如图 12所示。为了比对分析,同时给出了半球反射率为0.6的漫反射目标BRDF三维分布和有效引偏空域,如图 3所示。为了突出图形的工程层面的直观性,论文中的BRDF三维分布图和有效引偏空域分布图分别采用采用柱面坐标系和极坐标系绘制。

图 1 植被类目标的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 1 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for vegetation object

图 2 砂石类目标的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 2 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for gravel object

图 3 漫反射目标的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 3 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for diffuse reflection object

图 1~图 3可以看出,在典型工作环境下,激光引偏干扰中假目标的BRDF三维分布和有效引偏空域分布与目标类型紧密相关,相同条件下植被类、砂石类和漫反射体目标的引偏空域依次增大;同时植被类和砂石类自然地物假目标反射光中存在一定的镜像反射分量,因此引偏空域也会向入射光的镜像方向有所偏移。

4 典型自然地物假目标引偏能力分析

从式(3)可以看出,自然地物假目标引偏能力或引偏空域由假目标表面的BRDF分布特性和大气激光衰减系数c、指示器到目标距离L、被防护目标半球反射系数${\rho _z}$、激光光斑的利用率$\eta $、干扰与指示激光功率之比α等对抗环境决定。对相同的自然地物目标和相同的干扰激光入射角θicL${\rho _{\text{z}}}$${\eta _{\text{z}}}$越大,α${\eta _{\text{g}}}$越小;引偏空域越大,引偏能力越强。从图 1(b)2(b)3(b)可以看出,引偏空域可以在式(3)的基础上利用相对方位角φr和散射角θr以极坐标的形式清晰表征,但目标表面的BRDF及其直接影响的目标引偏能力还与干扰激光的入射角θi紧密相关。为分析θi对目标引偏能力的影响,论文计算了θi分别为10°、30°和60°时,植被类目标的BRDF三维分布和有效引偏空域分布情况,如图 4~图 6所示。

图 4 植被类目标在θi=10°时的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 4 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for vegetation object under incident angle θi=10°

图 5 植被类目标在θi=30°时的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 5 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for vegetation object under incident angle θi=30°

图 6 植被类目标在θi=60°时的BRDF三维分布(a)和有效引偏空域的极坐标分布(b) Fig. 6 Three-dimensional distribution of BRDF (a) and polar coordinates distribution of effectual decoy airspace (b) for vegetation object under incident angle θi=60°

图 4~图 6可以看出,在典型工作环境下,对植被类目标,随着干扰激光入射角θi的增大,目标表面的BRDF三维分布和有效引偏空域分布都会发生较为明显的变化,BRDF三维分布的峰值会减小,但引偏空域却没有明显的趋势性变化规律。出现这种现象大概率是由于引偏空域的诸多影响因素综合作用的结果。从图中还可以看出,在θi的镜像方向,引偏空域有一定的镜像分量,但远小于漫射分量。图中的缺口应该是文献[12]中用于拟合五参数半经验统计模型参数的实测数据缺少个别角度的实验数据所致,因此模型参数的拟合精度也会影响引偏空域的分布结果。

5 结论

本文以自然地物假目标的有效引偏空域来表征自然地物假目标的引偏能力,并建立了有效引偏空域计算模型,还以植被类和砂石类地物为对象,计算分析了这两类典型自然地物的有效引偏空域。研究结果表明,激光引偏干扰中假目标有效引偏空域分布与目标类型紧密相关,相同条件下植被类、砂石类和漫反射体目标的引偏空域依次增大;植被类和砂石类自然地物的引偏空域存在远小于漫射分量的镜像反射分量;对植被类目标,干扰激光入射角θi的变化对有效引偏空域分布会产生较明显的影响,但其引偏空域随入射角θi的变化却没有明显的趋势性变化规律。

自然地物作为假目标在实际干扰对抗过程中体现出的引偏能力还与对自然地物的战术使用环节紧密相关,包括如何选择地物面的朝向、坡度等要素;另外五参数半经验统计模型参数拟合的源数据及拟合精度也影响着引偏空域的计算分析结果,这些问题有待进一步研究。

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