云雾后向散射激光回波特性研究

气溶胶后向散射激光回波在气溶胶内部的散射特性对其波形特征有着重要影响。为获取气溶胶后向散射激光回波的散射特性,文中以云雾为研究对象,建立激光云雾传输模型,仿真云雾后向散射激光回波在云雾内部的多次散射过程,统计不同云雾质量浓度和云雾距离条件下的激光回波的散射次数和传输时间,得到激光回波的散射次数范围和同次散射回波特征,以及云雾质量浓度和云雾距离对散射次数的影响规律。文中研究结果可为分析气溶胶后向散射激光回波特征提供重要支撑。     

基于不同材质气溶胶下激光回波特性研究北大核心CSCD

激光引信易受到气溶胶的干扰,造成引信的虚警,对激光抗气溶胶干扰的研究一直是亟待解决的难题。大气环境中气溶胶的组分是多样的,因此研究不同材质气溶胶的激光回波具有重要意义,而烟雾和云雾是不同材质气溶胶的典型代表。本文基于Mie散射理论和蒙特卡罗随机逻辑方法,分别建立了激光烟雾、云雾单次和多次散射模型,对比分析了不同脉冲宽度10 ns、20 ns和50 ns的光束、不同材质气溶胶烟雾和云雾、不同散射次数的回波特性,得到了不同脉冲宽度激光在不同材质气溶胶下的散射回波规律。仿真结果表明:激光发射脉冲宽度越小和气溶胶能见度越大,目标回波和气溶胶回波的区分效果越好;激光在云雾中的透过率高于烟雾,反射率低于烟雾;激光在烟雾中的衰减度高于云雾。该结论可为研究激光引信在气溶胶环境下后向散射回波特性和提高抗干扰能力提供了研究思路。     

相干激光引信在云雾干扰下的回波特性研究

为分析相干激光引信在云雾干扰下的探测性能,基于Mie散射理论和Monte Carlo方法建立了相干激光引信在云雾中的探测模型,仿真获取相干激光引信在多种云雾干扰场景下的探测回波,分析回波信号的时域和频域特性,以及云雾能见度、探测位置和探测角度对回波特性的影响。研究结果表明,相干激光引信可利用回波频域特征准确探测和识别目标,且不易受云雾能见度、探测位置和探测角度等因素的影响。结果证明:相干激光引信在云雾干扰下具有优良的探测性能。     

基于自适应滤波机理的脉冲激光近程探测云雾干扰滤波方法

针对云雾环境对激光近程探测系统测距精度的影响,提出了一种变步长自适应滤波方法。首先结合脉冲激光近程传输理论和Mie散射理论,建立脉冲激光云雾传输后向散射模型,在此基础上甄别、分离出云雾环境下脉冲激光回波的干扰信号;然后根据干扰信号的特征,采用自适应滤波方法滤除云雾干扰回波信号,研究了云雾干扰下激光回波的脉宽、峰值和回波时刻这三种随机干扰因素对滤波性能的影响;最后在实验室云雾环境下验证了所提滤波方法的效果。结果表明:在不同的激光回波脉宽、功率以及回波时刻下,所提自适应滤波方法具有良好的滤波效果和抗干扰性能,能有效提高脉冲激光近程探测系统在云雾环境下的测距精度。     

调频连续波激光引信云雾回波特性仿真

调频连续波（FMCW）激光引信相比于脉冲激光引信具有较强的抗干扰能力,但仍会受到云雾的干扰。为研究FMCW激光引信系统参数对云雾回波特性的影响,利用FMCW激光引信探测模型,对激光引信在不同收发间距、激光波长以及相对云雾位置条件下的云雾回波特性进行仿真。仿真结果表明:FMCW激光引信的收发间距和激光波长会对云雾回波特性产生明显影响,收发间距越大,在可见光波段和近红外波段的激光波长越短,云雾后向散射越弱。所得的仿真结果可为FMCW激光引信抗云雾干扰方面的优化设计提供参考。     

激光引信云雾散射回波的近似算法与应用分析

在对激光引信视场进行体积元分割的基础上,基于Mie散射理论建立了一种近似计算引信云雾散射回波的数学模型,并利用该模型计算了均匀云雾粒子与服从一定谱分布云雾粒子的散射回波,分析了入射激光波长、粒子浓度及谱分布参数对散射回波强度的影响。研究结果表明:对均匀云雾粒子,引信的散射回波随粒径增大呈振荡增强趋势;粒子浓度相同时,尺度谱偏大的云雾粒子群的散射回波明显高于尺度谱偏小的云雾粒子群;对折射率虚部差别明显的不同波长激光,其散射回波强度差别显著,云雾对虚部偏小激光的散射光强明显高于虚部偏大的激光。为激光引信抗云雾干扰提供了重要理论依据。     

各向异性散射介质中高斯脉冲激光的回波特性

采用蒙特卡罗法建立了各向异性散射介质中高斯脉冲激光的全链路瞬态辐射传输模型,构造并推导了散射方向概率模型及其坐标系变换过程。在此基础上,计算分析了高斯脉冲激光回波特性的时域分布及差异。研究结果表明:时域回波信号的脉冲增减来自于其他类别信号的转化和自身信号的超前或滞后;随着前向散射的增强,目标回波信号强度增大、峰值时刻前移、时间展宽减弱,散射回波信号响应与其相反且影响程度减弱;目标回波特性与[0°,90°]前向散射区域直接关联,散射回波特性与[90°,180°]后向散射区域直接关联。研究结论可为脉冲激光主动探测系统的性能提升及地物目标的反探测隐身提供理论指导。     

激光引信云雾后向散射的偏振特性分析

针对激光在大气中传输时受到云雾的散射和吸收作用而影响激光引信的探测性能的问题,开展云雾对激光后向散射偏振特性的影响研究。利用Matlab对收发同轴窄视场模式下云雾对激光后向散射进行蒙特卡罗方法模拟,结果表明:不同粒子半径、不同能见度下云雾对激光后向散射的平均偏振度在0.08~0.25之间,与人造金属目标的偏振度之间存在较大的差异,可通过设定适当的阈值提高激光探测系统的抗云雾干扰能力。     

混沌脉冲激光雷达水下目标探测

海水对光波的吸收和散射,严重制约了激光雷达水下目标探测的性能。通过对激光在海水传输过程中产生后向散射的定量分析,说明了激光回波信号被海水后向散射影响的严重性。分析比较了距离选通技术和强度调制技术抑制海水后向散射的能力,提出了使用自身具有高频强度调制特性的混沌脉冲激光进行水下目标探测,设计了基于相关法测距的混沌脉冲激光雷达水下目标探测方案。通过对后向散射光以及带有不同后向散射强度的回波信号光的时域和频域特性的研究,使用互相关噪声水平算法判定混沌脉冲激光雷达抑制海水后向散射的能力。理论仿真分析表明,当后向散射光强度是混沌脉冲激光强度36倍时,仍能提取出目标信号。     

紫外激光探测灰霾的后向散射回波特性

为了研究紫外激光探测灰霾的后向散射特性,基于Mie散射理论和蒙特卡洛方法,建立紫外激光后向散射探测灰霾模型,仿真灰霾条件下紫外激光的后向散射过程,并分析了不同宽度紫外激光脉冲后向散射回波的峰值功率、波峰时延和半高全宽等特征。研究结果表明,在一定灰霾浓度范围内,灰霾浓度越低,发射脉冲越窄时,激光回波畸变越明显,当发射脉冲宽度大于10 ns,激光回波近似呈高斯分布;在发射脉冲宽度相同的条件下,激光回波峰值功率和回波波峰时延随着灰霾浓度的增大而增大,回波半高全宽随着灰霾浓度的增大而减小,当发射脉冲宽度大于32 ns,回波峰值功率趋于平缓。文中研究成果可为紫外激光探测灰霾浓度及分析灰霾后向散射激光回波特性提供依据。     

基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法

针对激光引信易受云烟雾干扰的问题,提出了一种基于脉冲宽度调制技术的激光引信抗干扰方法。计算了不同脉冲宽度条件下的云烟雾后向散射回波功率,并给出了云烟雾后向散射回波功率随发射脉冲宽度的变化规律。分析了不同云烟雾条件下使用不同发射脉冲宽度探测时所得到的回波功率比。实验结果表明,在使用不同脉冲宽度激光探测条件下,云烟雾激光后向散射功率比大于3,使用该方法可有效提升激光引信抗干扰性能。     

低信噪比激光引信回波幅值提取技术

在对激光引信回波进行信噪比分析的基础上,针对低信噪比时峰值检测法在回波幅值提取中相对误差较大的问题,提出了一种采用小波阈值去噪提高幅值提取精度的方法。基于Mallat算法对回波信号进行快速分解与重构,并实际计算了峰值检测法在低信噪比回波幅值提取中的相对误差。研究结果表明,小波阈值去噪能较好地分离回波信号中的高频噪声,减小低信噪比回波幅值提取的相对误差,从而提高了回波幅值提取的精度。     

云雾干扰条件下激光引信高斯分解测距方法

在云雾影响下,脉冲激光引信存在着虚警概率高、测距精度差的问题,这些问题是制约激光引信全天候工作的主要问题。为了降低云雾对于全波形采样激光引信的影响,提出一种基于高斯分解的回波脉冲处理方法,采用高斯模型将回波信号分解成单独高斯脉冲的形式,根据波形特征分辨出真实目标回波与云雾后向散射回波。从理论仿真和实验上对比了该方法与数字互相关方法的性能差异,结果表明:在能见度小于4 m的云雾条件下,数字互相关法测距精度恶化到1.6 m,而高斯分解法能够实现0.18 m的测距精度,优于互相关处理方式。该方法为激光引信在云雾环境下高精度测距提供了新的数据处理思路。     

基于阵列激光波形特征识别的激光引信抗干扰方法

针对激光引信易受云雾等气溶胶环境的干扰问题,提出了一种基于阵列激光波形特征识别的抗干扰方法。根据脉冲激光在气溶胶环境的散射特性,理论分析了发射脉冲宽度以及视场角对系统在干扰环境中目标识别的影响,仿真了目标处于干扰环境中的波形时域特征,并通过实验样机对仿真结果进行实测验证。基于回波波形特征,设计了一种窄视场阵列激光回波特征数字化识别的探测系统方案,并通过虚拟样机仿真技术获取了2°分辨率的目标和云雾的回波阵列数据。数据分析结果表明,由于目标形体和云雾弥散体的物理差异,目标回波阵列的能量方差极值及均值都大于云雾,通过设定帧内回波阵列的能量方差的阈值和帧间方差累计的方法能有效提升激光引信抗干扰性能。文中的仿真和实测结果都为基于阵列激光波形识别的抗干扰方法的有效性提供了理论和实验依据。     

全尺寸目标激光脉冲后向散射回波功率测定和建模

运用粗糙面散射、激光脉冲散射理论,结合复杂目标粗糙表面相关建模参数,建立用于计算全尺寸复杂目标激光脉冲后向散射功率的理论模型.实验测量一种空中缩比目标模型后向散射激光脉冲回波功率,获取该缩比目标激光脉冲后向散射功率随接受天顶角的变化曲线.比较理论建模与实验测量数据,分析实验误差,证明了该理论模型的正确性.将建立的理论模型进一步应用于计算非合作空间全尺寸目标的激光脉冲回波功率.计算结果能够预估空间目标的激光散射特征,解决一些关于空间目标激光脉冲光学特征工程的应用问题.     

偏振技术在激光引信抗烟雾干扰中的应用分析

激光引信如何抗云、烟环境干扰一直以来为该领域的研究热点。利用人工实体目标反射与烟雾后向散射回波的偏振度差异,设计了一种基于偏振探测的激光引信。该探测系统对烟雾后向散射信号产生消光效应远大于目标探测信号,选择性的降低了引信接收烟雾后向散射信号的能力。并结合激光引信的阈值探测原理和探测概率曲线,理论计算了该偏振探测系统对烟雾的探测概率降低到原探测系统的0.4%。最后结合工程研制经验,分析了该探测系统通过系列措施,既能保证其对目标的探测,又可大幅降低对烟雾的探测概率,而有望成为本质提高激光引信抗环境干扰的新方法。