飞机激光雷达散射截面测量技术研究

摘要：激光雷达散射截面（LRCS）对目标探测、识别和伪装等具有重要的意义。本文依据激光雷达散射截面（LRCS）测量原理，结合飞机外形特征和测试需求，设计了一套新的测试系统，提出了一种新的测量方法及数据处理方法。通过对某型飞机的实际测量，结果表明本文提出的新的测量方法和数据补偿方法对飞机的激光雷达散射界面具有很好的测量效果，为后续的外场目标LRCS测量提供了新的方法和思路。

关键词：激光雷达散射界面 伪装 测量精度 补偿

中图分类号：TN953 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）04-0102-02

激光雷达散射截面（LRCS）是目标激光散射特性的一个重要参数，它能够全面反映激光波长、目标材料及粗糙度、目标几何结构形状等各种因素对目标激光散射特性的影响。研究LRCS测量对目标特征提取、目标识别、激光雷达作用距离估算，以及建立目标激光雷达散射特性数据库等具有重要意义[1]。对外场目标的LRCS测量通常采用比对测量法，而目前还较难客观准确的检测这种方法的LRCS测量精度。本文在LRCS测量原理及方法、影响LRCS测量精度的主要因素、后续数据处理分析的基础上，针对飞机的外形特征，提出了一种对发射激光束整形的方法，并提出对不规则目标的LRCS参数测量数据进行补偿。

1 LRCS测量原理与方法

2 测试系统及测试流程

2.1 测试系统

激光测量系统一般由激光发射系统、散射光探测系统以及测量控制与信息采集处理系统组成。通过探测来自目标散射的激光功率，获得目标的有关特征信息。测试系统的结构框图如图1所示。

本实验采用比对法测试飞机的LRCS，首先在目标位置处放置一块标准板，标准板的中心高度与飞机机头的高度一致，测量“标准板”的回波光功率，接着再测量目标的回波光功率，然后计算出目标的实际LRCS。使用的“标准板”是一块2.4m×1.8m的漫反射屏，没有标定它的LRCS值，因此测量所得结果是相对于这块“标准板”的相对LRCS。

依据LRCS测量原理，比对测量需要保证相同的入射和探测条件，其中包括相同的激光束散角。在大多数目标LRCS的实际测量中，待测目标与标准板尺寸并不相同。当测量尺寸较小的标准板时，由于照射光斑面积较大，光束不仅完全覆盖了标准板，而且还照射到标准板周围的背景上，经散射后进入探测系统，造成对标准板散射回波信号的干扰[3]。本文进行的试验是在平坦、开阔、无遮挡物的机场进行的，场区中无激光干扰物。这种情况下影响LRCS测量结果的因素主要来自于目标附近的地面发射、散射及测量背景和系统噪声的变化。

为了消除地面反射、散射造成的误差，减少二次散射，提高了激光器光源的利用率，使激光器发出的光束尽可能多的照射到飞机上，对光束进行修形。

2.2 测试流程

首先选定试验作业区域（要求开阔、无遮挡），标定区域中心位置，并以目标中心和测量系统连线为基准。测量时以机头对准发射系统为0°，顺时针旋转飞机至机尾对准测量系统时为180°。在中心位置放置标准板，并使其法线在0°方向，测量回波信号。将飞机拖至中心位置分别在各方位角测量回波信号。

试验步骤和过程如下：

（1）按规定准备好测量设备；

（2）探测系统对准目标方向，测量背景信号，并记录；

（3）在目标位置放置标准板，使标准板的法线指向发射测量系统方向；

（4）调整发射激光束偏转镜，使得绿色指示器光斑落在标准板中心；

（5）调整接收探测系统方位，使其指示光斑指向标准板中心；

（6）记录标准板回波信号电压Vd；

（7）撤离标准板，拖飞机至预定地点，摆好方位；

（8）调整发射系统激光束偏转镜，使绿色指示光斑落在飞机投影中心；

（9）记录飞机回波信号电压Vs；

（10）关断激光输出，调整飞机至另一角度；

（11）重复（8）～（9），测量另一角度的飞机回波信号电压；

（12）整个实验结束前，再做一次2）步骤，监测背景变化。

3 数据修正方法

数据修正主要包括原始信号的背景扣除[4]和对光束的高斯补偿两个方面。

3.1 背景扣除

3.2 高斯补偿

4 试验结果分析

对于二维的实际目标，A因子应取平方。在本次测量中，k大约为2，此时A=1.37，因此需对测量数据加以补偿。由于标准板尺寸不大，可以认为均匀照射，无需补偿。因此应对测量结果乘以1.372。

本文根据外场试验和被测飞机的外形布局特点，制定了详细的测试方案。试验结果表明：（1）目标的LRCS特性受目标的表面材料、粗糙程度以及轮廓形状而发生变化；（2）在不同角度对飞机照射时，由机轮廓形状起伏的变化，导致测试的结果随飞机方位的变化而发生变化，从0°向180°旋转时，表现出由小变大，再由大变小的过程；（3）在90°时，由机有大面积的光滑曲面，导致该角度下的激光回波并不是最大。

5 结词

LRCS对于评估战机设计、制造水平，对于研制预警、激光跟踪雷达系统，对于主动制导武器系统的设计制造都是重要的基础数据。本文设计的新的测试系统采用非对称光束整形技术对发射激光束整形，使照射目标的光斑呈椭圆状，不仅提高了激光功率的利用率，而且大大降低了地面散射对测量结果造成的不利干扰。在后期数据处理分析时提出对非均匀光斑照射目标的补偿方法，对不规则目标的LRCS参数测量数据进行补偿。通过外场对某型飞机的实测试验，本文提出的测量方法对外场目标的LRCS测量效果非常好，为后续的外场目标LRCS测量提供了新的方法和思路。

参考文献

[1]曲卫东，薛建国，薛挺，王娟锋.激光雷达散射截面的比对测量法及其精度检测[J].电子信息靶场，2010.

[2]桑振夏，李钟敏，杨晓杰.大气衰减对LRCS测量精度的影响研究[J].光学仪器，2011.

[3]包学志，高卫，贾养育，吕鸿鹏.背景散射对LRCS测量精度的影响分析[J].应用光学，2008.

[4]孙鹏举，高卫，汪岳峰.目标激光雷达散射界面的计算方法及应用研究[J].红外与激光工程，2006.