基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算制造技术

本发明专利技术公开了一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型，采用3D Max进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；对激光波束在其横截面上，波束分解，在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。本发明专利技术的有益效果是计算目标近场回波信号精度高，反应速度快。

【技术实现步骤摘要】
基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法
本专利技术属于复杂目标激光回波检测与分析领域，涉及基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法。
技术介绍
由于激光方向性强、光束窄，无副瓣，抗干扰等方面均优于无线电引信等特点，其在激光引信中得到了重要应用。目标的光散射特性对主动式激光引信的研制具有重要参考意义。不同目标具有不同的反射特性，同一目标不同部位也具有不同的反射特性，对同种材料，表面形状和表面状态不同，反射特性也具有较大差别，这就引起主动式光引信作用距离的离散性。对低反射率的目标，要满足一定的作用距离，就需要增加发射功率。这就要求对引信目标回波作系统仿真，通过输入虚拟引信、目标及所处背景环境，构建任意条件下动态弹目交会虚拟试验。动态弹目交会虚拟试验能够模拟引信系统和弹目交会段目标的激光回波信号，评估引信系统探测和识别目标、抗干扰能力、炸点控制技术方案是否科学合理的基础数据，同时也能够促进硬件系统的改进和算法的优化。英国EMI公司、法国Thomson-ESF公司成功地用仿真系统进行了“海标枪”导弹、TB-40近炸引信的引战配合效率计算，瑞典Ericsson公司、俄罗斯莫斯科保尔曼科技大学研制的近炸引信仿真系统包括脉冲调制、连续多普勒体制，三维目标回波计算软件，干扰模型、地面、海面反射信号计算软件，并建有大量实测数据的数据库。但是目前无线电引信计算目标近场回波信号中精度低，反应速度慢。现有技术中，有用平面和二次曲面(柱面、锥面和椭球面)单元来逼近目标表面,建立目标几何模型,并假设发射信号为连续平面波，进行回波仿真计算。其存在以下缺点：1)目标建模时，采取的二次曲面技术，该技术进行复杂目标建模时，时间成本极高，一个复杂模型需要熟练人员上月时间。2)该计算方法假设引信发射功率Pt为常数，在时间与空间上无差别。这与真实情况不符，(引信发射信号为脉冲波束，具有空间与时间分布)计算的结果误差较大。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法，解决了现有的无线电引信计算目标近场回波信号中精度低，反应速度慢的问题。为激光引信动态目标近场回波信号仿真，目标激光探测、识别、引信系统技战指标评估提供技术支撑。本专利技术基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法，按照以下步骤进行：步骤1：首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型：原点Om在激光引信波束口面中心；Xm轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Ym轴：与发射波束光轴重合，垂直Xm轴，向上为正；Zm轴：按右手法则定义；激光引信发射场模型：其中W0和F0分别是激光的初始波束半径和焦距。P(t)是脉冲激光功率的时间调制：其中，P为发射功率，P0为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t0时刻对应着脉冲的峰值功率；步骤2：目标几何建模；采用3DMax进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；步骤3：对激光波束在其横截面上，进行波束分解：在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；步骤4：进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。进一步，所述步骤4中，计算每个小波束的回波功率的前提条件：1)波束与目标的所有面元不相交。该情况下，此小波束回波功率为零；2)波束与目标某面元相交，且波束位于三角形面元内。直接计算该波束的回波功率；3)波束范围大于面元，则对波束进一步细分，直到满足2)。进一步，所述步骤4中，小波束回波功率计算方法：表面小面元上，入射光源方向为探测器的观测方向为其中θ,φ分别代表天顶角和方位角，Z代表粗糙表面平均平面的法线方向，P点为目标上一点，P′点为探测器上一点，dA为小波束在目标面元上的投影面积，dA'为探测器微分面元面积，小太阳表示激光脉冲波束入射方向，假设入射照度为Ei(t,x,y,z)，其为时间和空间的函数，则散射方向的亮度表示为：其中，表示p点以方向入射，方向出射的双向反射分布函数BRDF，其中，表示以方向入射，表示以方向出射，将(2)、(3)式代入，得：由于探测器孔径一般较小，整体看作是面元dA′，那么接收孔径接收的通量为：sm是面元dA的面积，Ω为探测器孔径对P点所张的立体角：接收的总功率为所有小波束回波功率的求和，考虑到时间函数得：Φ＝∑φm(t-t′)(10)设定参考平面为z＝0，则t′＝2L/c为激光脉冲在发射与参考平面间的往返时间。本专利技术的有益效果是：采用3dMax等建模工具获得基于三角面元的模型，比较容易操作，时间成本低；建立了激光引信发射模型，给出引信发射场的时空特性，并利用横向和纵向的空间划分，来计算这种具有时空分布的引信场的回波特性，更贴近实际情况，计算目标近场回波信号精度高，反应速度快；详细公开了局部照射、波束分解以及回波计算的操作步骤，操作性强，容易实施。附图说明图1是导弹与目标几何位置交会示意图；图2是弹体引信分布示意图；图3是目标几何模型和材料设置文件示意图；图4是激光波束分解示意图；图5是小面元坐标系内入射和散射角示意图；图6是回波功率计算示意图；图7是微粗糙铝材料的BRDF；图8a)是脱靶量为5m的回波功率包络图；图8b)是脱靶量为7m的回波功率包络图；图9a)是φm:45°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°条件的回波功率包络图；图9b)是φm:60°ρ:7mα:180°β:0°γ:0°条件的回波功率包络图。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。导弹引信由收发一体的系统组成，发射一定宽度的脉冲信号。在导弹与目标交会过程中，当发射信号照射到目标上，经目标散射的激光信号被接收器接收，形成接收功率信号。该信号可作为导弹引爆的判据之一。本专利技术提供了一种基于波束分解和局部照射的弹目交会过程中激光引信近场回波功率的计算方法，可用来仿真计算不同情况下激光引信的回波功率，可应用于引信的辅助设计。本专利技术利用波束分解方法，把宽波束分解为一系列小波束，利用射线理论判断小波束与目标是否相交，计算每个小波束的回波功率，最后将每个小波束的回波功率进行叠加，获得激光波束的近场回波功率。本专利技术建立了激光脉冲波束的时空模型；对复杂目标进行几何建模和面元划分；对激光脉冲波束进行波束分解，利用射线理论判断小波束与目标的相交情况；根据小波束与目标面元几何关系的三种情况，结合目标表面材料激光BRDF模型，计算每个小波束的回波功率；最后叠加所有小波束的回波功率，获得弹目交汇过程中激光近场回波功率的时间序列。在本专利技术中，目标在光波波段，不能被当成理想导体，也不再是光滑表面，目标表面的光学散射特性由材料的BRDF所决定(材料BRDF的确定在该领域为成熟技术)。本专利技术具体步骤如下：1.建立弹目交汇中的相对速度坐标系：设导弹相对与目标的速度为定义相对速度坐标系：如图1所示，原点ORT在目标的几何中心；XRT轴为与弹体相对目标运动的相对运动速度方向一致；YRT轴在包含XRT轴的纵对称平面内，垂直于XRT轴，向上为正方向；ZRT轴可以按右本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1：首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型：原点Om在激光引信波束口面中心；Xm轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Ym轴：与发射波束光轴重合，垂直Xm轴，向上为正；Zm轴：按右手法则定义；激光引信发射场模型：U(0,rm)=2P(t)πexp[-rm2W02-ikrm2F0],rm=xm2+ym2---(2)]]>其中W0和F0分别是激光的初始波束半径和焦距，P(t)是脉冲激光功率的时间调制：P(t)=P0exp[-4π(t-t0)2τ2]---(3)]]>其中，P为发射功率，P0为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t0时刻对应着脉冲的峰值功率；步骤2：目标几何建模；采用3D Max进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；步骤3：对激光波束在其横截面上，进行波束分解：在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；步骤4：进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。...

【技术特征摘要】
1.一种基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法，其特征在于，按照以下步骤进行：步骤1：首先建立引信坐标系和激光引信发射场模型：原点Om在激光引信波束口面中心；Xm轴：沿弹体纵轴，指向弹头为正；Ym轴：与发射波束光轴重合，垂直Xm轴，向上为正；Zm轴：按右手法则定义；激光引信发射场模型：其中W0和F0分别是激光的初始波束半径和焦距，P(t)是脉冲激光功率的时间调制：其中，P为发射功率，P0为峰值功率，τ为脉冲的半功率宽度，t0时刻对应着脉冲的峰值功率；步骤2：目标几何建模；采用3DMax进行几何建模，之后采用三角形网格方式对复杂目标表面进行表面网格划分，提取几何模型的三角面元顶点编号和顶点坐标信息；步骤3：对激光波束在其横截面上，进行波束分解：在激光波束横截面上，按等间隔划分网格，当网格足够小时，近似认为每个网格上的强度均匀的，利用网格中心点的强度来近似整个网格上的强度，在纵向上，采用传输距离来决定纵向衰减；步骤4：进行波束分解后，原激光波束被分解为许多小的波束，计算每个小波束的回波功率，最后叠加，获得引信的总体回波功率。2.按照权利要求1所述基于波束分解和局部照射的激光引信近场回波功率计算方法，其特征在于，所述步骤4中，计算每个小波束的回波功率的前提条...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹运华，吴振森，李海英，王利国，林嘉轩，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61