張鴻喜 趙世明

（中國人民解放軍91404部隊(duì)41分隊(duì) 秦皇島 066001）

1 引言

在裝備試驗(yàn)鑒定過程中，常采用分布交互式仿真系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)方案推演和裝備的作戰(zhàn)能力檢驗(yàn)。對于光電對抗分布交互式仿真系統(tǒng)的構(gòu)建，需要建立一個基于DIS、HLA或TENA等適用于多種光電對抗任務(wù)仿真需求的分布式仿真架構(gòu)，該架構(gòu)集成對抗雙方兵力、武器、戰(zhàn)術(shù)、戰(zhàn)場環(huán)境等各類模型［1～3］?；诜植冀换ナ椒抡嫦到y(tǒng)的應(yīng)用需求，實(shí)現(xiàn)上述各類模型功能及戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)指標(biāo)的仿真即可滿足系統(tǒng)仿真應(yīng)用需求。激光雷達(dá)傳感器作為光電對抗分布交互式仿真系統(tǒng)的重要組成部分，其建模和仿真方法研究不可或缺。本文從一般意義上研究激光雷達(dá)傳感器的功能仿真方法，主要研究分布交互式仿真系統(tǒng)中基于激光雷達(dá)傳感器原理的激光尋的制導(dǎo)導(dǎo)引頭功能級建模與仿真，首先針對典型激光雷達(dá)傳感器，建立了參數(shù)描述模型，作為其仿真模型建立和仿真的基礎(chǔ)，而后，建立了激光雷達(dá)傳感器模型，重點(diǎn)研究了激光雷達(dá)信號門限值計(jì)算模型、目標(biāo)像素計(jì)算模型，以及目標(biāo)捕獲計(jì)算模型，最后給出了仿真運(yùn)行結(jié)果，得出了目標(biāo)捕獲概率計(jì)算一般性規(guī)律，表明該激光雷達(dá)傳感器模型可用于激光雷達(dá)導(dǎo)彈制導(dǎo)仿真應(yīng)用。

2 激光雷達(dá)傳感器參數(shù)描述

激光雷達(dá)傳感器模型建模時，為了逼真模擬激光雷達(dá)傳感器的性能，必須對激光雷達(dá)傳感器模型相關(guān)參數(shù)進(jìn)行描述，包括相應(yīng)目標(biāo)和大氣環(huán)境參數(shù)描述。

2.1 激光雷達(dá)傳感器參數(shù)

典型激光雷達(dá)模型參數(shù)包括了功率、脈沖功率、脈沖寬度、脈沖能量、波長、子脈沖數(shù)量、分辨率、脈沖重復(fù)頻率、波束散射以及接收機(jī)門限［4］。

典型激光雷達(dá)傳感器掃描參數(shù)和導(dǎo)彈彈道包括了導(dǎo)彈飛行高度、飛行速度、俯仰角、傾斜角、傾斜頻率［5］、偏航極限、偏航率，以及有效的光學(xué)系統(tǒng)水平和垂直視場。

2.2 目標(biāo)與環(huán)境參數(shù)

目標(biāo)由其物理形狀、大小以及反射系數(shù)進(jìn)行定義［6］；目標(biāo)類型和方位由激光雷達(dá)的瞄準(zhǔn)距離、下視角以及方位角決定。該模型也用于進(jìn)行目標(biāo)遮蔽仿真。

對于氣象條件，環(huán)境可由大氣透過率參數(shù)描述，大氣透射率是大氣能見度的函數(shù)，該模型也描述了由于戰(zhàn)場煙幕引起的戰(zhàn)場不可視情況［7］，包括雨、雪、霧以及敵方釋放的煙幕等因素。

3 激光雷達(dá)傳感器建模

3.1 激光雷達(dá)傳感器目標(biāo)捕獲過程設(shè)計(jì)

激光雷達(dá)傳感器模型的核心是捕獲模型，該模型負(fù)責(zé)計(jì)算傳感器的捕獲概率，捕獲概率是以上各參數(shù)的函數(shù)。目標(biāo)捕獲概率計(jì)算過程如下：

1）在氣象條件、射程以及目標(biāo)反射系數(shù)的基礎(chǔ)上，計(jì)算目標(biāo)信號門限值S/T。

2）如果信號門限值S/T大于1，目標(biāo)反射激光信號值將由目標(biāo)類型、方位、導(dǎo)彈射程以及激光雷達(dá)方位分辨率等參數(shù)計(jì)算。通過創(chuàng)建一個具有適當(dāng)分辨率和方位的目標(biāo)像素圖，可以計(jì)算出目標(biāo)的激光返回值，而目標(biāo)像素由目標(biāo)像素點(diǎn)求和計(jì)算。

3）根據(jù)捕獲概率-目標(biāo)像素實(shí)驗(yàn)曲線計(jì)算得到捕獲概率。仿真過程中所產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)與捕獲概率比較以確定目標(biāo)是否捕獲。

4）若目標(biāo)被捕獲，目標(biāo)信息記入目標(biāo)報(bào)告，經(jīng)任務(wù)管理器處理決定導(dǎo)彈是否攻擊以及何時攻擊。目標(biāo)信息包括目標(biāo)慣性位置和捕獲時間。

3.2 信號門限計(jì)算模型

激光返回信號門限值S/T通過以下公式計(jì)算［8］。

式中：Edes為激光束能量（焦耳）；ρ為目標(biāo)反射率（%）；Thrs為傳感器獲取目標(biāo)的圓形區(qū)能量門限值（焦耳/平方厘米）；Trs為煙幕以及能見度不高情況下的激光透射率（%）；Trm為純凈大氣環(huán)境情況下的激光透射率（%）；Rm為傳感器到目標(biāo)的距離（m）。

煙幕以及能見度不高情況下的激光透射率Trs是指定煙幕類型（定義了與波長相關(guān)的消光系數(shù)）和指定的濃度路徑長度（concentration-pathlength）的函數(shù)。

激光透射率是特定可視范圍的函數(shù)［9］：

式中：α1.06為1.06μm時的消光系數(shù)，計(jì)算公式為α1.06=0.73α1.16

v；αv為可視消光系數(shù)，計(jì)算公式為αv=3.912/vis。

其中，Vis為可視范圍。

當(dāng)S/T＜1時，捕獲概率=0.0

當(dāng)S/T＞1時，捕獲概率=f（POT），其中POT為目標(biāo)像素?cái)?shù)量。

3.3 目標(biāo)像素計(jì)算模型

捕獲模型的核心是根據(jù)S/T和目標(biāo)像素POT計(jì)算出目標(biāo)捕獲情況［10］。目標(biāo)像素的計(jì)算模型可以生成在適當(dāng)?shù)木嚯x、方位角和俯仰角觀察到的目標(biāo)像素圖，輸入數(shù)據(jù)包括像素分辨率、目標(biāo)類型、目標(biāo)距離以及方位角，輸出數(shù)據(jù)包括在特定距離和方位由激光雷達(dá)捕獲的目標(biāo)像素?cái)?shù)量。

激光雷達(dá)掃描到的任何目標(biāo)都將形成一個特定的表征區(qū)域［11］。典型激光雷達(dá)的分辨率為0.4毫弧度，可在大約1km處捕獲到目標(biāo)。激光雷達(dá)發(fā)射出的激光經(jīng)目標(biāo)反射后在1km處將擴(kuò)散至0.4m。因此，4m×4m的目標(biāo)板的分辨率為100個像素點(diǎn)。在激光雷達(dá)模型中，目標(biāo)像素是由垂直和水平軸上像素的數(shù)目、目標(biāo)距離以及激光雷達(dá)分辨率決定。

此外，目標(biāo)像素?cái)?shù)還與目標(biāo)與周圍環(huán)境的空間關(guān)系有關(guān)，目標(biāo)受地形及周邊目標(biāo)遮蔽導(dǎo)致激光雷達(dá)僅能觀察到部分目標(biāo)像素。

3.4 捕獲概率計(jì)算模型

捕獲概率是關(guān)于導(dǎo)彈自動目標(biāo)捕獲性能的函數(shù)。如果S/T大于1，可以假定有足夠的信噪比（S/N）。因此，目標(biāo)像素就成為增強(qiáng)系統(tǒng)性能的重要參數(shù)。如果目標(biāo)像素低，盡管潛在目標(biāo)被探測到的可能性很高，特別是相對比較平坦的地形條件，但目標(biāo)圖像中沒有足夠的距離信息，以至于不能對目標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。隨著目標(biāo)像素的增加，將可獲得更多的距離信息，以確定目標(biāo)的實(shí)際大小和形狀。因此，當(dāng)目標(biāo)像素較大時，捕獲概率將接近于1。

4 激光雷達(dá)傳感器仿真及分析

激光雷達(dá)傳感器仿真是要模擬出激光制導(dǎo)導(dǎo)彈捕獲目標(biāo)的全過程，其仿真過程假定目標(biāo)處于平坦的平原地形環(huán)境，導(dǎo)彈按照輸入的特定彈道飛行，當(dāng)達(dá)到適當(dāng)?shù)乃俣群透叨炔⑻幱谥本€水平飛行狀態(tài)時，激光雷達(dá)開始進(jìn)行目標(biāo)搜索［12］。當(dāng)激光雷達(dá)掃描到目標(biāo)時，開始計(jì)算捕獲概率，確定傳感器是否捕獲到目標(biāo)。傳感器探測到的目標(biāo)經(jīng)過處理后形成目標(biāo)航跡，輸出帶有探測時間標(biāo)志的目標(biāo)位置，送導(dǎo)彈制導(dǎo)模型處理，決定是否進(jìn)行攻擊以及何時進(jìn)行攻擊。

根據(jù)激光雷達(dá)仿真數(shù)據(jù)的分析，可以得出一條初步的規(guī)律，即當(dāng)目標(biāo)像素接近275時，捕獲概率將接近75%。一般認(rèn)為，成像系統(tǒng)的捕獲概率是與目標(biāo)關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的線對（line pairs）呈正態(tài)分布。由于圖像中的線由一排像素組成，所以線對與像素有著密切的關(guān)系，兩排像素將在水平或垂直方向上形成一個線對。如果一個信噪比高的圖像系統(tǒng)在一個接近正方形形狀的目標(biāo)上分辨出4個線對，那么它將分辨出8條線和64個像素點(diǎn)。根據(jù)這個邏輯，275個像素點(diǎn)大約相當(dāng)于8.3個線對。圖1描述了線對函數(shù)的概率曲線，當(dāng)捕獲概率為50%時大概需要6.5個線對，當(dāng)捕獲概率達(dá)到75%時大概需要8.3個線對。圖2描述了捕獲概率和目標(biāo)像素的函數(shù)曲線，該捕獲概率曲線現(xiàn)用于激光雷達(dá)模型。

圖1 目標(biāo)捕獲概率與線對的曲線

圖2 目標(biāo)捕獲概率與目標(biāo)像素的曲線

5 結(jié)語

針對分布交互式光電對抗仿真應(yīng)用需求，本文重點(diǎn)研究了激光雷達(dá)傳感器功能級仿真模型，核心是建立了激光雷達(dá)捕獲目標(biāo)概率計(jì)算模型，并相應(yīng)建立了該激光雷達(dá)傳感器模型參數(shù)描述，目標(biāo)信號門限計(jì)算模型以及目標(biāo)像素計(jì)算模型，最后根據(jù)仿真運(yùn)行結(jié)果，給出了激光雷達(dá)模擬器模型應(yīng)用一般規(guī)律，并應(yīng)用于分布交互式光電對抗仿真系統(tǒng)中。本文激光雷達(dá)傳感器仿真模型計(jì)算過程假定激光雷達(dá)是在在低雜波環(huán)境運(yùn)行。下一步工作將建立更為逼真模型和仿真算法，進(jìn)一步研究雜波信號對自動目標(biāo)識別性能的影響。