复杂目标激光近场散射的工程应用仿真研究

论文摘要

粗糙表面目标的激光散射特性研究在军事领域具有重要的应用价值。本文较系统地研究了粗糙表面双向反射分布函数的建模理论以及针对武器系统的目标激光散射特性的数字仿真技术,主要工作及取得的成果如下：1.从电磁场的波动方程出发导出了散射场的积分公式及边界积分方程,以此为依据说明各种粗糙面散射的基本方法和适用范围以及它们之间的相互关系。在对随机分布粒子涂层介质中的光散射研究中,采用一阶多重散射近似对含反射基底的涂层光散射进行了理论计算分析。2.从粗糙表面光散射的理论出发,导出了双向反射分布函数三参数统计模型表达式,根据试验结果,进一步对三参数统计模型进行了修正,得到了更为精确的五参数模型。从激光制导炸弹和激光近炸引信武器系统的角度,对其攻击目标如舰船、桥梁、坦克、固定翼飞机等目标表面材料的双向反射分布函数进行了测试。并从测试结果优化出三类目标材料的五参数统计模型。3.介绍了远轴高斯波束和波前分割概念。讨论了应用高斯波束理论计算粗糙表面对激光引信波束散射的方法,提出了计算电大尺寸目标时的自适应算法并进行了理论推导。可有效地提高计算效率。4.研究了目标几何模型的建模方法,采用两类平面和通用曲面表达式提出了适合于型号应用的几何模型建模方法。建立了坦克、飞机、舰船等目标的几何模型。5.采用平面波谱展开法和物理光学近似,从理论上推导出傍轴高斯波束对任意形状电大尺寸粗糙物体的相干与非相干雷达散射截面理论计算公式。研究了目标对周视激光近炸引信的反射信号计算方法。对某型固定翼飞机在不同脱靶量和脱靶方位时激光引信各探测通道的反射信号进行了计算和详细分析,作为对比,同时计算了巡航导弹典型弹目交会条件下引信的探测信号。仿真计算还分析了引信探测系统前倾角的变化对引战配合的影响。根据仿真计算结果,提出激光近炸引信的各参数设计。6.根据激光雷达方程推导了双站激光雷达反射能量的表达式。在研究复杂目标对半主动激光制导武器系统的反射信号中,将描述平面目标双向反射分布函数的概念推广到了复杂目标,提出了等效双向反射分布函数的概念。应用此概念,导出了计算目标空间激光散射能力的表达式。以某型坦克为例,仿真计算了在不同照射条件下目标的二次辐射亮度分布,通过对仿真结果的讨论得出了有价值的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 激光技术在军事领域的重要应用
• 1.1.1 激光引信
• 1.1.2 激光制导武器
• 1.1.3 激光雷达
• 1.2 激光近场散射特性建模仿真的军事需求背景
• 1.3 国内外研究现状分析
• 1.4 本论文的内容介绍及创新点
• 1.4.1 本文内容安排
• 1.4.2 本文创新点
• 第二章 粗糙面散射的基本理论
• 2.1 矢量场的积分公式
• 2.1.1 Stratton-Chu公式
• 2.1.2 远区散射场和散射截面
• 2.2 边界场的积分方程
• 2.3 二维散射问题
• 2.3.1 散射场积分公式
• 2.3.2 等效面电、磁流积分方程
• 2.4 粗糙面散射的基本方法
• 第三章 随机分布粒子涂层介质中的光散射
• 3.1 辐射输运理论
• 3.1.1 辐射输运方程及其边界条件
• 3.1.2 稀疏介质的近似解（一级多次散射近似）
• 3.1.3 漫射近似
• 3.2 多通量理论
• 3.2.1 二通量理论
• 3.2.2 四通量理论
• 3.3 涂层光散射基础理论
• 3.3.1 涂层结构参量
• 3.3.2 散射截面和双向反射分布函数
• 3.3.3 反射率和透射率
• 3.3.4 方向发射率
• 第四章 双向反射分布函数参数化模型及工程应用研究
• 4.1 概述
• 4.2 粗糙表面的光散射理论
• 4.3 遮蔽函数
• 4.4 BRDF的三参数和五参数模型
• 4.5 双向反射分布函数的数据采集
• 4.5.1 测试方法
• 4.5.2 测试系统
• 4.6 目标表面材料样片BRDF模型的参数优化
• 4.7 BRDF参数模型的优化结果
• 第五章 激光近场散射理论与自适应算法
• 5.1 远轴高斯波束和波前分割概念
• 5.1.1 远轴高斯波束
• 5.1.2 波前分割概念
• 5.2 粗糙平面对激光引信波束散射特性
• 5.2.1 防空导弹激光近炸引信
• 5.2.2 波束模型
• 5.2.3 面元散射功率方程
• 5.2.4 平板目标接收功率计算
• 5.2.5 小目标
• 5.3 复杂目标光散射的自适应算法
• 第六章 应用于工程化仿真的目标3D建模技术
• 6.1 目标基本单元的分类
• 6.2 几何建模结果
• 第七章 激光近炸引信弹目交会信号的建模仿真
• 7.1 弹目相对运动轨迹
• 7.2 随机粗糙介质表面高斯波束散射场
• 7.3 相干散射强度和相干散射系数
• 7.4 非相干散射强度和非相干散射系数
• 7.5 激光引信探测系统目标反射信号的数字仿真方法
• 7.6 典型交会条件下周视激光近炸引信的反射信号仿真及分析
• 7.6.1 仿真结果对系统参数的选择
• 7.6.2 典型交会条件下的仿真分析
• 第八章 BRDF等效模型在制导武器仿真中的应用研究
• 8.1 激光雷达方程
• 8.2 半主动激光制导系统组成及其关键技术
• 8.3 半主动激光导引武器目标特性仿真的等效BRDF模型
• 8.4 目标反射信号的计算
• 8.5 仿真结果及分析
• 结束语
• 附录A 某固定翼飞机的3D模型数据表
• 致谢
• 参考文献
• 作者在攻读博士期间完成的科研项目及发表的论文