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1、第 48 卷 第 1 期 激 光 与 红 外 Vol 48， No 1 2018 年 1 月 LASE INF A ED January， 2018 文章编号： 1001 5078（ 2018） 01 0018 06 激光应用技术 湍 流 下 目 标 散 射 回 波 时 域 起 伏 特 征 研 究 1 ， 1 ， 2 孙华燕 单聪淼 郑勇辉 （ 1 装备学院 北京， 101416； 2 卫星通信中心 北京， 100094） 摘 要： 为研究不同目标散射回波受大气影响的差异，以高斯光束为模型，利用 ytov 近似法和广 义 Huygens Fresnel 原理，推导得到了适用于不同目标的原路返回
2、处的场分布。进行了弱湍流下漫 反射面 角反射器和、 “猫眼 目标的高重频激光散射回波起伏探测实验 ” ，通过对实验数据的处理 分析，得到了同等条件下三种目标散射激光在时域上受大气影响的差异特征，并定性地分析了 产生此种差异可能的原因，为激光主动探测应用的目标分类识别提供了重要依据。 关键词： 高重频激光； 大气湍流； 回波起伏； 目标分类 中图分类号： TN249 文献标识码： A DOI： 10 3969 / j issn 1001 5078 2018 01 003 esearch on time domain scintillation characteristics of target
3、scattering echo signals in atmospheric turbulence 1 1 2 SUNHua yan ， SHAN Cong miao ， ZHENG Yong hui （ 1 Academy of Equipment， Beijing 101416， China ； 2 Satellite Communication Center， Beijing 100094， China） Abstract： In order to study the different influences of the atmospheric turbulence on target
4、 scattering echo signals， based on the Gauss beam model， the field distribution of the return path for the different targets are derived by the y- tov method and the generalized Huygens Fresnel principle The scintillation of the echo signals is detected for the high repetition rate laser scattered b
5、y diffuse surface， retro reflectors and thecat eyetargets in weak atmos- pheric turbulence By processing the experimental data， the influence differences of atmospheric turbulence on three target scattering echo signals under the same circumstance was obtained The possible reasons for these features
6、 are qualitatively analyzed All these results provide an important basis for the target classification and recognition in the application of laser active detecting systems Key words： high repetition rate laser； atmospheric turbulence； echo signal scintillation； target classification 1 引 言 分 ，然而在实际应用
7、中光学目标由于受口径、激 ， ， 大气湍流效应是对激光主动探测系统进行远场 光入射角等影响 “ ” 、 其回波能量特征 有时并不明显 侦察探测与目标识别作业时探测激光大气传输最主 1 3 猫眼 目标 角反射器等光学目标的分类识别也无 要的非线性影响因素之一 ，光学目标与漫反射 法单纯依靠回波能量作出判决，新的目标分类依据 体相比具有较强的激光原路返回特性，利用回波能 有待研究。 7 9 ， 量 的 差 异 可 以 对 漫 反 射 体 和 光 学 目 标 进 行 区 基金项目： 国家自然科学基金项目（ No 61302183） 资助。 现有理论和实验研究表明 在相同的湍流 作者简介： 孙华燕（
8、1963 ） ，女，博士，教授，主要从事光电信息处理与对抗研究。 E mail： shy221528 vip sina com 收稿日期： 2017 05 23 4 6 激 光 与 红 外 ， No 1 2018 孙华燕等 湍流下目标散射回波时域起伏特征研究 e 19 大气条件下 。 不同目标激光散射回波的起伏特性是 E1 x1， y1 ，L = iL E 0 x0， y0 ，0 exp 有差异的 回波起伏的统计特性与目标的散射特性 ik 2 2 有关，某些散射体能放大光波形变，而另一些则对光 波形变有补偿作用。因此，研究一定湍流条件下特 2L x 1 x 0 + y 1 y 0 exp +
9、iS dx0 dy 0 定目标的激光散射回波起伏特性，建立回波起伏与 目标散射特性间的映射关系，对于激光主动探测来 式中 ， exp + iS 为湍流介质相位因子 ，利用 （ 2） ytov 说是很有意义的。 为研究不同目标激光散 射回波在弱湍流 影响 下的差异，以高斯 光束为模 型，利用 ytov 近似 法 和广义 Huygens Fresnel 原理，推导得到了适用于 不同目标的原路返回处的场分布。采用高 重频激 光系统对一定距离处 的漫反 射体、 “猫眼 ”目标 和 角反射器 做了回 波探测 实验，测得 回波的 时间 起 伏信息，通过数据处理与分析，得到了回波 的起伏 特征，并对不同目标
10、的特征差异 进行了比较分析。 得到的结果为激光主动探测应用的目标分类 识别 提供了重要依 据。 2 理论分析 针对湍流下目标散射回波时域起伏特征进行研 究，需要先对湍流环境下不同目标的散射回波的光 强分布进行推导分析。图 1 为大气湍流中高斯光束 的双程传输模型。将此传输过程分解为三个变换过 程： 入射传输过程、目标反射过程及反射传输过程。 0 度， L0 为湍流外尺度。 图 1 大气湍流中高斯光束的双程传输模型 Fig 1 Two way transmission model of Gauss beam in atmospheric turbulence 激光发射系统处的高斯光束的场 分布为
11、 ： 0 （ 1） 0 0 和波束半径。 利用 ytov 近似法和广义 Huygens Fresnel 原 理，可以得到高斯光束在大气湍流中传输到距离为 L 处的场分布为： 近似法可以得到相位因子的二次近似的相位结构函 0 波水平传输时可以表示为 ： 0 n 高斯光束在大气湍流中传输距离 L 到达有限口 径的目标处时，由于目标内部光程远小于传输距离， 故可将光束在目标内部的传输视为真空传输，利用 广义 Huygens Fresnel 衍射原理，可以得到 高斯光 束从目标反射的场分布为： 2L x2 ， y2 x1 ， y1 此函数与目标性质有关。 再次利用 ytov 近似法和广 义 Huyge
12、ns Fres- nel 衍射原理，则原路返回的高斯光束在接收平面处 的场分布为： 3 3 2L 3 2 3 2 式（ 5） 描述了高斯光束在大气湍流中经过目标 的双程传输过程，采用高斯光束进行模型建立是为 了使分析具有一般性。由于不同目标的孔径滤波函 数不同 在具体分析时只需要将对应目标的孔径滤， 波函数代入即可。 图 2 为由式（ 5） 得到的 Cn = 10 m 时猫眼 目标、漫反射目标和角反射器的回波归一化起伏标 准差。可以看出漫反射目标的回波起伏标准差明显 低于猫眼目标和角反射器，且随着目标尺寸的增大， 三种目标的回波归一 化起伏标准差都有所下降，其 中猫眼目标的下降速度最快。 ik
13、L ， l 10 1 ik E = exp x ， y ， 0 x + y 0 0 2 0 0 ， F 1 x + y 20 激 光 与 红 外 和谱分析 ，提取不同目标的回波特征 。 第 48 卷 4 实验结果与分析 通过对实验数 据的分析 ，得到了漫 反射面 、猫 图 2 不同目标的回波归一化标准差 眼、 角反射器之间的回波起伏差异。 4 1 漫反射面与光学目标回波起伏差异与分析 除去回波能量大小的明显差异外，漫反射面与 光学目标的回波差异主要表现为回波起伏强度的差 异，对回波数据做归一化处理，求得漫反射面与不同 口径的猫眼和角反射器回波起伏 标准差如表 1 所 示，可以看出漫反射面的回波
14、起伏标准差明显低于 3 Fig 2 Normalized standard deviation of different targets echo 湍流下目标回波采集实验方案 光学目标。 另外 ，由表 1 还可以得出 ， ，目标的口径对 ， 回波采集实验示意图如图 3 所示，用高重频激 回波起伏影响也是存在的 小，回波起伏越强。 整体来讲 目标口径 越 光系统在夜间、大气微扰动条件下对1 km 外的漫反 射面、 “猫眼 ”目标以及角反射器做连 续探测，其中 表 1 漫反射面与光学目标回波归一化起伏标准差 系统指 标 ： 激 光 器输 出 波长 为 532 nm，发 散 角 6 Tab 1 No
15、rmalized difference standard deviation of diffuse reflection surface and optical target echo mrad，重复频率为 10 kHz，功率为 40 W，脉宽为 90 ns， PMT 响应波长 185 900 nm，阴极灵敏度 74 mV / W， PMT 后面接 500 MHz 采样率量程可调的 8 位高 目标 组数 漫反 射面 35 mm 角反射器 30 mm 猫眼 25 mm 110 mm 80 mm 50 mm 速数字采集卡，对回波数据做采集和存储。回波采 集的软件操作界面如图 4 所示。 1 2 3
16、 4 平均 0 0229 0 0391 0 0282 0 0281 0 0296 0 1566 0 1087 0 1077 0 1647 0 1344 0 3034 0 1848 0 2076 0 1844 0 2200 0 3357 0 2797 0 2627 0 2568 0 2837 0 1603 0 1947 0 3473 0 2186 0 2402 0 1877 0 1435 0 1635 0 2651 0 1956 0 2065 0 2048 0 1795 0 2012 0 2512 图 3 目标回波起伏特征实验示意图 根据激光波束在湍流大气中的传输理论，在近 距离、弱湍流条件下，
17、激光闪烁的对数强度方差可表 示为： Ln = C0 Cn K0 r （ 6） Fig 3 Schematic diagram of target echo fluctuation 式中 ， C 0 是与光束相关的系数 ，对于球面波束与平 面波束，C 0 分别取 0 496 和 1 24； r 是激光传输距离 2 ； K0 为与湍流外尺度对应的空间波数； C n 为大气折 图 4 回波采集软件界面 射率结构常 数。 漫反射回波可近似为球面波，光学目标散射回 波因其具有较好的原路返回特性可认为是平面波， 由式（ 6） 知，相同条件下的漫反射回波起伏 标准差 应小于光学目标的回波起伏标准差，另外，现
18、有理论 表明，闪烁效应激光的调制作用与激光源的发射口 图 4 Fig 4 Echo acquisition software interface 中所示的数据即为实验中获取的连续多个 ， ， 径有光 通常大的 发射口径光学天线有较小的调制， 度，因此，目标口径对返程回波的闪烁影响可由此理 脉冲的起伏信息 提取这些脉冲的峰值 ， 得到了连续 论进行分析 ，同等条件下口径大的目标回波起伏强 多个脉冲的峰值序列 该信息便反映了激光受大气 2 2 7 /6 11/ 6 ， 度应弱于口径小的目标回波。 。 表 1 中的数据结果与 衰减影响的时域能量起伏 对连续峰值序列做时域 此分析是一致的 激 光 与
19、红 外 4 2 No 1 2018 孙华燕等 湍流下目标散射回波时域起伏特征研究 b 21 猫眼目标与角反射器回波起伏差异与分析 经 过归一化处理与功率谱估计，得到角反射器 = n = a P xx （ n） b a （ 7） 与后向散射角不同的两种 “猫眼 ”回波峰值起伏功 率谱如图 5 所示，可以看出，两者在高频段的数值存 在明显的差异， “猫眼 ”的平均谱值比角反射器的平 均谱值高约 5 dB，说明 “猫眼 ”回波的峰值起伏相比 于角反射有更多的细节信息。 取 a = 100， b = 1000，得到不同激光器输入电 流下的回波功率谱 值如图 6 所示 （ J： 角反射器， M： 大后向
20、散射角 “猫眼 ”， XM ： 小后 向散 射角 “猫 眼 ”） 。 图 6 不同输入电流下的回波功率谱 值 图 5 角反射器与猫眼回波峰值起伏功率谱 Fig 6 of echo power spectrum under different input current 研究回波起伏的高频信息，可以借助 于 “冻结 湍流 ”假设（ 又称 Taylor 假设） 进行分析，该 假设认 为，在光束传输的极短时间内，湍流折射率分布随时 间的变化可以忽略，因此，高频起伏信息可以认为是 探测系统稳定度的表征， “猫眼 ”散射的原路返回特 性弱于角反射器，因此系统的 “细微扰动 ”对 “猫眼 回波 ”的影响也
21、会强 于对角反射器的影响，反映到 频谱中则会表现为 “猫眼 ”回波起伏的高频 段谱值 高于角反射 器回波。 4 3 猫眼离焦量对回波起伏的影响 猫眼离焦 量 的大 小 反 映在 散 射 激光 上 即 为 后向 散射 角的 大小，在功 率谱 的低 频 段内，比较 后向散射角不 同的 两种 “猫眼 ”目标 回波 峰值 起 伏如图 7 所示，从左至 右分别 为激光 器输入 电流 为 16 A 、 17 A 、 18 A 时的四组 回波峰 值起伏 功率 谱图，其中 XM 系列曲线为小 后向散射 角 “猫眼 ” 回波功率谱， M 系 列 曲线 为大 后向 散射 角 “猫 眼 ”回 波功 率 谱，由 图
22、可 以 看 出，在 0 005 0 01 Hz 的 频 段 内，两 者 存 在 着 不 同 ，大 后 向 散 射 角 “猫眼 ”的功 率谱 在此 频段 内的 值小 于小 口径 猫 眼的 值，两 者一 般相 差几 至十 几分 贝，说 明 大后 向散射角 “猫 眼 ”回 波，也 即大 离 焦量 “猫 眼 ”回 Fig 5 Peak power spectrum of angular reflector and cat eye echo 为提取 此特征，定义参数： 波在此频段内 的起 伏强 度弱 于小 离焦 量 “猫 眼 ” 的回波峰值起伏。 22 激 光 与 红 外 ， 第 48 卷 影响的高频段
23、 “ ” 前面 所述 特征可 描述 为大 离焦 量 猫眼 的回波起伏受湍流影响的细节信息 弱于小 离焦量 “猫眼 ”。 研究表明，离 焦量 对回波 的影 响除 了发 散角 的不同之外，对回波光束的空间分布也有影 响，非 离焦情况下回 波具 有较好 的空间 相干性，有 离焦 量存在，空间相干性则会变弱，相干性好的光束能 够快速跟随大 气折 射率结 构常数 的变化 而化，而 相干性差的光 束不 同路径 上的干 涉效应 复杂，对 大气折射率结构常数的变化起到了 一定的时间平 滑作用，丢失掉湍流起伏的一些细节信息，也因此 有了如上特征。 图 8 猫眼回波 值分布图 5 结 论 Fig 8 The va
24、lue of the cat eye echo 图 7 角反射器与猫眼回波峰值起伏功率谱 通过湍流下目标高重频激光回波峰值起伏实验 和数据处理分析，得到了同等条件的弱湍流下 漫反 射面、角反射器和 “猫眼 ”目标的散射激光回波在时 域起伏上表现出的差异，并简单分析了产生此种差 异的可能原因，为激光主动探测系统的目标分类识 别提供了重要依据。 然而实际大气湍流对光束传播的影响较 为复 Fig 7 Echo peak fluctuation power spectrum of angular ， ， 定义参数： = 10 lg（ reflector and cat eye Pxx （ n） ） n
25、 = a （ b a） （ 8） 杂 不同大气条件 不同传输距离等因素对回波特征 影响的分析还有待研究。另外，光束在远距离、强湍 流条件下的传输规律将更为复杂，该条件下的回波 特征分析尚待进一步探索。 a 8 和 b 的值分别取为 。 0 005 和 0 01，得到 的值 参考文献 ： 如图 所示 4 2 ， 1 Alan M Whitman， Mark J Beran Two scale solution for 如 节的分析 回波起伏的高频谱值可以认 ， atmospheric scintillation from a point source J J Opt 为是系统稳定度的表征 ， 8
26、 ， 湍流的影响主要在回波的 SocAm A， 1993， 5（ 5） ： 735 737 低频段 由图 可知 离焦量特征所处频段位于湍 流 2 b Beran M J，Whitman AM Scintillationindexcalculation 激 光 与 红 外 No 1 2018 孙华燕等 湍流下目标散射回波时域起伏特征研究 23 using an altitude dependent structure constant J Appl 工程 ， 2012， 41（ 11） ： 2956 2960 Opt ， 1988， 27（ 11） ， 2178 2182 7 SHAN Cong
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