激光近距探测抗气溶胶干扰方法研究进展

现代战争的任务场景中，激光近距探测以其优越性能，发挥着越来越重要的作用。但是弥散在激光传输路径的气溶胶介质会对激光探测产生干扰[1]，使其探测性能急剧下降，无法准确对目标进行探测和识别。严重时可能会产生虚警[2-3]，使导弹早炸失效。特别是在对方有针对性的投放烟幕干扰弹时，极强的干扰严重影响探测系统的应用。因此研究激光近距探测抗气溶胶干扰的方法是很有应用价值的，对于复杂战场环境下武器系统的运用具有一定意义。

本研究简述了激光探测中气溶胶的情况，从探测体制、硬件改进、信号处理方法3个角度综述了常见的激光探测抗气溶胶干扰的方法，对以往的方法进行分析对比，讨论了激光探测抗气溶胶干扰的发展方向。

1 气溶胶后向散射干扰分析

气溶胶存在于地球的各个角落，对自然光和人造光产生散射作用。当光波长较长时，气溶胶的散射作用很小，有时可以忽略。但在可见光与近红外激光的波长范围内，气溶胶的粒子尺度与光波长相近，此时粒子发生瑞利散射和Mie散射，散射作用强，对激光应用效能影响很大。

当激光近距探测的路径上存在的气溶胶时，散射作用使激光有用信号衰减，后向散射干扰信号增大，导致探测性能降低。其中对近距探测影响最严重的就是后向散射干扰，当气溶胶较浓时，干扰达到一定程度，就会发生虚警，引起严重后果。特别是在对方有针对性的投放烟幕干扰弹时，极强的干扰严重影响探测系统的应用。因此，研究激光引信的抗气溶胶干扰方法是十分重要的。

2 基于多种探测体制的抗干扰

在激光直接探测领域，目前国内外较多采用脉冲测距体制。但传统的脉冲体制激光测距精度受环境影响较大，易受烟尘、云雾等气溶胶的干扰，导致测距性能下降，虚警概率提高。本节介绍了从体制上抗气溶胶干扰的方法。

2.1 双波长激光探测

目标反射率随激光波长的变化很小，而大气粒子的后向散射特性具有显著的波长选择性，双色激光引信的原理就是通过目标与大气粒子对两种不同波长激光回波信号散射强度比值的差异来识别干扰。

双色探测技术已经应用到了导弹的制导系统，美国尾刺和法国西北风导弹均采用紫外和红外双色制导体制，国内研制单位也已经研制出紫外和红外双色激光共轴引信样机，并进行了探测性能和抗干扰试验。试验表明，在多种气溶胶环境下，紫外激光的后向散射光能量明显高于红外激光，散射比值基本维持在2.3～3.5，可以很明显的与目标反射信号区分开。

2.2 激光无线电复合探测

激光引信抗电磁干扰能力强，几乎不受有源干扰的影响，但易受到云雾烟尘等气溶胶的散射和吸收作用。传统的无线电引信对云雾烟尘等气溶胶具有较强的穿透性，但比较容易受到电磁干扰。如果将激光引信与无线电引信结合起来运用，就可以实现高精度定距和强抗干扰的优势结合。

付春[4]提出了一种激光与无线电复合探测的技术，两套系统独立运行、互不干扰。设系统探测距离为L的目标时，激光探测和无线电探测的结果分别为L1和L2，两套系统的精确度分别为δ1和δ2，则所测结果与真实距离的关系为

由式(1)、式(2)可知，正常工作时应满足

若两套系统都正常工作，距离取精度值较高的激光引信探测结果；当激光探测通道受到云层、烟尘和浓雾等干扰导致精度下降时，激光与无线电通道的距离差变大，超出式(3)范围，此时距离值取无线电引信的探测结果。

虽然原理简单易实现，但是这样就会导致结构复杂，体积、功耗倍增，尚不适合小型导弹；另外由于敌机自卫干扰的威胁，在弹目遭遇段，无线电引信首先被干扰的可能性更大。

2.3 成像引信技术

在与目标交会过程中，由于激光探测视场具有较强的方向性，因此可以获得被探测物体的二维、三维图像，并利用目标图像与云雾图像的差异来识别出目标和云雾。该体制通过阵列探测器扫描或无扫描成像，获取目标的三维图像，根据目标特征或者目标局部特征进行识别。不仅可以提高抗云雾干扰的能力，还可以精确的控制炸点，因此这种方法能力综合能力很强。但该方法对探测器的要求较高，目前国内技术还不成熟。

2.4 FMCW激光探测技术

调频连续波(Frequency modulated continuous wave,FMCW)激光探测技术利用线性调频射频副载波信号调制发射激光信号强度，信号处理子系统将接收到的信号与本振信号混频提取出差频信号，利用差频信号得到目标的距离信息。调频连续波激光探测可实现多目标探测，理论上只要能以足够高的频率分辨率分辨出相邻目标对应的谱线，就能将相邻目标分辨出来。

FMCW激光探测得到的目标距离是由发射和接收信号的差频信号频率计算得出，受回波信号幅值和时域波形畸变的影响较小，所以抗干扰能力强于脉冲激光引信。

FMCW激光探测体制比脉冲体制的优势：① 精度更高；② 抗背景光和人为光干扰能力更强；③ FMCW能分辨相邻目标，只要能以足够的频率分辨力分辨出相邻目标的谱线，就可以将目标回波和云雾回波区分开；④ 可以同时实现测距和测速。

3 基于硬件改进的抗干扰

为了提升抗干扰能力，改进硬件性能是一种常用的做法。这类方法可以取得很直观的效果，但有时成本较高。

3.1 高功率发射

当云雾等气溶胶粒子浓度较大时，散射和吸收作用较强，导致接收到的激光回波信号较弱，作用距离大幅减小。提高引信发射机功率可以提高回波强度，增大探测距离，但是当粒子后向散射较强时，较高的发射功率也带来较强的干扰回波。同时，该方法受限于引信的体积、功耗等约束。

3.2 窄脉冲发射

对于同样浓度的气溶胶，当发射脉冲较宽时，由多个粒子后向散射回波的脉冲会发生叠加，致使回波能量增强，而激光脉冲较窄时，这种叠加效应会大幅减小[5,6]。张京国[7]给出了云雾散射回波的波形、波峰位置、脉宽和峰值功率随发射脉宽的变化规律。图1为4种不同脉宽对应的后向散射回波时域曲线。仿真结果表明，回波峰值功率随发射脉宽的增大而增大，脉宽展宽程度随发射脉宽的增大而减弱。因此可以利用窄脉冲发射降低干扰回波的功率，降低虚警概率。

但是，该技术对激光器、驱动电路等硬件指标要求较高，在接收时还需要匹配超带宽放大器，其小型化设计存在一定困难[8]。

3.3 偏振探测

偏振光经过实体目标反射和云雾后向散射的偏振度存在较大差异。当线偏振光入射到粗糙度不高的金属目标表面时，反射回波的偏振度很高。当线偏振光入射到云雾等悬浮粒子时，由于多次散射有较强的消偏作用，导致散射光的偏振度相比金属目标回波的明显降低。试验表明，散射光的偏振度随散射次数的增加而迅速见效，粒子浓度越大，对偏振状态影响也越大。

偏振探测工程实现较为容易，只需要在发射和接收系统前加装偏振器件即可。偏振探测激光引信明显的优势是对抗近距浓雾、识别云雾中目标的能力都很强。但偏振探测接收到的信号衰减较严重，当浓度较大时，保持最初偏振态的光子数量大幅减少，接收器可能难以感应到这些光子。

偏振探测可以有效衰减干扰信号，在一定程度上抑制气溶胶后向散射干扰，但同时偏振器件也会对目标回波产生一定程度的衰减，进而影响系统的探测性能。

3.4 收发光束交叉探测

采用收发光束交叉探测方式，如图2所示，该方式只在接收视场内截取了发射光束的一段长度，照射距离相对缩短，所以对近距离气溶胶粒子的后向散射抑制作用比较明显。云雾回波信号主要由近距云雾产生，因此，可以通过调整收发间距和视场角、增大近距盲区，提高抗云雾干扰能力。

采用收发光束交叉探测方式时，应适当增大收发窗口间距，张京国[9]对该问题进行了详细研究。结果表明，随着收发间距的增大，介质散射回波的延时和展宽会增大，回波的功率会减小。

收发光束交叉探测的优点是对抗近距大气粒子干扰能力强、技术简单，是目前主要的技术手段之一。难点是发射和接收视场尖锐，不易调试[10]。缺点是收发窗口间距越大，探测盲区就越大，使引信脱靶量很小时探测导弹类小目标可能出现“漏测”目标的情形[11]。

3.5 云雾抑制与边缘增强复合探测技术

Gardner和Hardy[12]用相邻距离信号相减来抑制云雾杂波干扰和识别真实目标存在，消除了因气溶胶粒子所引起的虚警探测。

该方法如图3所示，由目标探测器(202位置)与辅助探测器(201,203位置)相邻布置，边缘视场紧密相连。目标探测器和辅助探测器的距离选通区域不同，目标较小时只会出现在一个区域中，而云雾弥散在多个区域中，因此利用相邻区域信号相减可以抵消云雾干扰。当目标较大时，可能占据多个探测器，因此该方法对较大目标探测能力有限。

4 基于信号处理方法的抗干扰

通过软件的信号处理方法实现抗干扰的方法很多，可以取得较好的效果，目前得到广泛应用。

4.1 多次测量结果求和

实际应用中的干扰是多样的，不仅仅有外部的有源、无源干扰，还有来自系统内部的噪声等干扰。为避免各种随机干扰对激光探测产生影响，在信号处理过程中，回波脉冲一般要积累数个才被判定是遭遇目标[13]。这种方法对随机的干扰比较有效，但没法解决持续的干扰。

4.2 回波时域特征判别

由于粒子的散射作用，云雾中的光子沿着不同的轨迹运动，不同光子在云雾中运动时长亦不相同，导致了云雾回波的一些特点。对比云雾与目标的回波波形，云雾回波有明显的时域特征，可利用回波脉冲在形状、宽度、上升沿和幅度等特征上区别进行目标和干扰识别。云雾回波和目标回波时域特征共有4点区别[5,11]：

1) 一般情况下，云雾回波脉冲宽度要大于目标回波脉冲宽度；

2) 云雾回波脉冲的上升沿相对平缓，而目标回波脉冲上升沿较陡；

3) 相同距离条件下，云雾回波功率通常小于目标回波功率；

4) 云雾回波脉冲类似于钟形脉冲，而目标回波脉冲与发射脉冲形状相近。

法国Thales公司[3]采用多扇形波束判别法识别云雾干扰，检测多个扇区回波信号的幅度变化率，将缓慢变化的信号判定为云雾干扰，并将其从回波中减去。若目标与云雾混合在一起，此方法可能将混合信号判别为云雾干扰信号，从而产生漏警。

当前装备中广泛应用这种方法进行判别，在理想情况下可以取得不错的效果。但是当目标形状复杂、目标材料反射率低、云雾浓度较大或者目标与云雾回波混叠时将难以识别。

4.3 改进门限法

传统的门限法仅根据回波幅值来判断是否为目标，但实际应用场合回波幅值起伏很大，如果考虑激光引信与目标交会的各种姿势，作用距离从1～7 m之间，回波信号强度差别最多达300倍[14]，因此使用固定的单门限很难保证探测性能。合理利用云雾回波的特性，采用改进的门限法可以更加准确的识别目标回波和云雾干扰回波，提高激光探测性能。

云雾后向散射信号总是连续变化，且变化幅度相对缓慢，引信在穿越云雾或在云雾中穿行时，云雾产生的后向散射信号增速将大大低于导弹、飞机等传统的硬目标反射信号增速。尤其是激光引信所发射的激光刚刚接触目标到完全接触目标的过程，是有效反射面积变化最为剧烈的阶段。郑洋[8]利用干扰信号的缓变性提出了双门限判别法。其中一个门限采用传统的阈值法对信号幅度(信噪比)进行判别，另一个门限则对信号增速进行判别。

目标及云雾回波张角和回波强度的特征具有以下规律：① 目标回波张角较小，云雾回波张角较大；② 云雾回波强度变化缓慢，而目标回波往往具有明显的变化趋势；③ 一般情况下相同距离处，云雾回波强度将显著小于实体目标。杨若愚[15]利用目标及云雾回波张角和回波强度的特征规律，设计了可调整的多重门限。

多门限方法分为三级可调的双重门限：① 正常工作模式，较低的云雾门限和目标门限，幅度大于云雾门限的回波张角小于120°；② 抗干扰工作模式，回波张角大于120°且超过云雾门限时启动该模式，抬高云雾门限和目标门限，在抬高后幅度大于云雾门限的回波张角小于120°；③ 小脱靶量工作模式，使用最高的门限作为判决门限，只要有回波超过该门限即认为目标存在。

4.4 自动增益控制

自动增益控制：通过设置增益控制电路，使探测器输出信号与一个随时间变化的增益相叠加。再结合距离门限技术，可以衰减云雾回波信号，并放大目标回波信号，有效地滤除近距散射和云雾回波干扰。原理如图4所示[14]。

4.5 小波分析

当目标回波与云雾回波混叠时，目标的峰值点会产生移动，一般的信号处理方法会严重降低精度，在激光探测应用时可能产生严重的后果。李新斌[16]采用小波卷积法对激光探测回波信号进行分析。该方法能够分离出相互重叠的2个脉冲信号，确定峰值的位置和峰值大小，如图5所示。根据激光后向散射理论，区分激光的后向散射回波和目标信号的反射回波，并将激光后向散射回波剔除，保留目标反射回波作为激光探测的数据进行处理，从而提高了激光抗云雾干扰的性能，能够有效提高激光探测抗云雾、雾霾等后向散射干扰。

4.6 时域滤波

时域滤波的原理是将有目标时回波信号与无目标时回波信号相运算，通过调整滤波器参数，使得回波中后向散射噪声部分相互对消，从而抑制了后向散射，突显了目标信号。

华中科技大学的程藻[17]运用基于自适应后向散射滤波技术的激光探测目标探测方法，提出了基于变遗忘因子最小二乘法的自适应滤波技术，研究了不同参数下的滤波效果，如图6所示。通过信号后向散射比(Signal-to-backscatter ratio,SBR)来评价滤波的效果，定量给出了后向散射抑制的效果。对比了信号处理前后的信号后向散射比SBR，证明该方法有效地抑制了后向散射。

4.7 频域处理

1) 脉冲体制激光探测的频域处理

美国空军空对地目标识别系统ERAS-ER，基于增强型识别与敏感激光雷达，应用载波调制技术抑制云等模糊物的干扰。

华中科技大学的冀航[18]和黎静[19]研究了基于频域滤波的脉冲激光探测后向散射抑制方法。该方法在发射端将探测信号调制到高频，接收端进行频域检测，并用带通滤波器滤除低频信号。通过比较频域滤波前后的目标对比度，证明该方法可以抑制后向散射信号，增强目标有效信号的对比度。仿真验证系统对后向散射信号有18 dB的抑制能力。

2) FMCW体制激光探测的频域处理

陈慧敏[20]研究了FMCW激光引信的云雾回波的频域特性，并用样机进行了初步实验研究，得出了简单的结论：云雾浓度较大时，样机仅探测到雾的回波信号，无法探测到目标板；当浓度较小时，样机同时探测到雾和目标板的回波信号，差频频谱出现与之对应的两个峰值。该研究为FMCW体制的频域处理提供了参考。

Zhang[21]采用FMCW激光探测体制，针对云雾等干扰回波与目标回波在时域不易区分的问题，探索了在频域进行信号处理的方法。基于频谱幅值归一化加和值的大小，来判断该频谱是目标回波还是云雾回波。如图7所示，云雾的频谱幅度归一化加和值大于目标的该值，二者之差值较大，如果取到合适的阈值，就能够将云雾和目标很好地区分开。Zhang首次提出了利用频域分析的方法区分云雾干扰和目标回波，一定程度上取得了不错的效果，但没有考虑目标在云雾中的情况，所以无法将云雾中的目标识别出来。

5 结论

云雾烟尘等气溶胶介质会对激光探测性能产生影响，研究抗干扰方法具有十分重要的意义。本文从体制、硬件、信号处理方法3个角度综述了常见的激光探测抗气溶胶干扰的方法，对各种方法进行分析对比，有以下几点启示：

1) 武器平台对激光引信载荷的体积、质量、功耗都有严格的约束，抗干扰方法要考虑相关约束。

2) 收发光束交叉探测是抑制云雾非常有效且容易实现的方法，可很好地抑制近距离多重散射，值得深入研究。

3) 在没有无线电干扰的环境下，利用激光无线电复合探测具有很强的抗环境干扰的优势。

4) 关于频域处理研究还不够深入，如能在频域实现后向散射抑制，则可以在较少改变硬件情况下大幅提升抗干扰能力，因此这是很有潜力的一个研究方向。

[1] PFENNIGBAUER M,WOLF C,WEINKOPF J,et al.Online waveform processing for demanding target situations:Laser Radar Technology and Applications XIX; and Atmospheric Propagation XI[Z].2014.

[2] ARORA V K.Proximity Fuzes:Theory and techniques[M].New Delhi:Defence Research and Development Organisation,Ministry of Defence,2010.

[3] COWELL J.Fuzing Validation[C]//RAeS weapon systems and technology Conference.[S.l.]:[s.n.],2012.

[4] 付春,潘曦,宋承天.调频连续波激光与无线电复合探测技术[J].太赫兹科学与电子信息学报,2016(01):40-45.

[5] 胡俊雄,张艳.激光引信抗干扰技术综述[J].制导与引信,2009(04):6-13.

[6] 张荫锡,张好军.激光引信抗环境干扰技术分析[J].制导与引信,2002(03):36-42.

[7] 张京国,梁晓庚,刘建新,等.脉冲宽度对云雾回波的影响研究[J].光子学报,2012(12):1422-1426.

[8] 郑洋,黄立峰,李博宁,等.一种抗云雾散射干扰的激光引信信号检测方法[J].现代防御技术,2014(06):90-95.

[9] 张京国,梁晓庚,刘建新,等.激光引信收发间距对云雾回波的影响[J].探测与控制学报,2012(06):1-5.

[10] 路明,韩仲瑶,熊波,等.激光引信抗干扰技术分析[J].计算机与数字工程,2014(05):812-816.

[11] 裴喆.舰空导弹激光引信抗大气粒子干扰技术[J].飞航导弹,2016(01):44-47.

[12] GARDNER L V,HARDY A H.Multiple detector fog suppression and edge enhancement[P].US:19880900983,1993-09-29.

[13] 王建国,杨高潮.空空导弹激光引信的基本问题与改进方向[J].航空兵器,2006(03):41-44.

[14] 宋磊,陈少华.空空导弹激光引信抗云烟干扰技术研究[J].弹箭与制导学报,2007(04):153-156.

[15] 杨若愚,梁谦,于海山.一种基于多门限的周视激光引信抗干扰方法研究[J].航空兵器,2014(03):20-23.

[16] 李新斌,刘继勇,刘星.基于小波分析的脉冲激光回波抗干扰算法研究[J].机械与电子,2018(01):31-34.

[17] 程藻.基于自适应后向散射滤波技术的激光雷达水下目标探测研究[D].武汉：华中科技大学,2016.

[18] 冀航.基于频域滤波法的调制脉冲激光雷达水下探测研究[D].武汉：华中科技大学,2007.

[19] 黎静.基于解析蒙特卡洛方法的载波调制水下激光通信研究[D].武汉：华中科技大学,2013.

[20] 陈慧敏,贾晓东,蔡克荣.激光引信技术[M].北京:国防工业出版社,2016.

[21] ZHANG W,LI Y,HUANG Z,et al.Fog backscattering interference suppression algorithm for FMCW laser fuze based on normalized frequency spectrum threshold[J].Optik- International Journal for Light and Electron Optics,2017,131:188-193.