一种草地背景激光引信数字样机的构建方法

本发明属于激光引信，特别涉及一种草地背景激光引信数字样机的构建方法。

背景技术：

1、激光引信是利用激光束照射目标，然后分析目标表面散射的回波信号，从而决定最佳起爆时刻，实现对导弹的精准炸点控制，使导弹发挥其最大威力，由于其抗干扰能力强、方向性好、探测精度高等优点，被广泛应用于导弹领域。在进行激光引信设计时，需要对不同草地背景的激光散射回波进行测试，该测试困难，且费用高。

2、草地背景激光引信数字样机的研究未见报道。该数字样机的技术核心为草地背景激光引信回波计算方法。目前，对该领域的研究主要有：李喆等人(航空兵器，2015年，第6期，27-30页)研究了激光引信地面背景近场散射特性，但其将地面背景当作平面，从而导致激光回波的计算不够精确，且只考虑不同高度、背景、俯仰角对激光散射特性的影响，可更改的参数不够灵活；史铭森(史铭森.复杂背景下目标的激光脉冲波束散射特性及其应用[d].西安电子科技大学,2021.)，研究了高斯脉冲激光波束入射时，裸土、草地、沙地等等地形的激光脉冲波束散射特性，但其只对地面进行简单起伏建模，无法描述近场散射中地物背景的精细结构；秦德淳等人(兵器装备工程学报，发表于2022年，第43卷第1期，268-273页)构建了地物背景近场激光散射特性测试、仿真建模等数据产品的总体技术框架，但其忽略了激光高斯能量分布特性。

3、由于引信系统集成度高，且结构复杂，在对引信产品生产过程中稍有不慎就会导致高昂的引信设备损坏，且真实的物理样机在修改调整过程中复杂费时，因此需要在引信各分系统中引入数字样机技术。

4、在近场条件下，探测器离地距离很近，不能将地物背景看作简单粗糙面进行处理，不同地物背景的结构不同，其地表覆盖也具有多样性，如草地可分为低覆盖草地、中覆盖草地、高覆盖草地，沙地可根据沙颗粒中粒径组成进行分类，不同的地物组成的地表光学特性也不同，因此在仿真时需要对地物背景进行精确建模，且需要对同一种地物进行详细分类。

5、另外，目前研究地面背景散射特性的方法主要分为基于遥感的地物背景散射特性研究和基于取样测试的地物背景散射特性研究。前者为基于大场景的统计平均，且近场散射结果与远场散射结果的差异非常明显，因此不适用于近场散射；后者用取样部分来描述地物背景的散射特性，这种方法用取样部分来描述地物背景的散射特性，没有具体对同一种地物进行详细分类研究，在仿真时也没有对地物背景进行精确建模，无法描述近场散射中地物背景材质的多样性以及地物背景的精细结构。因此这两种方法都无法精确描述地面背景近场激光散射问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种草地背景激光引信数字样机的构建方法，通过建立精细化的草地三维几何模型，利用双向反射分布函数(brdf)描述地面和草地的光学特性，并使用激光近场回波算法计算草地背景激光引信回波，能够在计算激光近场散射回波时获得草地背景的所有细节；本发明具有提高回波计算精度的优点。

2、为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

3、一种草地背景激光引信数字样机的构建方法，包括以下步骤：

4、步骤1，根据蒙特卡洛法生成地面三维几何模型；

5、步骤2，利用3dmax软件建立不同种类草簇模型；

6、步骤3，基于步骤1生成的地面三维几何模型和步骤2建立的不同种类草簇模型，并根据覆盖度生成精细化草地三维几何模型；

7、步骤4，采用ρ/π对土壤的双向反射分布函数(brdf)进行近似，使用改进walthall模型描述步骤2生成的草簇模型的双向反射分布函数(brdf)；

8、步骤5，设置交会参数、激光引信参数和导弹姿态参数；

9、步骤6，根据步骤4得出的双向反射分布函数(brdf)与步骤5设置的交会参数、激光引信参数和导弹姿态参数，使用激光近场散射回波理论对步骤3生成的精细化草地三维几何模型的激光近场散射回波功率进行计算。

10、所述步骤1的具体方法为：

11、首先建立土壤几何模型作为基础，在近场条件下土壤表面可看成小尺度起伏的理想粗糙面，选取蒙特卡洛法模拟土壤的几何模型，假设要产生的二维随机粗糙面在x方向上的长度为lx，在y方向上的长度为ly，相邻两点间距离为δx和δy，等间隔离散点数为m、n，则有lx≈m·δx，二维随机粗糙面上每一点(xm＝mδx,yn＝nδy)处的高度表示为：

12、

13、其中：s(kx,ky)为二维随机粗糙面的功率谱密度，其中

14、所述步骤2的具体方法为：首先收集所需草的形态特征，在3dmax软件中创建三角面元网格，模拟草叶的形状，使用网格编辑工具，调整网格的顶点、边和面，最后为草叶添加颜色、贴图。

15、所述步骤3的具体方法为：

16、首先提取步骤2建立的草簇模型的点集，并选择一个与草簇平行的投影平面，然后对每个点在投影平面上计算对应点，得到投影后的点集，利用最小二乘法进行圆形拟合，找到拟合得到的圆心和半径，计算草簇的面积，根据覆盖度与一丛草簇的面积计算出所需的草簇数量，最后采用随机数序列将草簇随机分布在步骤1生成的地面三维几何模型上。

17、所述步骤4的具体方法为：

18、土壤的双向反射分布函数(brdf)特性近似于朗伯材料散射特性，因此采用ρ/π对土壤的双向反射分布函数(brdf)进行近似；采用改进walthall模型，对绿草的双向反射分布函数(brdf)分布进行近似，改进walthall模型的表达式为：

19、

20、其中，p1，p2，p3，p4是四个线性参数，θi为入射天顶角，θr为散射天顶角，为方位角。

21、所述步骤5的具体方法为：

22、所述步骤5中交会参数包括：导弹初始位置、导弹飞行距离和草地位置；激光引信参数包括：波束倾角、水平张角、垂直张角、峰值功率、脉冲频率、脉冲宽度和采样频率，导弹姿态参数包括：俯仰角、滚动角、偏航角、速度方向和速率；

23、波束倾角为激光波束中心轴线与弹体坐标系x轴的夹角；水平张角为激光波束的水平张角；垂直张角为激光波束的垂直张角，峰值功率为p0，脉冲频率为ν，脉冲宽度为τ，采样频率为单位时间内对回波信号进行采样的次数；

24、俯仰角为导弹在其本体坐标系xoy面中绕z轴逆时针方向旋转的角度，滚动角为导弹在其本体坐标系yoz面中绕x轴逆时针方向旋转的角度，偏航角为导弹在其本体坐标系xoz面中绕y轴逆时针方向旋转的角度。

25、所述步骤6的具体方法为：

26、在进行激光引信目标回波特性仿真中采用高斯脉冲模拟激光引信的发射脉冲，使用的高斯波束照度表达式为：

27、

28、其中，p为发射功率，ω(z)为激光波束传输距离z后的功率半径，其表达式如下：

29、

30、其中，ω0为束腰半径，λ为激光波长，u为波速，ν为激光脉冲频率，脉冲的激光功率表达式为：

31、

32、其中，p0为脉冲峰值功率，t0为脉冲峰值功率对应的时刻，τ为脉冲的半功率宽度；

33、对于复杂目标，先将其表面进行面元划分，分解计算单个面元的散射回波功率，再将所有面元结果进行叠加，求出某时刻的总散射强度，继而得到散射回波功率序列；设复杂目标的某面元为δa，激光波束照度为e0，面元法向量与激光入射方向夹角为θi，则δa面元在方向的散射亮度为：

34、

35、其中，fr为步骤4得出的brdf，当波束照射到土地面元上时，采用用ρ/π对brdf进行近似；当波束照射到草簇面元上时，使用改进walthall模型，则被接收孔径δa'接收到的散射通量为：

36、dφ＝lcosθr·δaδω

37、

38、δω为散射波束的立体角，s为两面元之间距离；

39、对整个目标的可见面元做积分，得到复杂目标的散射回波通量即散射功率计算式：

40、

41、结合式(3)、式(4)和式(5)，得到最终激光脉冲波束散射回波功率计算式为：

42、

43、cosθi·cosθr·δa·δa′cosα/s2

44、其中，p0为脉冲峰值功率，t0为脉冲峰值功率对应的时刻，τ为脉冲的半功率宽度，ω(z)为z位置处激光的波束半径，θi为面元法向量与激光入射方向夹角，θr为面元法向量与激光散射方向夹角，δa为目标微分面元面积，δa'为接收孔径，s为两面元之间距离。

45、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

46、本发明数字样机基于草地精细化几何建模方法、利用双向反射分布函数(brdf)描述地面和草地的光学特性、使用激光近场回波算法等关键技术来计算草地背景激光引信回波。该数字样机的优点主要有：

47、1)本发明使用草地精细化几何建模方法，该方法基于蒙特卡洛方法生成地面轮廓，利用三维建模软件建立草簇的精细几何模型，然后根据草地的覆盖率，将草簇布置到地面上，生成高精度的草地三维几何模型。这种方法可以灵活生成不同种类或覆盖度的草地，也可以在计算激光近场散射回波时获得草地背景的所有细节，提高回波计算精度；

48、2)本发明采用改进的walthall草地brdf模型来描述地背景和草地的光学特性，同时兼顾了精确性和计算速度；

49、3)本发明使用高斯脉冲模拟激光引信的发射脉冲，减少了由光源特性不准带来的误差；

50、4)本发明构建的数字样机可设置交会参数、激光引信参数、导弹姿态参数等参数，灵活性高；

51、5)激光引信的回波属于激光近场散射，因此本发明采用了近场散射计算方法，该方法可以保证算法的精度。

52、本发明数字样机通过计算机软件模拟方式，实现草地背景激光散射回波在数字化虚拟环境中的计算，可以避免真实设备研发生产、实际测试等带来的资源消耗，显著减少了时间投入。另外，这种数字化软件仿真还可以优化设计方案、减少设计错误、容易修改、提高激光引信系统设计的成功率。

53、综上，本发明通过激光引信近场散射计算方法对精细化草地几何模型的回波进行计算，这种方法可以灵活生成不同种类或覆盖度的草地，也可以在计算激光近场散射回波时获得草地背景的所有细节，提高了回波计算精度；同时该数字样机可设置交会参数、激光引信参数、导弹姿态参数等参数，具有灵活性高、使用直观的优点。