复杂扩散介质中簇形成及激光回波特性的建模

《Optics and Lasers in Engineering》：Modeling of cluster formation and laser echo characteristics in complex diffusion media

激光检测中纤维介质背向散射干扰建模与验证

　　

成天松|梁新宇

北京工业大学机电工程学院，中国北京市中关村南街5号院，邮编100081

摘要

在复杂的散射环境中，激光检测常常受到分布式纤维介质的影响，这些介质中的聚集现象会显著改变后向散射回波的特性。本研究开发了一种高精度的纤维散射云模型，该模型考虑了大气条件下的自由纤维运动和聚集现象。采用基于层次密度空间聚类算法（HDBSCAN）来识别密集的纤维群，并将其嵌入蒙特卡洛框架中以模拟脉冲激光的后向散射。数值模拟结果表明，与孤立纤维相比，聚集结构产生的回波信号更强、更连续，且脉冲宽度更小。通过受控实验进一步验证了模拟结果，证明了所提出模型的可靠性。本研究为分析和减轻短距离激光检测系统中的后向散射干扰提供了一个实用的建模框架。

引言

纤维，尤其是涂有金属层的纤维，可以作为轻质的气载散射体，能够产生强烈的后向散射信号。在工程实践中，这些纤维通常以箔片的形式释放，对射频和光学检测系统产生广泛的干扰。[1] 箔片能够干扰不同频率和系统配置下的多种射频（RF）检测系统，主要用于对抗雷达[2]。除了射频干扰外，箔片云还能散射入射的激光束，在激光波长下产生强烈的后向散射回波[3]。箔片的空间分布通常具有较大的覆盖范围和高局部密度。这些特性使得箔片能够为基于激光的短距离系统（如接近探测器）创建虚假目标，并造成显著的干扰[4],[5]。因此，研究箔片对激光检测的干扰对于提高激光系统的抗干扰性能至关重要。然而，与箔片相关的实验需要专门的材料、较大的测试区域，并且在不同条件下难以重复。仿真为分析不同干扰场景下的激光回波响应提供了一种实用的替代方法，有助于克服物理测试的局限性。

以往关于箔片云引起的激光干扰的研究强调了研究其对激光检测影响的重要性，一些初步工作关注了箔片在激光照射下的散射行为。Che Jinxi等人[6]提出了一种基于箔片云散射机制的主动角度欺骗方法，展示了有效的干扰效果，并强调了研究类似箔片的纤维对激光系统影响的必要性。Yao Yuesong[7]研究了激光箔片的反射特性，并评估了五种选定材料的静态反射率和动态散射性能。结果证实，这类纤维对激光检测具有可测量的干扰能力。Zuo Yanchun[8]进行了类似的实验，分析了各种箔片走廊的电磁散射，发现对于均匀分布的走廊，散射矩阵和消光系数对入射波的极化不敏感。这些发现表明，对于激光系统而言，箔片的干扰主要归因于其类似目标的散射特性，而非其电磁特性。

然而，这些研究并未对箔片云的整体激光回波响应进行全面分析，与实际干扰场景存在较大差距。为了解决这一局限性，有必要引入专门的箔片云建模方法，以更准确地表示它们对激光检测的影响。

在箔片云的建模中，Dong Wook Seo等人[9]开发了一个基于六自由度运动方程的模型，并结合空气动力扭矩分析，使用广义有效导电率（GEC）方法计算雷达截面积（RCS）。Sherman W. Marcus[10]应用了斯托克斯流模型，快速预测了箔片纤维密度、方向及其与位置、时间和材料属性的依赖关系。同时，Utku Kaydok[11]引入了一个指数型箔片回波模型，模拟了箔片云生成、成熟和衰减阶段的时间依赖性RCS，重点研究了它们与X波段脉冲相干雷达系统的相互作用。Yang Xuebin[12]证明，在大数定律下，箔片簇的单站和双站配置的RCS概率分布呈指数形式，单个纤维的分布特性对RCS概率函数没有影响。

总之，本研究在以下几个方面做出了关键贡献：

高精度扩散建模：实现了高精度的大气扩散模型，用于捕捉不同条件下的纤维散射体的空间分布。

聚集体形成建模：引入了基于HDBSCAN的聚类算法，用于识别和建模部署过程中观察到的密集纤维簇，并将其集成到小视场激光检测场景中。

仿真与验证：将聚类模型与蒙特卡洛框架结合，模拟脉冲激光回波，并通过等效实验验证结果，为对抗激光接近检测系统中的箔片云干扰提供了实用参考。

章节摘录

箔片云扩散模型的理论基础

在激光接近探测器检测箔片云的应用场景中，由于激光传感的视场狭窄且方向性强，只有少量的箔片云会与激光束路径相交。因此，建模工作应重点关注箔片颗粒的物理运动和空间分布。

对于低空和高密度的大气环境，可以使用低雷诺数流动来分析单个箔片纤维的机械行为

基于HDBSCAN的箔片聚类算法

箔片云中的箔片簇是由大量箔片纤维的粘附和聚集形成的，它们有效地充当类似于真实目标的金属反射体。这些簇与周围的箔片云具有相同的运动趋势，且在高密度区域更频繁出现。为了模拟它们的影响，可以将箔片聚类算法集成到现有的箔片云分布模型中。

仿真结果与实验验证

在箔片云的仿真中，云在成熟阶段的空间尺度通常较大，而激光接近探测器的视场（FOV）相对较窄。因此，对整个箔片云进行聚类分析会导致过高的计算成本而没有任何实际意义。为了提高效率，只选择位于接近探测器FOV周围定义范围内的箔片纤维进行基于HDBSCAN的聚类

结论

本研究模拟了聚集结构的形成及其对复杂扩散介质中脉冲激光回波特性的影响。选择箔片作为纤维散射材料的代表，是因为它是这种介质最常见的工程实现形式，也是激光检测中典型的干扰源。建立了高精度的大气扩散模型来描述箔片纤维的运动，并采用了基于HDBSCAN的聚类方法

CRediT作者贡献声明

成天松：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源提供、项目管理。梁新宇：撰写 – 原始草稿、可视化、验证、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。