“貓眼”效應(yīng)在激光偵聽中的應(yīng)用研究

劉玉華，李廣林

（1.武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì)，陜西 西安 710086；2.武警工程大學(xué) 通信工程系，陜西 西安 710086）

激光偵聽的基本原理是將激光打在偵聽目標(biāo)周圍容易受聲壓作用產(chǎn)生振動(dòng)的物體上，然后接收帶有信號(hào)的反射光，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行解調(diào)達(dá)到聲音還原。這種偵聽方式的優(yōu)點(diǎn)是作用距離較長，不易受干擾，而且無需在偵聽目標(biāo)周圍安裝任何設(shè)備[1]。

激光偵聽技術(shù)[2]經(jīng)過多年的發(fā)展，隨著光源技術(shù)[3]的改進(jìn)，其原理在實(shí)驗(yàn)研究上已日趨成熟，國外在20世紀(jì)末開展了一系列相關(guān)研究[4－5]，漸漸轉(zhuǎn)入了實(shí)際的應(yīng)用，市面上也開始出現(xiàn)了諸如激光偵聽器[6]的產(chǎn)品。然而在使用過程中發(fā)現(xiàn)以下問題：首先，發(fā)射機(jī)與接收機(jī)分開，容易暴露竊聽行為，還會(huì)對(duì)竊聽位置的選擇上造成很大的不方便；其次，高質(zhì)量的反射光獲取比較困難；再次，使用的是不可見光源，給瞄準(zhǔn)也增加了難度[7]。

一束光進(jìn)入光電設(shè)備的光學(xué)窗口，經(jīng)過透鏡的匯聚和反射元件的反射，其中少部分可能會(huì)反向返回，其回波強(qiáng)度是一般漫反射目標(biāo)的回波強(qiáng)度的102～104倍[8]。這種現(xiàn)象就好像黑夜中看到的貓的眼睛一樣，因此稱為“貓眼”效應(yīng)[9]。國內(nèi)已開展對(duì)“貓眼”效應(yīng)的研究[10－11]，但目前尚沒有制成相關(guān)實(shí)戰(zhàn)系統(tǒng)的報(bào)道。

1 “貓眼”效應(yīng)

1.1 “貓眼”效應(yīng)的物理模型

在很多情況下，特別是接收信號(hào)較弱、正對(duì)等情況下，光電設(shè)備可以近似的看作是一個(gè)透鏡和反射面的組合?！柏堁邸毙?yīng)可以認(rèn)為是如下近似模型[9－10]。

如圖1所示，G是光電設(shè)備的光敏面，光束AB經(jīng)過透鏡匯聚于C點(diǎn)，被光敏面G反射后沿CDE傳播，由光路可逆性，反之亦然。所以，光敏面產(chǎn)生的反射光就按鏡面反射方式，沿入射方向返回，形成“貓眼”效應(yīng)[4]。由光學(xué)知識(shí)可知，“貓眼”效應(yīng)不改變光的傳播方向。

因此，“貓眼”效應(yīng)可以很好地解決激光偵聽中反射光的獲取問題。

1.2 “貓眼”效應(yīng)的后向散射角理論

由于光電設(shè)備中光敏面一般是離焦放置的，故入射光線經(jīng)“貓眼”反射后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)遠(yuǎn)場發(fā)散角，即回波發(fā)散角，其推導(dǎo)過程如下。

圖1 “貓眼”效應(yīng)原理示意圖Fig.1 Schematic of“cat-eye” effec

圖2 光敏面正向離焦Fig.2 Photosensitive surface positive defocus

圖3 光敏面反向離焦Fig.3 Photosensitive surface reverse defocus

如圖2所示，當(dāng)光敏面正向離焦時(shí)，設(shè)透鏡半徑為r，焦距為F，光敏面的離焦量為d，離焦情況下的有效半徑為r′，則有：

由于對(duì)稱性，可知：x+r′=r－x

因此有：

所以，光敏面正向離焦引起的回波發(fā)散角為：

如圖3所示，當(dāng)光敏面反向離焦時(shí)，不會(huì)引起透鏡有效口徑的減小，但還是會(huì)引起反射回波的發(fā)散。

所以x=rd/F

故正入射時(shí)引起的發(fā)散角為：

由以上分析可知，貓眼光學(xué)系統(tǒng)的焦距越長，則回波發(fā)散角越小，反射光就越強(qiáng)。

2 基于“貓眼”效應(yīng)的激光偵聽原理分析

2.1 回波功率分析

假定激光從光學(xué)鏡頭中心出發(fā)，并且只考慮大氣衰減對(duì)激光傳輸?shù)挠绊?，不考慮大氣擾動(dòng)和大氣散射等影響因素。設(shè)發(fā)射激光束的束散角為θt，偵聽系統(tǒng)到目標(biāo)的距離為R。

當(dāng)激光垂直普通漫反射目標(biāo)入射時(shí)，則目標(biāo)處的光斑面積為：

偵聽系統(tǒng)接收到的功率表達(dá)式為（漫反射接收功率）

式中Pt為發(fā)射激光峰值功率；AD為偵聽系統(tǒng)接收光學(xué)口徑；τt為發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透過率；τD為接收光學(xué)系統(tǒng)透過率；τ為激光單程水平大氣透過率；p為漫反射系數(shù)。

當(dāng)激光入射到“貓眼”系統(tǒng)時(shí)，目標(biāo)處的光斑面積為：

式中θ為目標(biāo)鏡頭反射激光的束散角。

偵聽系統(tǒng)可探測(cè)到的激光功率為：

式中τT為“貓眼”光學(xué)系統(tǒng)透過率；pD為“貓眼”反射率。

因此，經(jīng)過“貓眼”系統(tǒng)的回波功率與經(jīng)過漫反射的回波功率之比為：

該比值的物理意義為：在相同的情況下，“貓眼”反射的回波功率比漫反射的回波功率高η倍，且大量實(shí)驗(yàn)測(cè)量的結(jié)果表明，η 在 102～104的范圍內(nèi)[5]。

2.2 偵聽原理

聲波作用于“貓眼”的光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，會(huì)引起光學(xué)系統(tǒng)振動(dòng)，使其偏離原來的位置，不同的位置對(duì)應(yīng)不同的離焦量，不同的發(fā)射角對(duì)應(yīng)不同的離焦量，如圖4所示。不同的離焦量將導(dǎo)致回波的發(fā)散角不同，最終引起探測(cè)器接收到的回波信號(hào)功率的不同，亦即接收到的回波功率受到調(diào)制。

圖4 入射角與離焦量的對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖Fig.4 Schematic of correspondence betweenincidence angle and defocus

在接收端只需對(duì)回波功率進(jìn)行檢測(cè)、放大、去噪、還原就可以獲得偵聽信息。

3 值得研究的問題

首先，利用“貓眼”效應(yīng)進(jìn)行偵聽存在一定的局限性，如存在偵聽的極限距離[8，12]。因此，激光偵聽也不能替代傳統(tǒng)的偵察手段。其次，利用“貓眼”效應(yīng)對(duì)敵方進(jìn)行偵聽時(shí)，也要避免己方的光電設(shè)備的“貓眼”效應(yīng)被敵方偵察到。再次，“貓眼”效應(yīng)的探測(cè)距離與離焦量有一定的關(guān)系，增大離焦量能保護(hù)己方的光電設(shè)備，但是會(huì)降低探測(cè)器的性能，這些矛盾都是需要研究的課題。

其次，在一些沒有具有“貓眼”效應(yīng)合作目標(biāo)的場合，偵聽就變得不再容易，需要尋求其他的解決辦法。

4 結(jié)束語

基于“貓眼”效應(yīng)的激光偵聽器與傳統(tǒng)的偵聽裝備相比具有一定的優(yōu)勢(shì)：首先，它解決了反射光的獲取問題，瞄準(zhǔn)精度顯得不再那么關(guān)鍵；其次，由于經(jīng)過“貓眼”系統(tǒng)的反射光比漫反射光強(qiáng)，提升了偵聽的距離。但是目前這項(xiàng)技術(shù)還不太成熟，還有待于進(jìn)一步研究。

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