基于減弱“貓眼效應(yīng)”的隱身技術(shù)研究

蔣治國，樊 洋

（海軍工程大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，湖北武漢430033）

基于減弱“貓眼效應(yīng)”的隱身技術(shù)研究

蔣治國，樊 洋

（海軍工程大學(xué)理學(xué)院應(yīng)用物理系，湖北武漢430033）

針對(duì)激光主動(dòng)探測技術(shù)對(duì)光電裝備造成的探測威脅，在有限改變光電設(shè)備結(jié)構(gòu)和犧牲成像質(zhì)量前提下，提出了一種基于減弱“貓眼效應(yīng)”的隱身技術(shù)。運(yùn)用矩陣光學(xué)追跡法對(duì)這種隱身技術(shù)作定量分析，并用實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。研究結(jié)果表明：有限改變光電設(shè)備結(jié)構(gòu)能有效地減弱“貓眼效應(yīng)”，從而達(dá)到隱身效果。

隱身技術(shù)；夜視儀物鏡；反射；“貓眼”效應(yīng)；矩陣光學(xué)

1 引 言

激光主動(dòng)偵察技術(shù)是利用光電裝備所具有的“貓眼效應(yīng)”原理，通過發(fā)射激光束來偵察敵方的光電設(shè)備，并對(duì)其進(jìn)行探測、定位和識(shí)別的一種新型作戰(zhàn)手段。

目前，這種主動(dòng)式偵察技術(shù)在美歐等西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)應(yīng)用于各類激光偵察告警系統(tǒng)中，并取得了良好的應(yīng)用效果，國內(nèi)也有一定的研究與應(yīng)用［1－3］。然而，國內(nèi)外在大量研究利用“貓眼”目標(biāo)進(jìn)行探測的同時(shí)，卻較少研究如何有效減弱“貓眼效應(yīng)”以實(shí)現(xiàn)自身隱身的技術(shù)。因此，深入研究在有限改變“貓眼”目標(biāo)光學(xué)結(jié)構(gòu)及“犧牲”成像質(zhì)量的前提下，盡量減弱“貓眼效應(yīng)”并實(shí)現(xiàn)有效隱身，在軍事對(duì)抗中具有重大意義。

本文運(yùn)用矩陣光學(xué)追跡法分析主動(dòng)式偵察裝置所發(fā)射的激光光束在夜視儀物鏡光路中的透射、反射路徑，對(duì)影響“貓眼反射效應(yīng)”回波的主要因素開展定性、定量的分析。最后利用近距離實(shí)驗(yàn)的方法對(duì)減弱“貓眼效應(yīng)”的實(shí)際隱身效果進(jìn)行驗(yàn)證。

2 利用“貓眼效應(yīng)”探測光電裝備的方位

主動(dòng)式激光偵察裝置如圖1所示。掃描裝置S向劃定區(qū)域發(fā)射激光束I，I經(jīng)過光電裝備上光學(xué)系統(tǒng)的等效物鏡L會(huì)聚在攝像管靶面P上（攝像管靶面正位于焦平面處），入射到E0點(diǎn)的光線將沿I’返回。這種能使反射光按入射方向返回的光路被稱為“貓眼反射光路”。目標(biāo)和背景所反射的激光信號(hào)由光電探測系統(tǒng)J接收。云層和大氣等產(chǎn)生的背景回波通常較弱，而被探測光電裝備的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的“貓眼”反射波較強(qiáng)。這種回波差異是主動(dòng)式激光偵察裝置探測光電裝備位置的依據(jù)。

圖1 主動(dòng)式激光偵察裝置示意圖（L—物鏡；S—激光發(fā)射／掃描器；J—回波探測器）

3 影響“貓眼效應(yīng)”回波強(qiáng)度的因素

影響“貓眼”反射波強(qiáng)度的因數(shù)主要有：掃描激光束的強(qiáng)度及入射角，被探測光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)鏡頭相對(duì)孔徑（光圈）和視場角，攝像管靶面傾斜和離焦，攝像管靶面面積和反射率等。此外，光學(xué)系統(tǒng)還存在像差（如球差）。球差隨著入射光的入射角而變，產(chǎn)生與反射面傾斜類似的回波［4］。

4 “貓眼效應(yīng)”回波的分析方法

4.1 反射光線追跡

掃描激光照射用于夜視儀器的物鏡，光線透過系統(tǒng)中的各透鏡，再經(jīng)反射面反射后，又通過各透鏡射出。以下運(yùn)用矩陣光學(xué)追跡法分析“貓眼反射”光線在系統(tǒng)中的往返路徑。

根據(jù)矩陣光學(xué)［5］，圖2中各透鏡的折射表面和光學(xué)間隔可表示為矩陣R和矩陣T：

其中，n為光學(xué)間隔的折射率；n1、n2分別為透鏡折射表面前后的折射率；r為折射表面曲率半徑；d為光學(xué)間隔的厚度。圖2中所有參數(shù)引自《光學(xué)鏡頭手冊》［6］。

圖2 夜視儀物鏡結(jié)構(gòu)示意圖

光路由左向右傳播，由R1經(jīng)過折射到達(dá)R18的系統(tǒng)矩陣M1為：

4.2 回波能量的估算方法

假設(shè)光束截面內(nèi)光線的密集程度與光束攜帶的能量成正比。定義“探測器接收光線比例η”為從光學(xué)系統(tǒng)反射出來照射在回波探測器上的激光束中光線數(shù)目與從掃描裝置發(fā)射的進(jìn)入此光學(xué)系統(tǒng)的激光束中光線總數(shù)的比值。在大氣透過率、透鏡透射率及反射率（≤5%）等參數(shù)一定的條件下，用接收光線比例數(shù)η可以估計(jì)回波探測器所接收到的激光強(qiáng)度。照射在探測器上的光線數(shù)目的統(tǒng)計(jì)可采用逐條光線追蹤計(jì)數(shù)的方法［7］。

4.3 計(jì)算結(jié)果與分析

設(shè)主動(dòng)式探測裝置離夜視儀物鏡的距離S為1000 m，假設(shè)進(jìn)入此光學(xué)系統(tǒng)的掃描激光束由10000條平行光線組成，且光線在截面內(nèi)均勻分布，并充滿光學(xué)系統(tǒng)的有效孔徑。回波探測器的有效尺寸為1 m。

應(yīng)用公式（1）分別計(jì)算，當(dāng)入射角α從0 rad～0.50 rad時(shí)，攝像管靶面F離焦（離焦量Δ＝±0.2mm）、反射面傾斜（傾斜角θ＝5′）、球差、相對(duì)孔徑變化（?分別為1∶8和1∶16）等各種情況下的回波強(qiáng)度。計(jì)算結(jié)果列于表1。

從表1可以看出，攝像管靶面離焦、傾斜和相對(duì)口徑變化對(duì)接收比例影響很大，當(dāng)掃描光束入射角α增大到0.4 rad時(shí)η＝0%，此時(shí)探測器基本上探測不到“貓眼反射”回波。因此，在一定限度內(nèi)利用這些影響因素減弱“貓眼效應(yīng)”從而可以達(dá)到被探測光電設(shè)備隱身的目的。

5 實(shí)驗(yàn)研究

本文使用半導(dǎo)體激光器（光束半徑為6 mm，波長λ＝0.63μm，發(fā)散角為θs＝1 mrad）對(duì)某型狙擊瞄準(zhǔn)鏡進(jìn)行掃描，回射激光光斑成像于4 m距離上的接收屏上，再用CCD探測器進(jìn)行記錄，可得到如圖3所示的回波圖像及其強(qiáng)度分布。

表1 接收光線比例η隨攝像管靶面離焦、傾斜、球差和光學(xué)鏡頭相對(duì)孔徑的變化

圖3 激光回波圖像及強(qiáng)度分布

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)掃描激光平行入射時(shí)（入射角α＝0 rad），反射光束所成光斑如圖3（a）所示，此時(shí)的光斑強(qiáng)度很大，形狀規(guī)則，實(shí)際上就是“貓眼效應(yīng)”所形成的光斑。光敏面離焦時(shí)，亮斑變模糊，光強(qiáng)變?nèi)?，形狀也發(fā)生變化，如圖3（b）所示。光敏面傾斜時(shí)，亮斑強(qiáng)度和形狀也發(fā)生變化，如圖3（c）所示。當(dāng)掃描光束的入射角α超過0.4 rad時(shí)，“貓眼”反射光束所成光斑強(qiáng)度迅速減弱，直至消失，屏幕上只剩下鏡面所產(chǎn)生的雜散光，如圖3（d）所示。這與前面理論分析所得到的結(jié)論基本一致。

6 結(jié)束語

目前，國內(nèi)已有較多文獻(xiàn)討論“貓眼效應(yīng)”應(yīng)用于偵察的設(shè)計(jì)方案［8－9］。這些文獻(xiàn)假設(shè)被探測光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生理想“貓眼反射”，且反射的回波能量較強(qiáng)。也有部分文獻(xiàn)分析了影響“貓眼效應(yīng)”回波的一些主要因素［10－11］。但是大部分文獻(xiàn)都是研究如何利用“貓眼效應(yīng)”進(jìn)行主動(dòng)探測，而很少研究如何減弱被探測光電設(shè)備的這種效應(yīng)從而達(dá)到隱身的目的。本文分析了夜視儀物鏡在外部激光的照射下，產(chǎn)生回波的物理圖像，對(duì)影響“貓眼效應(yīng)”回波的一些主要因素開展定量的分析，并通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明：“貓眼效應(yīng)”回波強(qiáng)度容易受到偵察環(huán)境（例如，探測方和被探測方相對(duì)位置）和系統(tǒng)裝配誤差（例如，攝像管靶面傾斜、離焦）等因素的影響。因而，在有限改變光電設(shè)備光學(xué)結(jié)構(gòu)及“犧牲”成像質(zhì)量的前提下，人為地制造一些“裝配誤差”可以減弱本系統(tǒng)的“貓眼效應(yīng)”，能有效減少在軍事對(duì)抗中被敵方偵察打擊的概率，這在軍事對(duì)抗中具有一定的參考價(jià)值。

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Research of stealth technology based on weakening the“cat eye” effect

JIANG Zhi-guo，F(xiàn)AN Yang
（Department of Applied Physics，Naval University of Engineering，Wuhan 430033，China）

Aiming at the threats of laser active detection on the photoelectric equipment，under the premise of limited changing photoelectric equipment structure and sacrificing little the image quality，a kind of stealth technology based on weakening the“cat eye”effect is put forward.The stealth technology is qualitatively analyzed with themethod of ray tracing，and it is verified by experiments.Research results show that limited changing photoelectric equipment can effectively weaken the“cat eye”effect，and realize the stealth effect.

stealth technology；night-vision lens，；reflection；“cat eye”effect； matrix optics

TN977

A

10.3969／j.issn.1001-5078.2013.08.006

1001-5078（2013）08-872-04

蔣治國（1977－），男，文職5級(jí)，講師，在讀博士，主要從事光電信息處理方面的研究。E-mail：12345xyzabc54321＠163.com

2013-01-25