液體泡沫對激光的偽裝性能分析

李志剛，汪家春，趙大鵬，陳宗勝，王啟超，時家明

(1.電子工程學(xué)院 脈沖功率激光技術(shù)國家重點實驗室，安徽 合肥 230037；2.電子工程學(xué)院 紅外與低溫等離子體安徽省重點實驗室，安徽 合肥 230037)

引言

激光作為一種克敵制勝的有效手段[1]，在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的作用越來越重要。如何有效地進行激光干擾，成為防御一方亟需解決的難題。無論是激光偵察、激光測距還是激光制導(dǎo)，其作用機理都是類似的，即主動發(fā)射激光束，通過接收目標反射回波進行工作。因而，采取有效手段減小目標的激光回波[1]是成功進行激光無源干擾的關(guān)鍵。目前常用的激光干擾手段[2]主要有偽裝涂料和煙幕。但是，偽裝涂料作用波段窄，煙幕受氣象條件影響大，因此，需要探尋新的干擾手段。有資料[3]表明，液體泡沫由于其獨特的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)構(gòu)成，對激光有明顯的干擾作用，在激光對抗中具有較大的應(yīng)用潛力，并且有人已經(jīng)開展了相關(guān)研究。伊滕光一研究了表面粘度對泡沫壽命的影響，F(xiàn)riberg發(fā)現(xiàn)了含有液晶相的溶液能產(chǎn)生較穩(wěn)定的泡沫[4]，李作鋒等人研究了表面活性劑混合體系的起泡性和泡沫穩(wěn)定性[5]，Blomberg Folke Ivar發(fā)明了水基泡沫偽裝裝置[6]，對紅外至微波范圍的電磁波均產(chǎn)生良好的衰減作用，隱蔽戰(zhàn)車、坦克、飛機場和固定目標等尤為有效。電子工程學(xué)院張瑋從理論上計算了泡沫懸空體對1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能并根據(jù)Mie氏理論研究了單個泡沫球體積的消光性能[7]。本文進行了液體泡沫激光偽裝性能實驗，測試了不同類型不同參數(shù)下液體泡沫的激光的反射性能，并且分析了相關(guān)因素對偽裝性能的影響機理和程度，為液體泡沫在激光對抗領(lǐng)域的提供了基礎(chǔ)。

1 液體泡沫的激光偽裝機理

任何目標都處在一定的背景之中，激光偵察總是千方百計地利用目標與背景在工作波段上反射或輻射特性的差別，使目標從背景中突出來，以獲得相關(guān)的戰(zhàn)術(shù)、技術(shù)情報。顯然，這種特性上的差異越小，進行激光偵察就越困難，即目標在一定程度上實現(xiàn)了偽裝[1]。液體泡沫的激光偽裝機理在于采用液體泡沫減小真實目標激光回波與背景激光回波的差異，從而實現(xiàn)目標偽裝。液體泡沫是一種氣體在液體中的分散體系，對激光具有反射、散射和吸收作用[3]，經(jīng)實驗研究，液體泡沫對透射激光衰減高達90%以上。從微觀角度分析[3]，吸收作用是由于光與液膜分子之間相互作用，使分子能級從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)，使激光能量下降；散射[8]作用是由于入射光的電磁場對微粒內(nèi)部原子、分子誘導(dǎo)形成偶極子，該偶極子隨入射電磁波振蕩而作相同頻率的受迫振動，粒子在作受迫振動的同時以相同頻率的電磁波向外輻射出一定的能量，而輻射方向與原傳播方向不同,從而減小在原傳播方向上的激光能量。同時，入射激光在液體泡沫中不斷地進行多次反射和折射，導(dǎo)致實際光程遠大于泡沫層厚度，激光強度減小。

液體泡沫層對入射激光的反射作用如圖1所示，主要包括3個方面：1) 液體泡沫的不規(guī)則液膜表層對入射激光的一次反射。這種反射與接收方向無關(guān)，在激光光斑足夠大的情況下，可以看作是漫反射，反射率約為0.2，它只與液體泡沫層表面特性有關(guān)；2) 透射激光進入泡沫層后未到達目標，而經(jīng)泡沫層內(nèi)部反射產(chǎn)生二次反射，這種反射只與液體泡沫層結(jié)構(gòu)有關(guān)，并且分析起來比較復(fù)雜；3) 入射激光經(jīng)液體泡沫層到達目標后，經(jīng)反射后穿過泡沫層被接收器接收的有效反射。

圖1 液體泡沫的激光反射作用示意圖Fig.1 Reflection of laser light on liquid foam

2 液體泡沫的激光偽裝性能實驗

采用對比試驗的方法來研究液體泡沫的激光偽裝性能。實驗裝置采用AG-005型近紅外多波段激光檢測儀，如圖2所示。由1.06 μm激光器發(fā)射信號，CCD光譜儀作為激光接收器，接收液體泡沫層反射的激光信號。1.06 μm激光由Nd∶YAG燈泵固體激光器產(chǎn)生，輸出功率為100 mW，光束質(zhì)量因子為1.5，采用水冷系統(tǒng)；光譜儀采用EPP2000-VIS微型光纖光譜儀，最小檢測靈敏度1 μW，靈敏波段為350 nm～1 100 nm，光譜分辨率為0.8 nm，數(shù)據(jù)采集卡采集速率5 000點/s；液體泡沫容器由透明玻璃材料構(gòu)成，反射板為普通金屬板，液體泡沫由可調(diào)節(jié)泡沫出口尺寸的發(fā)泡裝置產(chǎn)生。用粒徑分析系統(tǒng)測量泡沫的中心尺寸，圖3給出了一種泡沫的粒徑分析圖像,其中心尺寸小于或等于15 mm的泡沫占總泡沫85%以上。

圖2 液體泡沫激光偽裝性能實驗原理圖Fig.2 Sketch map of experiment of foam’s camouflage effectiveness on laser light

圖3 中心尺寸測量中的泡沫圖像界面Fig.3 Foam’s image while measuring center size

實驗中設(shè)定μλ為使用液體泡沫產(chǎn)生的激光回波能量衰減比值，則有有關(guān)系式：

式中：P0λ、v0為無液體泡沫時接收器接收到的激光能量和相對信號值；P1λ、v1為有液體泡沫時接收器接收到的激光能量和相對信號值。

實驗中考慮了液體泡沫類型、泡沫中心尺寸、液體泡沫層厚度以及接收角度幾個參數(shù)對偽裝性能的影響。液體泡沫有普通液體泡沫和添加紅外干擾劑后的液體泡沫兩種類型。紅外干擾劑是為增加液體泡沫紅外波段衰減性能而探尋的特定物質(zhì)；液體泡沫中心尺寸選取8 mm和15 mm。有文獻表明，液體泡沫中心尺寸越小，其衰減性能越好，但中心尺寸選取受到實驗裝置的限制，中心尺寸越小，越難獲得；泡沫層厚度選取2 cm和3 cm；接受角度選取5°、30°和60°。

3 結(jié)果與分析

3. 1 液體泡沫的激光回波能量衰減結(jié)果

將各組實驗結(jié)果匯總，如表1所示。

表1 激光回波能量衰減μλ測試結(jié)果Table 1 Test results of foam’s attenuation values of laser echo %

從上表可以看出：1) 當普通液體泡沫中心尺寸為15 mm、泡沫層厚度為2 cm，接收角度為30°時，激光能量衰減最小，能量衰減值μλ=36%；2) 當添加2號紅外干擾劑的液體泡沫中心尺寸為8 mm、泡沫層厚度為3 cm，接收角度為60°時，激光能量衰減最大，能量衰減值為μλ=66%；3) 液體泡沫對激光回波能量衰減值可以從36%變化到66%，衰減較大、衰減范圍較寬，適合于不同背景中進行偽裝。

3.2 液體泡沫的激光回波衰減直觀效果

為直觀展現(xiàn)液體泡沫的激光回波衰減效果，以中心尺寸為15 mm、泡沫層厚度為2 cm的普通泡沫為例進行說明，當接收角度為5°時，實驗結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4中可以看出，無液體泡沫層時接收到的激光信號相對值v0=1 700，而圖5中有液體泡沫層時接收到的激光信號相對值v1=1 000，相對強度比v1/v0=59%，激光衰減值μλ=41%。

圖4 無液體泡沫層激光回波信號相對值Fig.4 Reflection of laser light without foam

圖5 有液體泡沫層激光回波信號相對值Fig.5 Reflection of laser light with foam

結(jié)果顯示，液體泡沫對激光回波信號具有一定的衰減作用，可被應(yīng)用于偽裝材料的研究中。

3.3 實驗結(jié)果分析

通過對以上實驗結(jié)果進行分析，可得到以下結(jié)論：

1) 在相同泡沫類型和泡沫層厚度情況下，中心尺寸為8 mm的液體泡沫激光衰減值要比15 mm的液體泡沫平均高7%，即液體泡沫中心尺寸較小時，泡沫層激光衰減值較大，這與文獻[9]的研究結(jié)論是一致的。其原因是：液體泡沫中心尺寸較小，單位體積內(nèi)泡沫數(shù)量較多，泡沫層對激光的衰減效果較好。

2) 在相同泡沫類型和泡沫中心尺寸情況下，3 cm厚的液體泡沫激光回波衰減值要比2 cm厚液體泡沫平均高10%，即泡沫層厚度較大時，泡沫層激光回波衰減值較大。其原因是：較厚的泡沫層中泡沫數(shù)量較多，對入射激光有較好的衰減作用[10]。

3) 在相同泡沫中心尺寸和泡沫層厚度情況下，添加紅外干擾劑的泡沫層激光衰減值要比不添加紅外干擾劑的液體泡沫平均高5%，衰減效果較好。其原因是：紅外干擾劑對1.06 μm激光具有衰減作用，從而增強了液體泡沫對激光的衰減。

4) 接收角的變化對泡沫層激光回波衰減影響不大。其原因是：如果照射在液體泡沫上的激光光斑足夠大，液體泡沫表面激光反射可認為是漫反射，接收到的激光回波信號與方向無關(guān)。

4 液體泡沫的激光偽裝性能分析

對實驗得到液體泡沫的激光回波衰減值，以草地和鋼板為例進行液體泡沫的激光偽裝性能分析。草地作為背景，鋼板作為目標。相關(guān)資料表明，在1.06 μm波長處一般綠色植物的反射率都在40%以上，土壤和碎石反射率一般也大于30%，普通鋼板反射率大約為60%左右[1]。

因此，理論上可以認為無液體泡沫偽裝時，經(jīng)坦克反射的激光回波信號能量是發(fā)射激光信號能量的60%；草地或碎石背景下激光回波能量是發(fā)射激光的30%～40%。

利用液體泡沫進行偽裝，以中心尺寸為15 mm，厚度為2 cm的普通液體泡沫為例，實驗測得的μλ=40%，則經(jīng)偽裝目標反射得到的激光回波信號能量是發(fā)射激光能量的60%×60%=36%，在30%～40%范圍內(nèi)。

通過以上分析，可以認為使用液體泡沫進行目標偽裝后，在激光偵察接收器上目標處與背景無特殊區(qū)別，因而，可認為利用液體泡沫實現(xiàn)了激光偽裝。另外，調(diào)節(jié)液體泡沫多個因素，可以使其偽裝性能發(fā)生相應(yīng)的變化，從而可實現(xiàn)不同背景下的激光偽裝。

5 結(jié)束語

本文針對液體泡沫用于激光偽裝可行性進行了實驗和理論分析。利用激光偽裝特性與激光回波衰減值有關(guān)的結(jié)論，設(shè)計了液體泡沫激光偽裝實驗，測得了液體泡沫的激光回波衰減值，發(fā)現(xiàn)液體泡沫激光回波衰減值最高可達66%，最低為36%，覆蓋了理論上激光偽裝要求的衰減范圍30%～50%。實驗結(jié)果表明，液體泡沫可被用于激光偽裝，干擾激光偵察、激光測距和激光制導(dǎo)武器正常工作，有效保護我方重要地面目標。另外，通過調(diào)節(jié)液體泡沫結(jié)構(gòu)參數(shù)可以實現(xiàn)不同地面目標的激光偽裝。

[1] Wang Zirong, Sun Xiaoquan. Reasearch on evaluation method of laser camouflage effectiveness [J]. Laser Journal. 2005, 26(4): 87-88.

王自榮, 孫曉泉. 激光隱身效果評價方法研究[J]. 激光雜志, 2005, 26(4): 87-88.

[2] Fu Wei. Development of the electro-optic passive jamming technology [J]. Journal of Applied Optics, 2000, 21(6): 1-5.

付偉. 光電無源干擾技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2000, 21(6): 1-5.

[3] Zhang Wenfang, Hu Bo, Song Wei. Foam’s jamming effectiveness on laser guided weapon [J]. Laser & Infrared, 2012, 42(4): 431-435.

章文芳, 胡波, 宋偉,等. 泡沫對激光制導(dǎo)武器系統(tǒng)干擾效能分析[J]. 激光與紅外, 2012, 42(4): 431-435.

[4] Friberg S. Foams proc symp[M]. New York: Academic Press，1975.

[5] Li Zuofeng, Tan Huimin. Foam ability and foam stability in surfactant mixed system [J]. Oil-Gasfield Surface Engineering, 2003, 22(4): 13-14.

李作鋒, 譚惠民. 表面活性劑混合體系的起泡性和泡沫穩(wěn)定性[J]. 油氣田地面工程, 2003, 22(4): 13-14.

[6] Blomberg F I. Camouflage and a method of obtaining such camouflage:EP,0018956 [P].1980-04-18.

[7] Zhang Wei, Shi Jiaming, Wang Jiachun, et al. Study on 1.06 μm and 10.6 μm laser attenuation performance of foam [J]. Laser & Infrared, 2009, 39(3): 293-296.

張瑋, 時家明, 汪家春,等. 泡沫懸浮體對1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能研究[J]. 激光與紅外, 2009, 39(3): 293-296.

[8] Zhang Jiansheng, Chen Yan, Sun Jianpeng, Illumination distribution of forward paraxial scattering with bubble films [J]. Journal of Applied Optics, 2013, 34(3): 612-616.

張建生, 陳焱, 孫建鵬. 模擬氣泡幕激光近軸前向散射照度分布[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2013, 34(3): 612-616.

[9] Zhao Jun, Pan Gongpei, Chen Xin. Experimental study on infrared attentation factors of foam [J]. Acta Optic Sinica, 2007, 27(10): 1884-1888.

趙軍, 潘功配, 陳昕. 泡沫紅外消光影響因素的實驗研究[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2007, 27(10): 1884-1888.

[10] Zhao Jun, Pan Gongpei, Chen Xin. Investigation on optical attenuation of discrete bubbles [J]. Journal of Applied Optics, 2008, 29(3): 472-480.

趙軍, 潘功配, 陳昕. 離散泡沫的光學(xué)衰減原理[J]. 應(yīng)用光學(xué), 2008, 29(3): 472-480.