基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)應(yīng)用研究

都元松,董文鋒,羅 威,黎波濤

(空軍預(yù)警學(xué)院,湖北 武漢 430019)

1 引 言

近年來(lái),無(wú)人機(jī)研制成果得到突破性進(jìn)展,并在幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中大放異彩。為應(yīng)對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)對(duì)我國(guó)沿海等重要軍事設(shè)施光電偵察,采用強(qiáng)激光干擾是應(yīng)對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)光電偵察的有效手段之一,但對(duì)遠(yuǎn)距離激光干擾效果評(píng)估并沒(méi)有找到較為有效的評(píng)估方法?；凇柏堁坌?yīng)”的激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)能夠有效提高激光回波功率,而“全球鷹”無(wú)人機(jī)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)符合“貓眼”系統(tǒng)理論,為此我們認(rèn)為將“貓眼效應(yīng)”應(yīng)用于強(qiáng)激光干擾“全球鷹”無(wú)人機(jī)光電偵察系統(tǒng)的效果評(píng)估,是一種較為有效可行的方式方法。

現(xiàn)有的對(duì)“貓眼效應(yīng)”研究大多從激光發(fā)射端、大氣衰減、目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)光學(xué)孔徑以及反射端影響出發(fā)。如文獻(xiàn)[1]提出的一種利用激光信號(hào)檢測(cè)設(shè)備,在外場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)點(diǎn)位的激光信號(hào)參數(shù),同時(shí)在內(nèi)場(chǎng)建立光電探測(cè)器激光損傷閾值庫(kù),最后結(jié)合光學(xué)觀瞄設(shè)備的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)來(lái)評(píng)估強(qiáng)激光的干擾效果；文獻(xiàn)[2]分析了強(qiáng)激光在大氣傳輸中產(chǎn)生的折射、吸收、散射和湍流等線性光學(xué)效應(yīng),以及熱暈、受激拉曼散射和大氣擊穿等非線性光學(xué)效應(yīng)；文獻(xiàn)[3]對(duì)激光發(fā)散角的影響進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[4]從光學(xué)角度分析了貓眼鏡頭在連續(xù)激光主動(dòng)探測(cè)下的正、負(fù)離焦等效模型；文獻(xiàn)[5]分析了傾斜離軸高斯光束通過(guò)貓眼光學(xué)系統(tǒng)的回波特性。文獻(xiàn)[6]提出基于壓縮感知的貓眼識(shí)別算法,能夠測(cè)量多輸入主、被動(dòng)圖像的向量,并在重建前直接處理。實(shí)際光學(xué)系統(tǒng)與理想“貓眼”系統(tǒng)相比可能存在離焦現(xiàn)象,因此本文將研究并推導(dǎo)離焦量對(duì)“貓眼”目標(biāo)回波發(fā)散角的影響,以及在不同入射角度情況下對(duì)目標(biāo)回波功率的影響,得出對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)干擾有效性的判定,為下一步評(píng)估對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)干擾效果做鋪墊。

2 激光入射“貓眼”系統(tǒng)理論模型

2.1 激光主動(dòng)探測(cè)模型

由于光電探測(cè)設(shè)備光學(xué)通道內(nèi)部構(gòu)造存在“貓眼效應(yīng)”,通過(guò)激光照射光學(xué)偵察設(shè)備,檢測(cè)因“貓眼效應(yīng)”產(chǎn)生的回波功率大小,從而可以實(shí)現(xiàn)對(duì)空中光學(xué)偵察目標(biāo)的檢測(cè)。

隨著探測(cè)器的晃動(dòng)或改變光照的角度,光線能夠靈活的移動(dòng)以及自由開(kāi)合,多路光線經(jīng)探測(cè)系統(tǒng)后會(huì)使得光路變窄或合成為一條或幾條亮帶,且單位面積內(nèi)的光功率會(huì)有所增加,如圖1(a)所示。其現(xiàn)象如同黑夜中貓的眼睛被光照射后而發(fā)出的光,這種奇特的光學(xué)現(xiàn)象稱之為“貓眼效應(yīng)”。根據(jù)“貓眼效應(yīng)”,當(dāng)干擾激光對(duì)敵偵察設(shè)備進(jìn)行照射時(shí),經(jīng)光學(xué)孔徑發(fā)射的激光會(huì)按照原路返回并指向光源,且回波能量是普通回波能量的2～4倍[7]?！柏堁坌?yīng)”具有能夠使探測(cè)光線按照原路返回以及增強(qiáng)回波能量的特點(diǎn)。

正入射光線從AA1、AA2入射,經(jīng)光學(xué)透鏡匯聚到焦點(diǎn)O,被光敏面反射后分別沿BB1、BB2方向從光學(xué)透鏡中射出?！柏堁坌?yīng)”簡(jiǎn)單物理展開(kāi)模型,如圖1(b)所示。

圖1 “貓眼效應(yīng)”等效模型

2.2 離焦量對(duì)“貓眼”回波發(fā)散角的影響

由于設(shè)備在安裝及制造過(guò)程中存在誤差,焦點(diǎn)與光敏面并非如理想狀態(tài)下在同一焦平面上,因此離焦量勢(shì)必將會(huì)影響貓眼目標(biāo)的回波發(fā)散角,從而影響接收端的回波功率。設(shè)“貓眼”目標(biāo)透鏡半徑為r；“貓眼”目標(biāo)透鏡直徑為D；焦距為l；離焦量為d；離焦情況下的入射激光光束半徑為r′；回波發(fā)散角為θs。圖2表示正離焦情況下的貓眼目標(biāo)等效模型,圖3表示負(fù)離焦情況下的貓眼目標(biāo)等效模型[4]。

圖2 正離焦情況下“貓眼”效果圖

圖3 負(fù)離焦情況下“貓眼”效果圖

正離焦情況下,根據(jù)三角形相似定理可得:

(1)

(2)

則由式(1)和式(2)推出:

(3)

則有:

(4)

在負(fù)離焦情況下,同理可得:

(5)

2.3 激光入射角對(duì)貓眼回波功率的影響

分析正入射條件下正、負(fù)離焦對(duì)回波發(fā)散角和回波功率的影響顯得尤為重要,現(xiàn)具體分析推導(dǎo)如下。設(shè)θ為發(fā)射激光束發(fā)散角；θ′為回波反射角；R為探測(cè)距離；pt為激光發(fā)射功率；P為回波功率；τt為發(fā)射端孔徑光學(xué)透過(guò)率；τs為貓眼目標(biāo)光學(xué)透過(guò)率；τr為接收光學(xué)透過(guò)率；τ為大氣透過(guò)率；D“貓眼”目標(biāo)直徑；As為“貓眼”目標(biāo)有效孔徑接收面積；γ為目標(biāo)透鏡透射率；D′為回波探測(cè)器透鏡直徑。

由上述參數(shù)設(shè)置可知,當(dāng)激光照射至目標(biāo)透鏡時(shí)的光斑直徑為θR,則照射激光在被測(cè)目標(biāo)處的光斑面積為:

(6)

由于激光照射探測(cè)器時(shí),勢(shì)必會(huì)產(chǎn)生一定的夾角,使得“貓眼”目標(biāo)有效孔徑接收面積理論值與真實(shí)值存在一定的偏差,所以貓眼目標(biāo)存在一定夾角時(shí),其有效接收面積[8]為:

(7)

圖4 回波探測(cè)器接收功率最大偏離角變化態(tài)勢(shì)圖

設(shè)激光到達(dá)目標(biāo)透鏡入射時(shí)功率密度為p1,則有:

(8)

設(shè)激光經(jīng)目標(biāo)透鏡傳播出射時(shí)功率為p2,則有:

(9)

設(shè)探測(cè)激光經(jīng)貓眼效應(yīng)反射到接收鏡頭處的光斑面積為S,則S為:

(10)

其中,θ′=θ+θs；

則當(dāng)激光照射至接收端前段透鏡時(shí),功率密度p3為:

(11)

當(dāng)激光照射至接收端光敏面時(shí),接收功率p4為[9]:

(12)

3 不同波長(zhǎng)下激光發(fā)散角測(cè)量

圖5 激光擴(kuò)束等效模型

由于激光在遠(yuǎn)場(chǎng)存在一定的發(fā)散角,對(duì)于滿足高斯分布的激光光束,與之對(duì)應(yīng)的激光發(fā)散角內(nèi)的能量占據(jù)總能量的86.5%[10]。激光發(fā)散角越小,其單位面積所占能量比例越大,為了實(shí)現(xiàn)在特定距離上全部光斑均落在目標(biāo)上,要求激光發(fā)散角盡可能的減小。高斯光束輪廓圖如圖6所示。由圖可知隨著距離的不斷增加,發(fā)散角也隨之不斷增大(θ2>θ1),當(dāng)達(dá)到一定距離時(shí),以恒定的錐角不斷疊加[11],激光的發(fā)散程度由發(fā)散角來(lái)決定,因此我們采取如圖5所示方式增大激光出射孔徑,并減小激光波長(zhǎng),以達(dá)到減小發(fā)散角的目的。

圖6 照射激光發(fā)散角輪廓模型

圖7 激光器實(shí)測(cè)模型圖

表1 635 mm激光器發(fā)散角σ變化結(jié)果

表2 808 mm激光器發(fā)散角σ變化結(jié)果

4 仿真與數(shù)據(jù)分析

4.1 離焦量變化對(duì)激光回波發(fā)散角影響

由公式(4)和公式(5)可知,仿真計(jì)算離焦量對(duì)貓眼回波發(fā)散角的影響,結(jié)果如表3和圖8(a)所示。其中l(wèi)表示焦距,d表示離焦量,θs表示正離焦,用θs1表示負(fù)離焦。

表3 離焦量對(duì)貓眼回波發(fā)散角的影響

由表3可以看出,隨著離焦量的不斷增大,其正、負(fù)離焦的回波發(fā)散角不斷增大,且相鄰間回波發(fā)散角差值卻隨著離焦量的不斷增大而減小。由圖8(a)可以看出,正離焦量的變化速度小于負(fù)離焦量的變化速度示。

當(dāng)l?d,如“全球鷹”光電/紅外探測(cè)器焦距l(xiāng)=1.75 m[12],離焦量對(duì)貓眼回波發(fā)散角的影響如表4和圖8(b)所示。

表4 l?d時(shí),離焦量對(duì)貓眼回波發(fā)散角的影響

圖8 回波發(fā)散角隨離焦量變化態(tài)勢(shì)圖

4.2 入射角變化對(duì)激光回波功率的影響

假設(shè)被測(cè)目標(biāo)光電探測(cè)器CCD位于焦平面上,激光出射功率為3×106W,激光發(fā)射時(shí)激光束發(fā)散角為1 rad,探測(cè)距離為104m,波長(zhǎng)0.523 μm,離焦量為0,發(fā)射端孔徑光學(xué)透過(guò)率為95%,接收端光學(xué)透過(guò)率為95%,大氣透過(guò)率為80%,“貓眼”目標(biāo)光學(xué)透過(guò)率為99%,目標(biāo)透鏡透射率為98%,“貓眼”目標(biāo)回波發(fā)散角為1 rad,“貓眼”目標(biāo)直徑為28 cm,回波探測(cè)器透鏡直徑為30 cm。采用公式仿真計(jì)算不同偏離角下的目標(biāo)有效孔徑接收面積以及回波探測(cè)器接收功率,如圖9和10所示。

圖9 “貓眼”目標(biāo)有效孔徑接收面積隨入射角變化曲線圖

圖10 回波探測(cè)器接收功率隨入射角變化曲線圖

由公式(12)可知,“貓眼”目標(biāo)有效孔徑接收面積與回波探測(cè)器接收功率成正比。一般而言,隨著激光功率密度由小增大,探測(cè)器的響應(yīng)依次經(jīng)歷4個(gè)區(qū)域:線性區(qū)、飽和區(qū)、混沌區(qū)、零輸出區(qū)。激光功率密度較小時(shí),探測(cè)器輸出電壓隨激光功率密度的增大而線性增大,此時(shí)位于線性區(qū)內(nèi),即探測(cè)器的正常工作區(qū)域。由圖10可以看出,回波探測(cè)器接收功率隨著入射角度的變化存在著一定的線性關(guān)系。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)光電探測(cè)系統(tǒng)有效干擾,我們采取激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)對(duì)“全球鷹”無(wú)人機(jī)實(shí)施強(qiáng)激光干擾,并對(duì)經(jīng)“全球鷹”無(wú)人機(jī)光電偵察系統(tǒng)反射回來(lái)的激光回波功率進(jìn)行探測(cè),在模擬仿真場(chǎng)景下,設(shè)置探測(cè)器檢測(cè)靈敏度為2.6×10-5W,當(dāng)被測(cè)“貓眼”目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)孔徑一定時(shí),可以反演出入射角的最大值為1.172 rad,當(dāng)入射偏角超過(guò)其最大入射偏角時(shí)回波探測(cè)器探測(cè)不到經(jīng)“全球鷹”無(wú)人機(jī)光電偵察系統(tǒng)反射回來(lái)的激光回波功率,視為探測(cè)無(wú)效或沒(méi)有發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

5 結(jié) 論

實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)人機(jī)光電偵察探測(cè)系統(tǒng)的強(qiáng)激光干擾前提是有效發(fā)現(xiàn)目標(biāo)并對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤,由于目標(biāo)距離遠(yuǎn),特征信號(hào)弱,如何提高檢測(cè)概率是目前的重要難點(diǎn)之一。貓眼效應(yīng)是有效提取回波特征的技術(shù)之一；分析貓眼效應(yīng)的原理,指出貓眼效應(yīng)的效果受到被測(cè)光電偵察系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)誤差影響,分析了被測(cè)光電系統(tǒng)光敏面離焦情況下,貓眼回波的功率強(qiáng)弱與探測(cè)激光入射角、被測(cè)目標(biāo)有效接收面積的關(guān)系,推導(dǎo)并計(jì)算出激光探測(cè)有效時(shí)入射角度的范圍。研究可為實(shí)施對(duì)無(wú)人機(jī)光電偵察系統(tǒng)的有效跟蹤和干擾創(chuàng)造條件。