偏振片應(yīng)用于激光武器光斑檢測(cè)衰減方案*

武慧敏，李仰軍，張 猛，郝?tīng)?zhēng)輝

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在軍事應(yīng)用需求的強(qiáng)力推動(dòng)下，激光武器迅速發(fā)展。由于激光武器主要通過(guò)高溫?zé)g效應(yīng)及輻射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)造成破壞［1］，許多系統(tǒng)無(wú)法對(duì)目標(biāo)處光斑進(jìn)行檢測(cè)或只能有條件檢測(cè)。文獻(xiàn)［2］提出可采用CCD探測(cè)器檢測(cè)激光光斑。由于高功率激光產(chǎn)生的高溫光斑，目標(biāo)表面溫度超過(guò)500℃，使用CCD相機(jī)所采集的光斑圖像會(huì)出現(xiàn)明顯飽和現(xiàn)象［3］，長(zhǎng)時(shí)間直接測(cè)量甚至?xí)斐商綔y(cè)元件損傷，如何在高溫環(huán)境下進(jìn)行光強(qiáng)衰減成為激光光斑分析的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［4］驗(yàn)證常用的中性濾光片衰減高溫光斑時(shí)效果不顯著。針對(duì)存在的問(wèn)題，本文提出一種利用偏振原理進(jìn)行激光衰減的方案，理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)證明其合理性。

1 激光衰減分析

1.1 衰減模型分析

激光武器作用于目標(biāo)表面時(shí)，目標(biāo)材料吸收大量激光能量產(chǎn)生高溫光斑。利用CCD相機(jī)探測(cè)時(shí)，光斑經(jīng)過(guò)大氣衰減以及偏振片組合的大幅衰減，入射到CCD光電探測(cè)元件上，通過(guò)處理采集到的光斑圖像，對(duì)激光光斑性質(zhì)進(jìn)行分析，可對(duì)激光武器的作戰(zhàn)毀傷效能進(jìn)行反饋說(shuō)明。

CCD接收到的激光功率PT與激光武器功率、大氣衰減、材料激光反射率及偏振片衰減率有關(guān)，表達(dá)式為:

式中，P0為發(fā)射激光功率，功率范圍從1 kW到兆瓦級(jí)以上［5］；R為材料對(duì)于激光的反射率，吸收率高的非金屬材料反射率為0.1～0.6［6］；金屬材料反射率0.6～0.9［7］；φ 為大氣衰減率，φ=exp［-（α+β）d］，其中d為激光傳輸距離；α為大氣吸收系數(shù)；β為大氣散射系數(shù)；Ao為激光通過(guò)偏振片的透光率；α為發(fā)射激光光束與CCD接收光束的夾角。

1.2 偏振片衰減率

偏振片是一種高分子材料制成的光學(xué)電子器件，染料型偏振片偏振性能較高，具備優(yōu)良的耐高溫特性［8］，適合激光武器光斑檢測(cè)時(shí)高溫環(huán)境下使用。

應(yīng)用低透光率偏振片進(jìn)行衰減可擴(kuò)展CCD光斑檢測(cè)溫度的動(dòng)態(tài)范圍。但光斑處于低溫段時(shí)，偏振片透光率低會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)探測(cè)信噪比減弱，影響圖像信息采集［9］。耐高溫偏振片適用于高溫光斑衰減，可獲得較好的圖像信息，增大探測(cè)溫度范圍。

多片偏振片組合可以對(duì)激光進(jìn)行高量級(jí)衰減，且控制精度較高。三片偏振片組合光衰減率可達(dá)到10-10量級(jí)［10］，適合應(yīng)用于高功率激光光強(qiáng)衰減。

兩片偏振片P1，P2透光軸夾角為θ時(shí)，光束通過(guò)后的光強(qiáng)表達(dá)式為

式中，ε為偏振片消光軸方向與透光軸方向振幅比，其值與偏振片性質(zhì)有關(guān)，ε取值范圍為10-1］。

通過(guò)兩片偏振片P1，P2后輸出的仍是部分偏振光，再添加偏振片P3，進(jìn)一步分析光強(qiáng)衰減率。P1，P2夾角為90°時(shí)，透射光強(qiáng)最小，光強(qiáng)衰減率隨P2，P3的夾角θ2變化。

出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）表達(dá)式為

圖1出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）關(guān)于θ2、ε的變換關(guān)系

出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）與θ2、ε的關(guān)系曲線(xiàn)如圖1所示。如圖可得ε取固定值時(shí)，出射光強(qiáng)I3隨θ2連續(xù)單調(diào)變化，θ2在［125°，135°］范圍內(nèi)光強(qiáng)衰減程度最高。

實(shí)際應(yīng)用于衰減系統(tǒng)時(shí)，選用低透光率、高消光比、高損傷閾值的偏振片進(jìn)行光斑衰減，精準(zhǔn)控制偏振片組透光軸角度，實(shí)現(xiàn)激光衰減倍率精確可控。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

激光光斑衰減圖像采集系統(tǒng)如圖2所示，包括激光器、耐高溫陶瓷材料、偏振片組、CCD探測(cè)器、單點(diǎn)測(cè)溫儀、圖像采集卡、PC機(jī)以及相關(guān)測(cè)試軟件。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中使用非接觸式單點(diǎn)測(cè)溫儀測(cè)量激光光斑溫度，選用偏振片直徑38.1 mm，厚度2.2 mm，精確調(diào)整偏振片透光軸角度使光強(qiáng)衰減程度最高。

圖2 光斑采集衰減系統(tǒng)

梯度增大激光器功率，使光斑溫度逐漸上升，由圖像采集軟件數(shù)據(jù)可得無(wú)偏振片衰減情況下光斑溫度為450℃時(shí)，光斑區(qū)域灰度值為255，CCD達(dá)到飽和。圖3為光斑區(qū)域內(nèi)灰度值隨溫度變化的關(guān)系，光斑區(qū)域灰度均值及最大值隨溫度變化基本符合高斯模型的變化規(guī)律:前期變化較快，后期趨于穩(wěn)定。兩片偏振片衰減情況下，CCD在950℃達(dá)到飽和。950℃后添加第3片偏振片，1 700℃時(shí)CCD再次達(dá)到飽和狀態(tài)。表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖3 光斑區(qū)域內(nèi)灰度均值及最大值與溫度變化的關(guān)系

表1 偏振片衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩片偏振片對(duì)光斑衰減時(shí)，CCD最高可檢測(cè)光斑溫度為950℃，溫度擴(kuò)增比為11.1%。添加第3片偏振片后，CCD最高可檢測(cè)溫度為1 700℃，溫度擴(kuò)增比大幅增加為66.7%。圖4為1 600℃時(shí)激光光斑衰減情況，圖4（a）為未衰減光斑，CCD圖像飽和，無(wú)法從圖像中分析光斑性質(zhì)。圖4（b）為衰減后光斑，未達(dá)飽和，可進(jìn)行光斑參數(shù)分析。圖4（c）為偏振片衰減后光斑區(qū)域灰度值，由圖像信息可得，偏振片組可有效衰減高溫光斑。

3 結(jié)論

本文分析了偏振片對(duì)激光光強(qiáng)的衰減原理，通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論:1）選擇透光率低、消光比高、耐高溫的偏振片組合可有效衰減激光輻照于目標(biāo)處光斑的光強(qiáng)，使CCD能采集有效光斑圖像，從而檢測(cè)激光對(duì)目標(biāo)表面產(chǎn)生的作用效果。2）光斑溫度為100℃～500℃時(shí)，可直接使用CCD相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)；經(jīng)過(guò)兩片偏振片組合衰減光強(qiáng)，CCD最高可檢測(cè)激光光斑溫度為950℃；經(jīng)過(guò)三片偏振片組合衰減，CCD最高可檢測(cè)光斑溫度為1 700℃。3）對(duì)于光斑溫度更高的激光武器，可采用衰減率更高的偏振片組或添加偏振片進(jìn)行光強(qiáng)衰減。本文提出的激光衰減方案為激光武器高溫毀傷效能檢測(cè)提供理論依據(jù)。

圖4 光斑圖像