“貓眼”效應在激光偵聽中的應用研究

劉玉華，李廣林

（1.武警工程大學 研究生大隊，陜西 西安 710086；2.武警工程大學 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周圍容易受聲壓作用產生振動的物體上，然后接收帶有信號的反射光，并對信號進行解調達到聲音還原。這種偵聽方式的優點是作用距離較長，不易受干擾，而且無需在偵聽目標周圍安裝任何設備[1]。

激光偵聽技術[2]經過多年的發展，隨著光源技術[3]的改進，其原理在實驗研究上已日趨成熟，國外在20世紀末開展了一系列相關研究[4－5]，漸漸轉入了實際的應用，市面上也開始出現了諸如激光偵聽器[6]的產品。然而在使用過程中發現以下問題：首先，發射機與接收機分開，容易暴露竊聽行為，還會對竊聽位置的選擇上造成很大的不方便；其次，高質量的反射光獲取比較困難；再次，使用的是不可見光源，給瞄準也增加了難度[7]。

一束光進入光電設備的光學窗口，經過透鏡的匯聚和反射元件的反射，其中少部分可能會反向返回，其回波強度是一般漫反射目標的回波強度的102～104倍[8]。這種現象就好像黑夜中看到的貓的眼睛一樣，因此稱為“貓眼”效應[9]。國內已開展對“貓眼”效應的研究[10－11]，但目前尚沒有制成相關實戰系統的報道。

1 “貓眼”效應

1.1 “貓眼”效應的物理模型

在很多情況下，特別是接收信號較弱、正對等情況下，光電設備可以近似的看作是一個透鏡和反射面的組合。“貓眼”效應可以認為是如下近似模型[9－10]。

如圖1所示，G是光電設備的光敏面，光束AB經過透鏡匯聚于C點，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[4]。由光學知識可知，“貓眼”效應不改變光的傳播方向。

因此，“貓眼”效應可以很好地解決激光偵聽中反射光的獲取問題。

1.2 “貓眼”效應的后向散射角理論

由于光電設備中光敏面一般是離焦放置的，故入射光線經“貓眼”反射后會產生一個遠場發散角，即回波發散角，其推導過程如下。

圖1 “貓眼”效應原理示意圖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，當光敏面正向離焦時，設透鏡半徑為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散角為：

如圖3所示，當光敏面反向離焦時，不會引起透鏡有效口徑的減小，但還是會引起反射回波的發散。

所以x=rd/F

故正入射時引起的發散角為：

由以上分析可知，貓眼光學系統的焦距越長，則回波發散角越小，反射光就越強。

2 基于“貓眼”效應的激光偵聽原理分析

2.1 回波功率分析

假定激光從光學鏡頭中心出發，并且只考慮大氣衰減對激光傳輸的影響，不考慮大氣擾動和大氣散射等影響因素。設發射激光束的束散角為θt，偵聽系統到目標的距離為R。

當激光垂直普通漫反射目標入射時，則目標處的光斑面積為：

偵聽系統接收到的功率表達式為（漫反射接收功率）

式中Pt為發射激光峰值功率；AD為偵聽系統接收光學口徑；τt為發射光學系統透過率；τD為接收光學系統透過率；τ為激光單程水平大氣透過率；p為漫反射系數。

當激光入射到“貓眼”系統時，目標處的光斑面積為：

式中θ為目標鏡頭反射激光的束散角。

偵聽系統可探測到的激光功率為：

式中τT為“貓眼”光學系統透過率；pD為“貓眼”反射率。

因此，經過“貓眼”系統的回波功率與經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，且大量實驗測量的結果表明，η 在 102～104的范圍內[5]。

2.2 偵聽原理

聲波作用于“貓眼”的光學系統時，會引起光學系統振動，使其偏離原來的位置，不同的位置對應不同的離焦量，不同的發射角對應不同的離焦量，如圖4所示。不同的離焦量將導致回波的發散角不同，最終引起探測器接收到的回波信號功率的不同，亦即接收到的回波功率受到調制。

圖4 入射角與離焦量的對應關系示意圖Fig.4 Schematic of correspondence betweenincidence angle and defocus

在接收端只需對回波功率進行檢測、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”效應進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的偵察手段。其次，利用“貓眼”效應對敵方進行偵聽時，也要避免己方的光電設備的“貓眼”效應被敵方偵察到。再次，“貓眼”效應的探測距離與離焦量有一定的關系，增大離焦量能保護己方的光電設備，但是會降低探測器的性能，這些矛盾都是需要研究的課題。

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

4 結束語

基于“貓眼”效應的激光偵聽器與傳統的偵聽裝備相比具有一定的優勢：首先，它解決了反射光的獲取問題，瞄準精度顯得不再那么關鍵；其次，由于經過“貓眼”系統的反射光比漫反射光強，提升了偵聽的距離。但是目前這項技術還不太成熟，還有待于進一步研究。

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