基于“貓眼效應”的激光主動探測技術應用研究

都元松,董文鋒,羅 威,黎波濤

(空軍預警學院,湖北 武漢 430019)

1 引 言

近年來,無人機研制成果得到突破性進展,并在幾次局部戰爭中大放異彩。為應對“全球鷹”無人機對我國沿海等重要軍事設施光電偵察,采用強激光干擾是應對“全球鷹”無人機光電偵察的有效手段之一,但對遠距離激光干擾效果評估并沒有找到較為有效的評估方法。基于“貓眼效應”的激光主動探測技術能夠有效提高激光回波功率,而“全球鷹”無人機探測系統的結構符合“貓眼”系統理論,為此我們認為將“貓眼效應”應用于強激光干擾“全球鷹”無人機光電偵察系統的效果評估,是一種較為有效可行的方式方法。

現有的對“貓眼效應”研究大多從激光發射端、大氣衰減、目標探測系統光學孔徑以及反射端影響出發。如文獻[1]提出的一種利用激光信號檢測設備,在外場測量試驗點位的激光信號參數,同時在內場建立光電探測器激光損傷閾值庫,最后結合光學觀瞄設備的光學系統參數來評估強激光的干擾效果；文獻[2]分析了強激光在大氣傳輸中產生的折射、吸收、散射和湍流等線性光學效應,以及熱暈、受激拉曼散射和大氣擊穿等非線性光學效應；文獻[3]對激光發散角的影響進行了研究；文獻[4]從光學角度分析了貓眼鏡頭在連續激光主動探測下的正、負離焦等效模型；文獻[5]分析了傾斜離軸高斯光束通過貓眼光學系統的回波特性。文獻[6]提出基于壓縮感知的貓眼識別算法,能夠測量多輸入主、被動圖像的向量,并在重建前直接處理。實際光學系統與理想“貓眼”系統相比可能存在離焦現象,因此本文將研究并推導離焦量對“貓眼”目標回波發散角的影響,以及在不同入射角度情況下對目標回波功率的影響,得出對“全球鷹”無人機干擾有效性的判定,為下一步評估對“全球鷹”無人機干擾效果做鋪墊。

2 激光入射“貓眼”系統理論模型

2.1 激光主動探測模型

由于光電探測設備光學通道內部構造存在“貓眼效應”,通過激光照射光學偵察設備,檢測因“貓眼效應”產生的回波功率大小,從而可以實現對空中光學偵察目標的檢測。

隨著探測器的晃動或改變光照的角度,光線能夠靈活的移動以及自由開合,多路光線經探測系統后會使得光路變窄或合成為一條或幾條亮帶,且單位面積內的光功率會有所增加,如圖1(a)所示。其現象如同黑夜中貓的眼睛被光照射后而發出的光,這種奇特的光學現象稱之為“貓眼效應”。根據“貓眼效應”,當干擾激光對敵偵察設備進行照射時,經光學孔徑發射的激光會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]。“貓眼效應”具有能夠使探測光線按照原路返回以及增強回波能量的特點。

正入射光線從AA1、AA2入射,經光學透鏡匯聚到焦點O,被光敏面反射后分別沿BB1、BB2方向從光學透鏡中射出。“貓眼效應”簡單物理展開模型,如圖1(b)所示。

圖1 “貓眼效應”等效模型

2.2 離焦量對“貓眼”回波發散角的影響

由于設備在安裝及制造過程中存在誤差,焦點與光敏面并非如理想狀態下在同一焦平面上,因此離焦量勢必將會影響貓眼目標的回波發散角,從而影響接收端的回波功率。設“貓眼”目標透鏡半徑為r；“貓眼”目標透鏡直徑為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′；回波發散角為θs。圖2表示正離焦情況下的貓眼目標等效模型,圖3表示負離焦情況下的貓眼目標等效模型[4]。

圖2 正離焦情況下“貓眼”效果圖

圖3 負離焦情況下“貓眼”效果圖

正離焦情況下,根據三角形相似定理可得:

(1)

(2)

則由式(1)和式(2)推出:

(3)

則有:

(4)

在負離焦情況下,同理可得:

(5)

2.3 激光入射角對貓眼回波功率的影響

分析正入射條件下正、負離焦對回波發散角和回波功率的影響顯得尤為重要,現具體分析推導如下。設θ為發射激光束發散角；θ′為回波反射角；R為探測距離；pt為激光發射功率；P為回波功率；τt為發射端孔徑光學透過率；τs為貓眼目標光學透過率；τr為接收光學透過率；τ為大氣透過率；D“貓眼”目標直徑；As為“貓眼”目標有效孔徑接收面積；γ為目標透鏡透射率；D′為回波探測器透鏡直徑。

由上述參數設置可知,當激光照射至目標透鏡時的光斑直徑為θR,則照射激光在被測目標處的光斑面積為:

(6)

由于激光照射探測器時,勢必會產生一定的夾角,使得“貓眼”目標有效孔徑接收面積理論值與真實值存在一定的偏差,所以貓眼目標存在一定夾角時,其有效接收面積[8]為:

(7)

圖4 回波探測器接收功率最大偏離角變化態勢圖

設激光到達目標透鏡入射時功率密度為p1,則有:

(8)

設激光經目標透鏡傳播出射時功率為p2,則有:

(9)

設探測激光經貓眼效應反射到接收鏡頭處的光斑面積為S,則S為:

(10)

其中,θ′=θ+θs；

則當激光照射至接收端前段透鏡時,功率密度p3為:

(11)

當激光照射至接收端光敏面時,接收功率p4為[9]:

(12)

3 不同波長下激光發散角測量

圖5 激光擴束等效模型

由于激光在遠場存在一定的發散角,對于滿足高斯分布的激光光束,與之對應的激光發散角內的能量占據總能量的86.5%[10]。激光發散角越小,其單位面積所占能量比例越大,為了實現在特定距離上全部光斑均落在目標上,要求激光發散角盡可能的減小。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,發散角也隨之不斷增大(θ2>θ1),當達到一定距離時,以恒定的錐角不斷疊加[11],激光的發散程度由發散角來決定,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,以達到減小發散角的目的。

圖6 照射激光發散角輪廓模型

圖7 激光器實測模型圖

表1 635 mm激光器發散角σ變化結果

表2 808 mm激光器發散角σ變化結果

4 仿真與數據分析

4.1 離焦量變化對激光回波發散角影響

由公式(4)和公式(5)可知,仿真計算離焦量對貓眼回波發散角的影響,結果如表3和圖8(a)所示。其中l表示焦距,d表示離焦量,θs表示正離焦,用θs1表示負離焦。

表3 離焦量對貓眼回波發散角的影響

由表3可以看出,隨著離焦量的不斷增大,其正、負離焦的回波發散角不斷增大,且相鄰間回波發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離焦量的變化速度示。

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

表4 l?d時,離焦量對貓眼回波發散角的影響

圖8 回波發散角隨離焦量變化態勢圖

4.2 入射角變化對激光回波功率的影響

假設被測目標光電探測器CCD位于焦平面上,激光出射功率為3×106W,激光發射時激光束發散角為1 rad,探測距離為104m,波長0.523 μm,離焦量為0,發射端孔徑光學透過率為95%,接收端光學透過率為95%,大氣透過率為80%,“貓眼”目標光學透過率為99%,目標透鏡透射率為98%,“貓眼”目標回波發散角為1 rad,“貓眼”目標直徑為28 cm,回波探測器透鏡直徑為30 cm。采用公式仿真計算不同偏離角下的目標有效孔徑接收面積以及回波探測器接收功率,如圖9和10所示。

圖9 “貓眼”目標有效孔徑接收面積隨入射角變化曲線圖

圖10 回波探測器接收功率隨入射角變化曲線圖

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

為實現對“全球鷹”無人機光電探測系統有效干擾,我們采取激光主動探測技術對“全球鷹”無人機實施強激光干擾,并對經“全球鷹”無人機光電偵察系統反射回來的激光回波功率進行探測,在模擬仿真場景下,設置探測器檢測靈敏度為2.6×10-5W,當被測“貓眼”目標光學系統孔徑一定時,可以反演出入射角的最大值為1.172 rad,當入射偏角超過其最大入射偏角時回波探測器探測不到經“全球鷹”無人機光電偵察系統反射回來的激光回波功率,視為探測無效或沒有發現目標。

5 結 論

實現對無人機光電偵察探測系統的強激光干擾前提是有效發現目標并對其進行實時跟蹤,由于目標距離遠,特征信號弱,如何提高檢測概率是目前的重要難點之一。貓眼效應是有效提取回波特征的技術之一；分析貓眼效應的原理,指出貓眼效應的效果受到被測光電偵察系統光學系統的結構誤差影響,分析了被測光電系統光敏面離焦情況下,貓眼回波的功率強弱與探測激光入射角、被測目標有效接收面積的關系,推導并計算出激光探測有效時入射角度的范圍。研究可為實施對無人機光電偵察系統的有效跟蹤和干擾創造條件。