“貓眼效應”激光主動探測技術影響因素分析

都元松，董文鋒，羅威，黎波濤

(空軍預警學院，湖北 武漢 430019)

0 引言

近年來基于“貓眼效應”激光主動探測技術，在光電偵察、追蹤及光通信等領域引起了廣泛重視[1-3]。由于光電觀瞄設備具有一定的反射率，根據光路可逆原理，當其受到一束強激光照射時，能夠產生一個相對于其他漫反射目標較強的回波信號[4-6]，尤其是在大的空間范圍進行高空遠距離目標探測時，光電探測系統的光學回路提供的“貓眼”反射效應，能夠大大增強回波強度，這種自身條件是某些目標探測方法不可比擬的。因此，深入研究因“貓眼效應”產生的回波功率計算公式及其影響因素顯得尤為必要[7-8]。

1 激光主動探測技術理論分析

由于光電系統內部都具有光學系統結構，其結構類似于貓的眼睛，可實現光的逆向傳輸[9]，如圖1所示。內部有調制盤和光電探測器、光敏面等光學元件。光敏面可實現將入射光束按照原路反射回去，可實現對百公里以外的空中目標實施目標探測。

1.1 “貓眼”光學系統回波功率分析

分析正入射條件下回波功率受目標光電偵查系統口徑大小影響在激光主動探測系統中尤為重要，由于激光自身存在一定的發散角，為此激光經遠距離傳輸后勢必會形成一定的區域面積，如圖2所示。

設激光發射功率為Pt，激光束發散角為θ，經目標光學系統傳輸后產生的激光發散角為θ′，傳輸距離為R0，“貓眼”目標半徑為r，大氣透過率為τ，“貓眼”目標光學透過率為τs，探測系統光學透過率為τl，目標探測器光敏面反射率為τn，目標機身材料反射率為τm，目標正下方表面積為S′，激光探測器縮束裝置前端口徑面積為S3,后端口徑面積為S4，如圖3所示。

由上述參數可知，在干擾激光光軸對準被干擾光電探測器時，被干擾目標處產生直徑為R0θ的激光光斑，則照射激光在被測目標處的光斑面積為

(1)

目標探測器系統表面積為

AS1=πr2.

(2)

由于干擾激光在傳輸過程中不僅因吸收和散射現象而損失能量，同時大氣溫度變化導致大氣密度變化，變化的累積導致大氣輪廓折射率廓形明顯不均勻，由此引發光束抖動、強度起伏、光束擴展以及像點抖動等大氣湍流現象[10-11]，由以上分析可知高斯光束經遠距離傳輸后可類比為均勻分布狀態，如圖4所示。則激光到達目標探測器系統時單位面積功率為

P1=Ptτ/S1.

(3)

由于激光自身存在一定的發散角，入射時勢必會產生一定夾角，使得“貓眼”目標有效接收孔徑面積與目標探測器系統面積存在一定的偏差，其有效孔徑面積[12]為

圖2 遠距離傳輸激光發散模型Fig.2 Long-distance transmission laser divergence model

圖3 激光縮束裝置模擬仿真圖Fig.3 Simulation diagram of laser beam shrinking device

圖4 激光遠距離傳輸光束擴展示意圖Fig.4 Laser long-distance transmission beam expansion diagram

(4)

為此，目標探測器有效接收功率為

P2=P1As.

(5)

經目標探測器反射后的出射功率為[13]

P3=P2τsτn.

(6)

為實現對遠距離空中目標實施監測，探測系統在接收端安裝激光縮束裝置，增大接收端單位面積功率，如圖3所示。

激光經無人機光電探測器反射并傳輸至基于貓眼效應主動激光探測器縮束裝置前端激光發散角大小為

θs=θ+θ′.

(7)

如圖5所示，激光經目標探測器反射并傳輸至激光探測器縮束裝置前端產生的激光光斑面積為

(8)

激光經目標探測器反射并傳輸至激光探測器縮束裝置前端激光功率為

P5=P3τ.

(9)

激光探測器縮束裝置前端接收功率為

(10)

激光經縮束后傳送至激光探測器，其光敏面單位面積接收功率為

(11)

1.2 對漫反射目標探測系統作用距離估算

經被探測目標漫反射后的反射功率為

P4=P1τmS′.

(12)

以無人機為輻射源，回波功率經大氣衰減傳輸至基于貓眼效應主動激光探測器縮束裝置前端激光接收功率為

圖5 激光干擾光電探測器原理示意圖Fig.5 Schematic diagram of the principle of laser interfering photodetector

(13)

激光經縮束后傳送至激光探測器，其光敏面單位面積接收功率為

(14)

為實現對漫反射目標有效探測，令P9=Pth，經計算激光主動探測系統作用距離為

(15)

式中：Pth=0.03 nW/cm2為探測閾值功率密度(民用器件指標)。

2 仿真與數據分析

2.1 目標本體及光學系統的激光回波功率分析

激光經遠距離傳輸照射至空中目標，當無人機偵察系統與干擾激光光軸正對時，此時目標會產生兩種因不同反射率而產生的回波信號，一種來自于機身表面產生的回波，另一種來自因入射光通過光學系統照射至光敏面，由于探測器的反射效應，使得反射光沿著入射光路線原路返回，即“貓眼效應”產生的回波。

設定大氣透過率τ=0.165 3，目標表面積A=70 m2，探測距離100 km，光學系統孔徑D=0.28 m，機身反射率τm=0.15，光學系統反射率τn=0.65時。

仿真計算不同反射率下單位面積回波功率隨入射激光功率變化結果，如表1所示。

表1 不同反射率下回波功率

由表1數據可知，光學系統目標單位面積回波功率是普通機身材料目標單位面積回波功率的2.6倍。驗證了光學系統具有“貓眼效應”這一特性。在實際軍事應用中，機身材料反射率往往很低，實現對空目標探測采取基于“貓眼效應”技術手段往往更加有效。

2.2 不同發射功率下光學系統回波功率分析

假設激光探頭能探測的探測閾值功率密度為0.03 nJ/cm2(民用器件指標)，只要探測系統接收到的回光激光能量大于其探測閾值，即：

P7≥Pth，

(16)

表明“貓眼效應”探測能夠實現。

設探測器縮束裝置前端口徑直徑D1為2 m、后端口徑直徑D2為0.5 m，激光束發散角θ=0.1 mrad，經目標光學系統傳輸后產生的激光發散角θ′=0.1 mrad，傳輸距離R=100 km，“貓眼”目標半徑為0.28 m，大氣傳輸速率τ=0.165 3，“貓眼”目標光學透過率τs=0.6，探測系統光學透過率τl=0.6，目標探測器光敏面反射率τn=0.65。

由公式(1)～(11)推導可知，光敏面單位面積接收功率隨激光發射功率Pt變化如表2所示。

表2 不同發射功率下“貓眼”目標回波功率

由表2可以看出，縮束前探測到的單位面積接收功率遠遠達不到設計要求，經縮束裝置縮束后增大了光敏面單位面積接收功率(基本接近3個數量級)，經仿真計算出的實際單位面積接收功率遠大于設計標準。可以證實應用激光主動探測技術經“貓眼效應”產生的回波信號可用于探測對搭載光電系統的空中目標實施目標鎖定。

2.3 不同發射角下光學系統回波功率分析

激光經遠距離傳輸，受大氣散射、折射、光照強度以及云層等自然條件影響，勢必會產生一定的發散現象，不同氣候條件下激光經遠距離傳輸激光發散角也有所不同[14-15]。通過仿真實驗及數據分析，可設置參數如表3所示，激光發射功率為20 W，激光發散角與“貓眼”目標回波功率之間的關系如表3、圖6所示。

表3 不同發散角下“貓眼”目標回波功率

圖6 目標單位面積回波功率隨激光發散角變化曲線圖Fig.6 Target unit area echo power with the laser divergence angle curve

由表3可知，當激光發散角大于0.24 mrad時，探測系統接收到的單位面積回波功率小于其探測閾值，即P2

由圖6可以看出探測系統接收到的單位面積目標回波功率隨激光發散角的增大成指數倍減小，可見減小激光發散角對有效探測目標回波具有重要作用[16]。亦可通過減小激光發散角的方式，利用較小的激光發射功率達到對目標探測的目的。

2.4 對漫反射目標探測系統作用距離

設定大氣透過率τ=0.165 3，目標表面積A=70 m2，探測距離100 km，探測器縮束裝置前端口徑直徑D1為2 m、后端口徑直徑D2為0.5 m，激光束發散角θ=0.1 mrad，經目標光學系統傳輸后產生的激光發散角θ′=0.1 rad，機身反射率β=0.15，天氣晴朗條件下，按目標高20 km，斜程100 km，機身反射率τm=0.15，探測系統光學透過率τl=0.6，探測閾值功率密度Pth=0.03 nW/cm2。

由式(12)～(15)，仿真計算對漫反射目標探測系統作用距離估算，探測距離用R表示，計算結果如表4所示。

表4 不同發射功率下對漫反射目標探測系統作用距離

由表4可以看出，當發射激光功率達到1 100 kW時，可以通過目標漫反射探測空中目標。圖7散點圖分布表明，對漫反射目標探測系統作用距離與激光發射功率成線性關系，當激光功率增大到一定數值時，可用于目標探測。

圖7 對漫反射目標探測系統作用距離隨激光 發射功率變化散點圖Fig.7 A scatter plot of the effect distance of a diffuse reflection target detection system with the change of the laser emission power

以上分析表明，激光主動探測技術可類似雷達探測空中目標，通過探測空中目標因強激光照射產生的漫反射回波信號，識別空中目標。相比雷達對空探測，激光主動探測頻率可達到THz，且具有較強的抗干擾能力，有望在未來發展中可用于目標成像。

3 結束語

實現對空中目標光電偵察系統的強激光干擾的前提是有效發現目標并進行實時準確跟蹤。由于空中偵察目標距離遠、目標小、大氣透過率低、特征信號弱，對于如何提高檢測概率是目前一個重難點問題。基于“貓眼效應”的激光主動探測技術是目前有效提取遠距離弱信號回波特征的技術之一。本文就目標反射率、對光學系統目標探測回波功率、大氣傳輸速率以及激光發散角等影響因素進行了較為詳細的分析；推導出“貓眼”目標回波功率計算公式；驗證了光學系統“貓眼效應”的有效性；證實了激光主動探測技術經“貓眼效應”產生的回波信號可用于探測對搭載光電系統的空中目標實施目標鎖定；驗證了減小激光發散角對有效探測目標回波具有重要作用；仿真計算出對漫反射目標探測系統作用距離。