“貓眼”效應在激光干擾效果實時評估中的應用

陳 琳，何衡湘，萬 勇，鄧洪峰

(西南技術物理研究所，成都 610041)

引 言

光電成像制導導彈已廣泛運用于現代戰爭。為了有效防護重要目標，針對成像制導導彈的激光定向干擾技術得到了迅速的發展。激光定向干擾技術主要利用相應波長的高功率激光照射對方來襲導彈的光電成像系統，干擾、致盲或破壞對方導引頭，使對方的光電成像系統暫時或者永久失效。激光定向干擾技術的優點在于反應速度快，以光速攻擊對方；能夠快速轉移，以應對多目標攻擊；消耗電能，補給簡便，可重復使用[1]。

但在激光干擾作戰過程中，面臨著激光定向干擾效果的評估問題，例如干擾激光發射之后如何判斷是否命中目標，如何判斷干擾是否有效，以及作戰決策中如何確定干擾持續時間。現有的激光干擾效果評估方法有干擾圖像質量評估[2-3]、制導精度評估[4-5]、激光干擾距離評估[6-7]等。這些評估方法簡單、高效、可信度高，但并不適用于非合作條件下激光干擾效果實時評估。

分析計算中，根據激光的遠場分布特性，假設光電成像裝置處的激光入射光束是能量分布均勻的平行光束。

1 “貓眼”效應形成原理

大多數光電設備中，焦平面上安裝反射元件(如瞄準叉絲、光電傳感器光敏面、陰極射線管的光電陰極板等)。當激光照射到這類光學設備時，會產生很強的光返回現象，而且它的光學返回率要比一般的漫反射高出很多，這種反射現象就是“貓眼”效應[8-12]。

1.1 典型光電成像設備光學系統

圖1為典型光電成像設備的光學系統結構圖。它由主鏡、次鏡、目鏡、場鏡、調制盤、探測器等組成，其中透鏡組合的作用是將采集到的激光匯聚到探測器平面[13]。因此，這個光學系統可以等效看做由一個透鏡和一個探測器組成[14]。

Fig.1 Structure diagram of photoelectric optical system

1.2 “貓眼”效應形成條件

能夠產生“貓眼”效應的成像光學系統，其理想模型可簡化為如圖2所示的示意圖。它由一塊物鏡和位于物鏡焦平面的反射元件構成。當一束平行于光軸的光束I入射時，匯聚在反射平面的焦點E0，根據鏡面反射的特點沿平行于光軸的光束I1返回；當光束以一定角度ω斜入射時(如圖中I′所示)，經過透鏡匯聚在焦平面的E1點，沿平行于光軸的光束I1′返回[8,11]。

Fig.2 Beam path diagram of “cat-eye” effect

2 影響“貓眼”回波光束強度的主要因素分析

2.1 激光入射角對“貓眼”回波強度的影響

從圖3可以看出，入射激光經探測器反射之后不能全部返回，一部分激光因傳播方向的原因不能經透鏡射出[15]。為探究“貓眼”回波通過率與激光入射角之間的關系，假設“貓眼”光學系統為理想光學系統，利用幾何光學的方法，將“貓眼”光學系統等效為如圖3所示的4f等效模型[11-12]。其中,通光孔徑為D,匯聚透鏡焦距為f，探測器直徑為Φ，激光入射角(入射激光光軸與光學系統光軸的夾角)為ω，出射激光與光軸的夾角為ω′。當入射角超過導引頭的視角時(即ω>arctan(Φ/2f),arctan(Φ/2f)為導引頭的視角)匯聚點會落在焦平面探測器之外，無法在探測器平面形成反射，可能不會產生原路返回的“貓眼”回波。

Fig.3 4f equivalent model of “cat-eye” effect

由于激光在探測器平面的反射包括鏡面反射和漫反射，假設探測器平面的反射率為ρ，反射光束中80%為鏡面反射，20%為漫反射，且光束能量分布均勻。則出射激光占反射激光的比例η(本文中將“貓眼”效應過程中的比值η簡稱為回波通過率)為[16]:

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(1)

圖4為激光入射角與回波通過率之間的關系圖。

Fig.4 The relationship between laser incidence angle and echo pass rate

2.2 探測裝置位置對“貓眼”回波探測的影響

“貓眼”回波探測設備一般與干擾光源處于同一位置，干擾激光照射導引頭成像設備，產生并返回“貓眼”光斑，再由回波探測設備接收，激光主動探測過程如圖5所示[9]。如果干擾光源與回波接收設備相距較遠，導致探測設備接收返回激光束的入射角增大，對“貓眼”光斑探測造成影響。

Fig.5 Schematic diagram of active laser detection based on “cat-eye” effect

從圖3的光路圖可以發現，光束入射角ω與出射角ω′始終相同，“貓眼”回波具有原路返回的特點。設接收回波探測設備到干擾光源的距離為Δl，導引頭到接收探測組件的距離為l，其中Δl?l，則探測接收到的“貓眼”回波入射角為φ=Δl/l。若回波探測組件靠近照射源組件的位置，則回波入射角可以忽略不計。

2.3 激光發射功率和干擾距離對“貓眼”回波強度的影響

假設發射激光的平均功率為P，波長為λ，發散角為θ，發射系統的激光透過率為τs，大氣對該波長激光的透過率為τ，成像導引頭光學系統的透過率為τt，通光孔徑為Dt，探測器平面激光反射率為ρ，返回光的發散角為θ′，接收“貓眼”光斑的探測光學系統透過率為τr，通光孔徑為Dr，激光入射角為ω,回波入射角為φ。

大氣透過率τ與衰減系數μ(λ)以及干擾距離L有關，關系如下[17]:

τ=exp[-μ(λ)L]

(2)

由高斯激光的衍射積分法，可得發射激光經大氣傳輸到達成像導引頭標探測器平面的干擾功率為[7,18]:

(3)

經導引頭返回的光束也近似滿足高斯激光的特點，因此接收探測器平面的回波功率為:

(4)

若定義導引頭探測器平面的功率Ps為干擾功率，回波接收探測器平面的功率Pr為回波功率。從數學表達式可以看出，回波功率與干擾功率具有很強的相關性，其比值δ為:

(5)

式中,除變量ω和L外,其它量可視為常量，因此掌握ω,L的變化情況即可掌握Ps,Pr之間的關系。

3 基于“貓眼”效應的激光定向干擾效果評估仿真分析

圖6為激光定向干擾示意圖。導彈從M點鎖定目標T點時，位于目標周圍的干擾基站S點，發射激光干擾成像制導導彈導引頭。在不同位置，干擾基站發射激光照射導彈，干擾距離和激光入射角不同，激光干擾功率和返回的“貓眼”回波功率也不相同。

Fig.6 Schematic diagram of laser jamming

以目標T點為坐標原點，建立平面坐標系，發射點的坐標為(-5061，-560)，干擾基站在坐標平面內選取。仿真中，以反坦克導彈為例，導彈以200m/s的速率逼近目標，在距離目標5km時，發現并瞄準目標T點。此時，干擾基站S點以恒定功率50W持續照射成像導引頭，并采集產生的“貓眼”光斑。

圖7為干擾基站分別擺放在目標坐標系的x軸、y軸、x-y對角線上，干擾距離L、激光入射角ω、回波通過率η、干擾功率Ps和回波功率Pr隨時間的變化關系圖。圖中坐標軸S-T表示干擾基站到目標的距離變化。

圖7中第1行為干擾距離變化圖，干擾距離隨時間減小，干擾基站位置變化對其影響不大；第2行為入射角變化圖，當干擾距離較遠時，干擾位置對入射角的影響不大，但隨著干擾距離的減小，干擾基站離目標越遠，激光入射角增加越快；第3行為回波通過率變化圖，受激光入射角的影響，入射角越小回波通過率越高；第4行和第5行分別為干擾功率和回波功率變化圖。干擾距離較遠時，干擾功率和回波功率很小，且干擾位置對其影響不大。隨著干擾距離的減小，干擾功率和回波功率呈幾何倍數增加，越靠近目標的干擾基站，增加速度越快。

干擾基站在不同軸線上時，干擾效果相差不大，即干擾基站相對于目標的方向選擇，對干擾效果和回波探測影響不大。但干擾基站到目標的距離超過50m時，激光入射角和貓眼回波通過率發生顯著變化，干擾持續時間和回波持續時間迅速減少。

Fig.7 The comparison of interference distance, laser incidence angle, echo pass rate, interference power and echo power at different axes

圖8為第40s時，均勻分布于坐標平面上的干擾基站，干擾功率、回波功率及其比值的等值線。可以看出，越靠近坐標原點功率和比值越高。

從計算結果可以發現，越靠近目標T點干擾持續時間越長，干擾功率和回波功率越高，回波功率與干擾功率的比值越大，即探測“貓眼”回波的能力越強。干擾基站S點越靠近目標T點時，利用“貓眼”回波功率和持續時間評估干擾效果的可行性更高。

Fig.8 The contour diagram of interference power, echo power and power ratio

4 實驗驗證

實驗中采用近紅外激光器照射成像導引頭，采集在不同發射功率和不同入射角，獲取導引頭干擾圖像和“貓眼”回波圖像。

圖9為激光器輸出功率逐步增強時，8個不同輸出功率(分別對應圖9a～圖9h)的激光定向照射導引頭得到的導引頭干擾圖像和相應“貓眼”回波圖像。隨著發射功率的增大，干擾效果增強，“貓眼”回波光斑亮度增大。

Fig.9 The jamming images and “cat-eye” images at different jamming power

從圖10可以看出，偏離角度越小，“貓眼”回波光斑辨識度越高。應用到定向干擾效果評估中，若干擾基站與被保護目標處于同樣位置，且被保護目標處于導引頭視野中心時，激光瞄準精度越高，“貓眼”回波光斑亮度增大。

Fig.10 Echo images of “cat-eye” with different incidence angles

仿真分析和實驗表明，基于“貓眼”效應的激光主動探測應用于激光定向干擾在線效果評估是可行的。其能力受發射功率、干擾距離距離、激光入射角的影響很大。入射激光越強，干擾距離越近，激光入射角度越小，“貓眼”回波功率越高光斑辨識度越高。

5 結 論

結合幾何光學分析了激光入射角度對“貓眼”回波強度的影響。并根據HE等人[7]推導的探測器平面的激光干擾功率，推導出“貓眼”回波探測器接收到的回波功率。通過理論推導分析和實驗，得到了激光發射功率、干擾距離、激光入射角對干擾效果與“貓眼”回波影響較大。通過地面干擾基站在不同位置進行的激光定向干擾仿真實驗，得到激光干擾功率與“貓眼”回波功率之間具有極高的相關性，且當干擾基站距離目標超過一定距離時干擾和回波探測能力顯著下降。利用這一關系，在激光定向干擾評估中，根據“貓眼”回波強度和比值，即可估算出激光干擾功率的范圍。研究結果在激光定向干擾系統干擾效果在線評估中有一定的應用前景。