液体泡沫对激光的伪装性能分析

李志刚，汪家春，赵大鹏，陈宗胜，王启超，时家明

(1.电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室，安徽 合肥 230037；2.电子工程学院 红外与低温等离子体安徽省重点实验室，安徽 合肥 230037)

引言

激光作为一种克敌制胜的有效手段[1]，在现代战争中的作用越来越重要。如何有效地进行激光干扰，成为防御一方亟需解决的难题。无论是激光侦察、激光测距还是激光制导，其作用机理都是类似的，即主动发射激光束，通过接收目标反射回波进行工作。因而，采取有效手段减小目标的激光回波[1]是成功进行激光无源干扰的关键。目前常用的激光干扰手段[2]主要有伪装涂料和烟幕。但是，伪装涂料作用波段窄，烟幕受气象条件影响大，因此，需要探寻新的干扰手段。有资料[3]表明，液体泡沫由于其独特的结构和物质构成，对激光有明显的干扰作用，在激光对抗中具有较大的应用潜力，并且有人已经开展了相关研究。伊滕光一研究了表面粘度对泡沫寿命的影响，Friberg发现了含有液晶相的溶液能产生较稳定的泡沫[4]，李作锋等人研究了表面活性剂混合体系的起泡性和泡沫稳定性[5]，Blomberg Folke Ivar发明了水基泡沫伪装装置[6]，对红外至微波范围的电磁波均产生良好的衰减作用，隐蔽战车、坦克、飞机场和固定目标等尤为有效。电子工程学院张玮从理论上计算了泡沫悬空体对1.06 μm和10.6 μm激光的消光性能并根据Mie氏理论研究了单个泡沫球体积的消光性能[7]。本文进行了液体泡沫激光伪装性能实验，测试了不同类型不同参数下液体泡沫的激光的反射性能，并且分析了相关因素对伪装性能的影响机理和程度，为液体泡沫在激光对抗领域的提供了基础。

1 液体泡沫的激光伪装机理

任何目标都处在一定的背景之中，激光侦察总是千方百计地利用目标与背景在工作波段上反射或辐射特性的差别，使目标从背景中突出来，以获得相关的战术、技术情报。显然，这种特性上的差异越小，进行激光侦察就越困难，即目标在一定程度上实现了伪装[1]。液体泡沫的激光伪装机理在于采用液体泡沫减小真实目标激光回波与背景激光回波的差异，从而实现目标伪装。液体泡沫是一种气体在液体中的分散体系，对激光具有反射、散射和吸收作用[3]，经实验研究，液体泡沫对透射激光衰减高达90%以上。从微观角度分析[3]，吸收作用是由于光与液膜分子之间相互作用，使分子能级从低能态跃迁到高能态，使激光能量下降；散射[8]作用是由于入射光的电磁场对微粒内部原子、分子诱导形成偶极子，该偶极子随入射电磁波振荡而作相同频率的受迫振动，粒子在作受迫振动的同时以相同频率的电磁波向外辐射出一定的能量，而辐射方向与原传播方向不同,从而减小在原传播方向上的激光能量。同时，入射激光在液体泡沫中不断地进行多次反射和折射，导致实际光程远大于泡沫层厚度，激光强度减小。

液体泡沫层对入射激光的反射作用如图1所示，主要包括3个方面：1) 液体泡沫的不规则液膜表层对入射激光的一次反射。这种反射与接收方向无关，在激光光斑足够大的情况下，可以看作是漫反射，反射率约为0.2，它只与液体泡沫层表面特性有关；2) 透射激光进入泡沫层后未到达目标，而经泡沫层内部反射产生二次反射，这种反射只与液体泡沫层结构有关，并且分析起来比较复杂；3) 入射激光经液体泡沫层到达目标后，经反射后穿过泡沫层被接收器接收的有效反射。

图1 液体泡沫的激光反射作用示意图Fig.1 Reflection of laser light on liquid foam

2 液体泡沫的激光伪装性能实验

采用对比试验的方法来研究液体泡沫的激光伪装性能。实验装置采用AG-005型近红外多波段激光检测仪，如图2所示。由1.06 μm激光器发射信号，CCD光谱仪作为激光接收器，接收液体泡沫层反射的激光信号。1.06 μm激光由Nd∶YAG灯泵固体激光器产生，输出功率为100 mW，光束质量因子为1.5，采用水冷系统；光谱仪采用EPP2000-VIS微型光纤光谱仪，最小检测灵敏度1 μW，灵敏波段为350 nm～1 100 nm，光谱分辨率为0.8 nm，数据采集卡采集速率5 000点/s；液体泡沫容器由透明玻璃材料构成，反射板为普通金属板，液体泡沫由可调节泡沫出口尺寸的发泡装置产生。用粒径分析系统测量泡沫的中心尺寸，图3给出了一种泡沫的粒径分析图像,其中心尺寸小于或等于15 mm的泡沫占总泡沫85%以上。

图2 液体泡沫激光伪装性能实验原理图Fig.2 Sketch map of experiment of foam’s camouflage effectiveness on laser light

图3 中心尺寸测量中的泡沫图像界面Fig.3 Foam’s image while measuring center size

实验中设定μλ为使用液体泡沫产生的激光回波能量衰减比值，则有有关系式：

式中：P0λ、v0为无液体泡沫时接收器接收到的激光能量和相对信号值；P1λ、v1为有液体泡沫时接收器接收到的激光能量和相对信号值。

实验中考虑了液体泡沫类型、泡沫中心尺寸、液体泡沫层厚度以及接收角度几个参数对伪装性能的影响。液体泡沫有普通液体泡沫和添加红外干扰剂后的液体泡沫两种类型。红外干扰剂是为增加液体泡沫红外波段衰减性能而探寻的特定物质；液体泡沫中心尺寸选取8 mm和15 mm。有文献表明，液体泡沫中心尺寸越小，其衰减性能越好，但中心尺寸选取受到实验装置的限制，中心尺寸越小，越难获得；泡沫层厚度选取2 cm和3 cm；接受角度选取5°、30°和60°。

3 结果与分析

3. 1 液体泡沫的激光回波能量衰减结果

将各组实验结果汇总，如表1所示。

表1 激光回波能量衰减μλ测试结果Table 1 Test results of foam’s attenuation values of laser echo %

从上表可以看出：1) 当普通液体泡沫中心尺寸为15 mm、泡沫层厚度为2 cm，接收角度为30°时，激光能量衰减最小，能量衰减值μλ=36%；2) 当添加2号红外干扰剂的液体泡沫中心尺寸为8 mm、泡沫层厚度为3 cm，接收角度为60°时，激光能量衰减最大，能量衰减值为μλ=66%；3) 液体泡沫对激光回波能量衰减值可以从36%变化到66%，衰减较大、衰减范围较宽，适合于不同背景中进行伪装。

3.2 液体泡沫的激光回波衰减直观效果

为直观展现液体泡沫的激光回波衰减效果，以中心尺寸为15 mm、泡沫层厚度为2 cm的普通泡沫为例进行说明，当接收角度为5°时，实验结果如图4和图5所示。

从图4中可以看出，无液体泡沫层时接收到的激光信号相对值v0=1 700，而图5中有液体泡沫层时接收到的激光信号相对值v1=1 000，相对强度比v1/v0=59%，激光衰减值μλ=41%。

图4 无液体泡沫层激光回波信号相对值Fig.4 Reflection of laser light without foam

图5 有液体泡沫层激光回波信号相对值Fig.5 Reflection of laser light with foam

结果显示，液体泡沫对激光回波信号具有一定的衰减作用，可被应用于伪装材料的研究中。

3.3 实验结果分析

通过对以上实验结果进行分析，可得到以下结论：

1) 在相同泡沫类型和泡沫层厚度情况下，中心尺寸为8 mm的液体泡沫激光衰减值要比15 mm的液体泡沫平均高7%，即液体泡沫中心尺寸较小时，泡沫层激光衰减值较大，这与文献[9]的研究结论是一致的。其原因是：液体泡沫中心尺寸较小，单位体积内泡沫数量较多，泡沫层对激光的衰减效果较好。

2) 在相同泡沫类型和泡沫中心尺寸情况下，3 cm厚的液体泡沫激光回波衰减值要比2 cm厚液体泡沫平均高10%，即泡沫层厚度较大时，泡沫层激光回波衰减值较大。其原因是：较厚的泡沫层中泡沫数量较多，对入射激光有较好的衰减作用[10]。

3) 在相同泡沫中心尺寸和泡沫层厚度情况下，添加红外干扰剂的泡沫层激光衰减值要比不添加红外干扰剂的液体泡沫平均高5%，衰减效果较好。其原因是：红外干扰剂对1.06 μm激光具有衰减作用，从而增强了液体泡沫对激光的衰减。

4) 接收角的变化对泡沫层激光回波衰减影响不大。其原因是：如果照射在液体泡沫上的激光光斑足够大，液体泡沫表面激光反射可认为是漫反射，接收到的激光回波信号与方向无关。

4 液体泡沫的激光伪装性能分析

对实验得到液体泡沫的激光回波衰减值，以草地和钢板为例进行液体泡沫的激光伪装性能分析。草地作为背景，钢板作为目标。相关资料表明，在1.06 μm波长处一般绿色植物的反射率都在40%以上，土壤和碎石反射率一般也大于30%，普通钢板反射率大约为60%左右[1]。

因此，理论上可以认为无液体泡沫伪装时，经坦克反射的激光回波信号能量是发射激光信号能量的60%；草地或碎石背景下激光回波能量是发射激光的30%～40%。

利用液体泡沫进行伪装，以中心尺寸为15 mm，厚度为2 cm的普通液体泡沫为例，实验测得的μλ=40%，则经伪装目标反射得到的激光回波信号能量是发射激光能量的60%×60%=36%，在30%～40%范围内。

通过以上分析，可以认为使用液体泡沫进行目标伪装后，在激光侦察接收器上目标处与背景无特殊区别，因而，可认为利用液体泡沫实现了激光伪装。另外，调节液体泡沫多个因素，可以使其伪装性能发生相应的变化，从而可实现不同背景下的激光伪装。

5 结束语

本文针对液体泡沫用于激光伪装可行性进行了实验和理论分析。利用激光伪装特性与激光回波衰减值有关的结论，设计了液体泡沫激光伪装实验，测得了液体泡沫的激光回波衰减值，发现液体泡沫激光回波衰减值最高可达66%，最低为36%，覆盖了理论上激光伪装要求的衰减范围30%～50%。实验结果表明，液体泡沫可被用于激光伪装，干扰激光侦察、激光测距和激光制导武器正常工作，有效保护我方重要地面目标。另外，通过调节液体泡沫结构参数可以实现不同地面目标的激光伪装。

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