“猫眼”效应特性仿真分析

李响 孟浩 吕勇

【摘 要】本文首先介绍了“猫眼”效应的应用，以及“猫眼”效应产生的基本原理，而后采取几何光学的方法对“猫眼”效应进行了系统分析研究，详细讨论了不同情形下“猫眼”效应回波功率，推导得出计算公式，利用matlab进行有关编程并制作交互界面。

【关键词】“猫眼”效应 几何光学 matlab 回波功率

【中图分类号】O435 【文献标识码】A 【文章编号】1674-4810（2015）05-0014-03

近年来，随着红外和激光技术的飞速发展，防备系统、预警、光电侦查的广泛应用，光电对抗技术已成为发展迅速而且引人重视的技术领域之一。由于光电对抗技术是一门新兴的一个学科，它最根本的目的是如何解决固定距离外的光电设备的定位并且去对抗它们。这些光电设备常见的有：热像仪、激光测距仪、红外或激光电视制导系统等。在光电对抗的过程中，对于基本技术来说，光电对抗技术包含了目标的发现和定位以及目标的损伤与破坏机理还有其破坏过程等。作为针对敌方x和i都与光轴相互平行，那么我们可轻松的计算出B位光电武器装备的隐蔽位置。进行侦查的首要组成部分的光电对抗系统，其最杰出的特点是抗电子干扰和高分辨力。因此，光电对抗系统成为光电装备发展的重点之一。

目前，光电跟踪系统、光电侦察系统、消防系统、导航系统、光电搜索系统、电子测距系统已成为常用的军用光学设备。在低可观测目标的检测，精确制导、火控和目标，目标识别，高分辨率等方面，在军事应用领域的航空和战争中，光电对抗系统已被广泛应用。首先，光电对抗系统对提高军队战斗力起到了重要作用；其次，也为怎样探测提供了一条新路子。在所有的探测方法中，“猫眼”效应成为近年来的研究热点。本文采用几何光学的方法对“猫眼”效应的特性进行了分析。

一 “猫眼”效应的基本原理

对大多数的光电装备来说，它的原理几乎都是把目标的散射、辐射信号用一定口径的光学系统汇聚在一个比较高的灵敏度的光电传感器上，但在光电传感器对汇聚的光信号进行吸收和转换时，也会把一部分的光信号反射，这就如同猫的眼睛一般。由于光路的可逆性定理，当激光束照射到目标的光学窗口时，也会同时进入光学系统视场，光学系统会把一些激光信号沿光路反射回来，光学系统准直这类反射光后，就好像猫的眼底一样，反射的光线特别明亮。不管是入射光以任何的角度射入光学系统中，只要可以到达传感器上，它的反射光就可以原路返回。一般情况反射的回波信号强度是其他目标漫反射回波强度的十的二次方到十的四次方倍，这就是光学目标的“猫眼”效应（cat-eye effect）。

由于光学系统的这一特性，只要我们发射的激光进入敌人的引导设备或光电检测设备，激光信号反射回来时会非常强，并且其中会有很多的目标信息。经过对反射回来的激光信号进行分析和处理，我们就可以得到目标的类型，还可以确定目标装备（光电侦测装备或者导引装备）的具体位置。应用光学元件的“猫眼”效应我们研究发明了主动激光侦察技术，我方发射一束激光束之后，对光学观瞄设备或光电系统来扫描侦察以及识别和定位的一系列操作，从中获得目标的速度、距离等重要的信息，并且与一定的强激光结合干扰光电系统，使得我方可以抑制相应的武器系统或光电系统发挥作用。在反恐和军事侦察中，“猫眼”效应的主动式的侦察原理和技术，有着很重要的实用前景。

“猫眼”效应的原理第一次应用在军事领域时是在1980年左右，在激光致盲武器的瞄准定位系统上得到應用的。美国、法国、苏联的科研人员都提出了激光武器可以使用光学目标的“猫眼”效应原理来实现，搜寻敌方目标的光电传感器以及光学设备，确定它的位置之后进行准而狠的攻打。因为“猫眼”效应的反射光按照原路返回的特性还有准直特性原理，激光主动探测技术拥有很高的探测回波强度，对于被动探测技术而言，一经我们发射的激光投射到敌方的光电设备光学窗口时，“猫眼”效应所产生的反射光强度是其他漫反射光强度的十的二次方至十的四次方倍。另外，激光主动探测系统可以具有更快的探测速度和更高的定位精度，并且可令敌方光学侦查设备对我方战略目标的侦查动作获得快速的通知和警告。

二 “猫眼”效应回波分析

利用“猫眼”效应所研究的激光主动侦察技术时，当照射到“猫眼”目标光学系统的入射光线与“猫眼”目标的光轴时，会存在一定的夹角，如果我们需要分析光束能量的传输过程，那么我们首先需要建立一个斜入射条件下的“猫眼”目标的回波功率的模型。这个计算模型如图1所示：在这里B的位置是“猫眼”目标的光学系统，如图1所示入射角为α，A的位置是用来发射激光的光学镜头，如果我们设定发射激光的功率为Pt，那么“猫眼”目标的回波功率是P，回波的发散角为θ，发射激光的发散角为θt，发射光学系统透过率为τs，探测距离是R，用作接收光学系统的透过率为τr，“猫眼”在目标反射面的反射率是ρ，“猫眼”目标的光学系统透过率是τs，焦距为f，物镜的孔径为D，我们不考虑大气的扰动因素，只考虑大气衰减的影响，设定大气的透过率为τ。我们假定大气均匀并且各向同性，激光在大气中传播完全遵循几何光学的光学定律，所以在这里激光光束的能量分布也是近似均匀的；在这里我们可以把激光的能量接收系统看作x，把发射系统看作y。x和y的距离比较小，而且x和i都与光轴相互平行，那么我们可以轻松的计算出B位置的单位面积的激光功率为：

因为激光入射到“猫眼”目标时，与光轴有一定的夹角，所以导致实际的接受面积与孔径面积不相等，入射到“猫眼”目标的有效接收面积是As（即想要经过“猫眼”目标后全部射出的光线就只有入射到该有效面积上），“猫眼”目标在B处得到的反射激光功率为：

假定激光反射回A位置时光斑的面积是S，那么所能接收得到在有效接收面积为Ar的光学系统光敏面上的“猫眼”目标回波功率是：

在实际应用过程中，光学仪器的反射面会存在着离焦的问题，在军用光学仪器上，这是由于装配误差等原因造成的，这样就让“猫眼”目标的反射特性变得更困难了。我们假定反射面在焦平面的后边时为正离焦，反射面在焦平面的前边时为负离焦，假定离焦量为d。

下一步我们就要求出入射角的最大值，用αmax来表示。αmax表示的是在斜入射时的入射角最大值，并且要求在离焦量为大于零的情况下，所用方法是几何光学法。所求αmax如下公式：

如果激光以随便的入射角入射到猫眼目标时，并且这个入射角满足：

这个条件，而且这个“猫眼”系统满足离焦量大于零。那么我们可以算出“猫眼”目标接收时的有效接收面积，下面的图例可以分析计算得到：

首先我们可以在图2中确定有效接收面的位置，就是在图2中标注阴影的面积。由于反射面直径和目标物镜的直径会对入射光线有限制，还有物镜焦距、离焦量、入射角度这些变量的影响。

所以仅在图2标注为阴影的位置的面积和回波功率有关系，根据几何关系可以算出AS为：

假定反射光线的发散角是θs是由于离焦所引起的，那么我们可以根据θs算出回波发散角θ，这个θ是“猫眼”目标反射光线所产生的，此时离焦量大于零。以下是θ的计算公式：

根据前面我们所做的工作，可以算出离焦量小于零的入射角的最大值，也用αmax来表示。αmax表示的是在斜入射时的入射角最大值，并且要求在离焦量为小于零的情况下。所用方法是几何光学法，所求αmax如下公式：

如果激光以随便的入射角入射到“猫眼”目标时，并且这个入射角满足：

而且这个猫眼系统满足离焦量小于零。那么我们可以算出猫眼目标接收时的有效接收面积，由图2可以分析计算得到：

依然假定反射光线的发散角是θs是由于离焦所引起的，那么我们可以根据θs算出回波发散角θ，这个θ是“猫眼”目标反射光线所产生的，此时离焦量小于零。以下是θ的计算公式：

结合离焦量大于零和离焦量小于零的两种情况，联立上述公式，可以计算出在斜入射的情况下和离焦量一起作用的情况下的回波功率计算公式（见文后）。

三 Matlab实现

由公式（12）可以看到，回波功率所涉及的参数较多，计算非常复杂，为方便日后使用，利用Matlab编写用户界面，各参数在界面控件中输入，更加直观方便。

通过在用户界面中填写大气透过率、回波发散角。再通过激光功率、探测距离、入射角、发散角、发射系统透过率、接收系统透过率、目标系统透过率、目标反射面反射率、目标透镜直径、探测器透镜直径、焦距、激光波长、能见度、离焦量数据，点击计算按钮，右侧文本框控件即显示出此参数下的“猫眼”效应的回波功率。

四 結论与展望

本文主要应用几何光学的方法来研究“猫眼”效应的回波特性，首先用几何光学的方法研究“猫眼”效应的物理过程，推导出斜入射情况的猫眼效应的计算模型。加入离焦量对“猫眼”效应的影响，以及入射角、探测距离、能见度等变量，之后利用建立Matlab用户界面。

限于篇幅，本文仅对“猫眼”效应的回波分析采取了几何光学的方法，实际上可以采取物理光学的方法以及蒙特卡

罗的方法对“猫眼”效应综合进行研究，以期得出更加精确的分析结果。

参考文献

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〔责任编辑：林劲〕