基于“猫眼效应”的激光主动探测技术应用研究

都元松,董文锋,罗 威,黎波涛

(空军预警学院,湖北 武汉 430019)

1 引 言

近年来,无人机研制成果得到突破性进展,并在几次局部战争中大放异彩。为应对“全球鹰”无人机对我国沿海等重要军事设施光电侦察,采用强激光干扰是应对“全球鹰”无人机光电侦察的有效手段之一,但对远距离激光干扰效果评估并没有找到较为有效的评估方法。基于“猫眼效应”的激光主动探测技术能够有效提高激光回波功率,而“全球鹰”无人机探测系统的结构符合“猫眼”系统理论,为此我们认为将“猫眼效应”应用于强激光干扰“全球鹰”无人机光电侦察系统的效果评估,是一种较为有效可行的方式方法。

现有的对“猫眼效应”研究大多从激光发射端、大气衰减、目标探测系统光学孔径以及反射端影响出发。如文献[1]提出的一种利用激光信号检测设备,在外场测量试验点位的激光信号参数,同时在内场建立光电探测器激光损伤阈值库,最后结合光学观瞄设备的光学系统参数来评估强激光的干扰效果；文献[2]分析了强激光在大气传输中产生的折射、吸收、散射和湍流等线性光学效应,以及热晕、受激拉曼散射和大气击穿等非线性光学效应；文献[3]对激光发散角的影响进行了研究；文献[4]从光学角度分析了猫眼镜头在连续激光主动探测下的正、负离焦等效模型；文献[5]分析了倾斜离轴高斯光束通过猫眼光学系统的回波特性。文献[6]提出基于压缩感知的猫眼识别算法,能够测量多输入主、被动图像的向量,并在重建前直接处理。实际光学系统与理想“猫眼”系统相比可能存在离焦现象,因此本文将研究并推导离焦量对“猫眼”目标回波发散角的影响,以及在不同入射角度情况下对目标回波功率的影响,得出对“全球鹰”无人机干扰有效性的判定,为下一步评估对“全球鹰”无人机干扰效果做铺垫。

2 激光入射“猫眼”系统理论模型

2.1 激光主动探测模型

由于光电探测设备光学通道内部构造存在“猫眼效应”,通过激光照射光学侦察设备,检测因“猫眼效应”产生的回波功率大小,从而可以实现对空中光学侦察目标的检测。

随着探测器的晃动或改变光照的角度,光线能够灵活的移动以及自由开合,多路光线经探测系统后会使得光路变窄或合成为一条或几条亮带,且单位面积内的光功率会有所增加,如图1(a)所示。其现象如同黑夜中猫的眼睛被光照射后而发出的光,这种奇特的光学现象称之为“猫眼效应”。根据“猫眼效应”,当干扰激光对敌侦察设备进行照射时,经光学孔径发射的激光会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]。“猫眼效应”具有能够使探测光线按照原路返回以及增强回波能量的特点。

正入射光线从AA1、AA2入射,经光学透镜汇聚到焦点O,被光敏面反射后分别沿BB1、BB2方向从光学透镜中射出。“猫眼效应”简单物理展开模型,如图1(b)所示。

图1 “猫眼效应”等效模型

2.2 离焦量对“猫眼”回波发散角的影响

由于设备在安装及制造过程中存在误差,焦点与光敏面并非如理想状态下在同一焦平面上,因此离焦量势必将会影响猫眼目标的回波发散角,从而影响接收端的回波功率。设“猫眼”目标透镜半径为r；“猫眼”目标透镜直径为D；焦距为l；离焦量为d；离焦情况下的入射激光光束半径为r′；回波发散角为θs。图2表示正离焦情况下的猫眼目标等效模型,图3表示负离焦情况下的猫眼目标等效模型[4]。

图2 正离焦情况下“猫眼”效果图

图3 负离焦情况下“猫眼”效果图

正离焦情况下,根据三角形相似定理可得:

(1)

(2)

则由式(1)和式(2)推出:

(3)

则有:

(4)

在负离焦情况下,同理可得:

(5)

2.3 激光入射角对猫眼回波功率的影响

分析正入射条件下正、负离焦对回波发散角和回波功率的影响显得尤为重要,现具体分析推导如下。设θ为发射激光束发散角；θ′为回波反射角；R为探测距离；pt为激光发射功率；P为回波功率；τt为发射端孔径光学透过率；τs为猫眼目标光学透过率；τr为接收光学透过率；τ为大气透过率；D“猫眼”目标直径；As为“猫眼”目标有效孔径接收面积；γ为目标透镜透射率；D′为回波探测器透镜直径。

由上述参数设置可知,当激光照射至目标透镜时的光斑直径为θR,则照射激光在被测目标处的光斑面积为:

(6)

由于激光照射探测器时,势必会产生一定的夹角,使得“猫眼”目标有效孔径接收面积理论值与真实值存在一定的偏差,所以猫眼目标存在一定夹角时,其有效接收面积[8]为:

(7)

图4 回波探测器接收功率最大偏离角变化态势图

设激光到达目标透镜入射时功率密度为p1,则有:

(8)

设激光经目标透镜传播出射时功率为p2,则有:

(9)

设探测激光经猫眼效应反射到接收镜头处的光斑面积为S,则S为:

(10)

其中,θ′=θ+θs；

则当激光照射至接收端前段透镜时,功率密度p3为:

(11)

当激光照射至接收端光敏面时,接收功率p4为[9]:

(12)

3 不同波长下激光发散角测量

图5 激光扩束等效模型

由于激光在远场存在一定的发散角,对于满足高斯分布的激光光束,与之对应的激光发散角内的能量占据总能量的86.5%[10]。激光发散角越小,其单位面积所占能量比例越大,为了实现在特定距离上全部光斑均落在目标上,要求激光发散角尽可能的减小。高斯光束轮廓图如图6所示。由图可知随着距离的不断增加,发散角也随之不断增大(θ2>θ1),当达到一定距离时,以恒定的锥角不断叠加[11],激光的发散程度由发散角来决定,因此我们采取如图5所示方式增大激光出射孔径,并减小激光波长,以达到减小发散角的目的。

图6 照射激光发散角轮廓模型

图7 激光器实测模型图

表1 635 mm激光器发散角σ变化结果

表2 808 mm激光器发散角σ变化结果

4 仿真与数据分析

4.1 离焦量变化对激光回波发散角影响

由公式(4)和公式(5)可知,仿真计算离焦量对猫眼回波发散角的影响,结果如表3和图8(a)所示。其中l表示焦距,d表示离焦量,θs表示正离焦,用θs1表示负离焦。

表3 离焦量对猫眼回波发散角的影响

由表3可以看出,随着离焦量的不断增大,其正、负离焦的回波发散角不断增大,且相邻间回波发散角差值却随着离焦量的不断增大而减小。由图8(a)可以看出,正离焦量的变化速度小于负离焦量的变化速度示。

当l≫d,如“全球鹰”光电/红外探测器焦距l=1.75 m[12],离焦量对猫眼回波发散角的影响如表4和图8(b)所示。

表4 l≫d时,离焦量对猫眼回波发散角的影响

图8 回波发散角随离焦量变化态势图

4.2 入射角变化对激光回波功率的影响

假设被测目标光电探测器CCD位于焦平面上,激光出射功率为3×106W,激光发射时激光束发散角为1 rad,探测距离为104m,波长0.523 μm,离焦量为0,发射端孔径光学透过率为95%,接收端光学透过率为95%,大气透过率为80%,“猫眼”目标光学透过率为99%,目标透镜透射率为98%,“猫眼”目标回波发散角为1 rad,“猫眼”目标直径为28 cm,回波探测器透镜直径为30 cm。采用公式仿真计算不同偏离角下的目标有效孔径接收面积以及回波探测器接收功率,如图9和10所示。

图9 “猫眼”目标有效孔径接收面积随入射角变化曲线图

图10 回波探测器接收功率随入射角变化曲线图

由公式(12)可知,“猫眼”目标有效孔径接收面积与回波探测器接收功率成正比。一般而言,随着激光功率密度由小增大,探测器的响应依次经历4个区域:线性区、饱和区、混沌区、零输出区。激光功率密度较小时,探测器输出电压随激光功率密度的增大而线性增大,此时位于线性区内,即探测器的正常工作区域。由图10可以看出,回波探测器接收功率随着入射角度的变化存在着一定的线性关系。

为实现对“全球鹰”无人机光电探测系统有效干扰,我们采取激光主动探测技术对“全球鹰”无人机实施强激光干扰,并对经“全球鹰”无人机光电侦察系统反射回来的激光回波功率进行探测,在模拟仿真场景下,设置探测器检测灵敏度为2.6×10-5W,当被测“猫眼”目标光学系统孔径一定时,可以反演出入射角的最大值为1.172 rad,当入射偏角超过其最大入射偏角时回波探测器探测不到经“全球鹰”无人机光电侦察系统反射回来的激光回波功率,视为探测无效或没有发现目标。

5 结 论

实现对无人机光电侦察探测系统的强激光干扰前提是有效发现目标并对其进行实时跟踪,由于目标距离远,特征信号弱,如何提高检测概率是目前的重要难点之一。猫眼效应是有效提取回波特征的技术之一；分析猫眼效应的原理,指出猫眼效应的效果受到被测光电侦察系统光学系统的结构误差影响,分析了被测光电系统光敏面离焦情况下,猫眼回波的功率强弱与探测激光入射角、被测目标有效接收面积的关系,推导并计算出激光探测有效时入射角度的范围。研究可为实施对无人机光电侦察系统的有效跟踪和干扰创造条件。