基于磁致旋光效应的光电装备隐身技术＊

2012-08-15华文深

光学仪器 2012年6期

董宇，张悦，华文深，褚怡

（1.军械工程学院纳米技术与微系统实验室，河北石家庄 050003；2.军械工程学院电子与光学工程系，河北石家庄 050003；3.中国人民解放军61651部队，北京 100094）

引言

“猫眼”效应［1－2］普遍存在于光电装备的光学窗口中，是对方实施光学窗口主动侦测的物理依据。激光主动探测技术就是利用猫眼效应，通过发射激光束实现对光学目标的扫描、侦察和识别。目前，美、俄等军事强国已经装备了比较完备的集光学窗口侦测、干扰和致盲为一体的激光武器系统［3－4］，在近年来的几次局部战争中，激光主动探测系统凭借其较高的定位精度和快速的探测速度大大提高了战场武器系统的作战效能，凸显出惊人的作战效果和威力，而国内对“猫眼”效应的研究还处于理论分析和实验室研究阶段［5－6］，在应用领域还是空白，在对方具备实施“猫眼”主动侦测的条件下，即使我方采用被动观测方式，如微光夜视仪、热像仪等各种夜视装备，也会暴露无遗。如若不采取反侦测措施，我方必将受到对方激光侦测及其武器系统的压制和破坏，造成光电装备迷盲、失控和失效，因此“猫眼效应”已经成为光电装备的探测威胁。

如何降低“猫眼效应”实现光电装备的“隐身”，成为提高光电装备战场生存能力亟待解决的问题。目前，国内在光电装备隐身技术研究上相对滞后，文献［7］提到了用蜂窝板装置实现狙击步枪瞄准镜的隐身，但是其仅限于在狙击枪瞄准镜上使用且加装蜂窝板后瞄准镜的观察距离会大大降低；文献［8－9］提出通过增加光敏面的离焦量、在光敏面上镀增透膜或对光敏面进行漫反射处理等方法进行光电装备隐身，但这些方法会改变原有光电装备的光学结构，甚至严重影响光电装备的探测性能。由此可见，如何在不改变光学结构及牺牲有限光电装备光学性能的前提下，有效实现隐身成为光电装备反侦测技术的关键。现从降低猫眼回波功率出发，基于特殊晶体的磁致旋光效应，利用晶体的旋光与互易特性，设计了光电装备光学窗口外置隐身装置。

图1 法拉第效应原理图Fig.1 Principle diagram of the Faraday effect

1 基于磁致旋光效应的隐身原理

在磁场的作用下，本来不具有旋光性的物质发生了旋光性，这种现象即为晶体的磁致旋光效应［10］。晶体的磁致旋光效应产生的原理［11］可以解释为：线偏振光总可分解为左旋和右旋的两个圆偏振光，无外磁场时，介质对这两种圆偏振光具有相同的折射率和传播速度，通过一定距离的介质后，对每种圆偏振光引起了相同的相位移，因此透过介质叠加后的振动面不发生偏转。当有外磁场存在时，由于磁场与物质的相互作用，改变了物质的光特性，故这时介质对右旋和左旋圆偏振光表现出不同的折射率和传播速度。二者在介质中通过同样的距离后引起了不同的相位移，叠加后的振动面相对于入射光的振动面发生了旋转，原理图如图1所示。

前人的实验证明，对于一定波长的光，法拉第旋转角θ与晶体的厚度D成正比，表示为：

式（1）中，Vd为费德乐常数，B为磁场强度。磁致旋光晶体的另一重要特性为旋转方向的非互易性。对给定的物质，光振动面的旋转方向仅由磁感应强度B的方向决定，与光的传播方向并与B同向或反向无关，这一特点可使光在介质中往返数次而使旋转角度加大。利用旋光晶体的上述特性，选取一定长度的晶体，使探测激光进入晶体且经猫眼系统反射折回后振动方向发生变化，配合偏振器件的使用达到阻止猫眼回波的隐身效果。

2 隐身装置设计

基于磁致旋光晶体的旋光特性，设计了光电装备光学窗口外置隐身装置，图2为其原理图。隐身装置由一个偏振片和一定长度的磁致旋光晶体组成，加载与光轴方向同向的磁场，磁感应强度的大小与旋光晶体的长度能够保证线偏振光一次穿过后振动方向旋转45°。

图2 隐身装置原理图Fig.2 Principle diagram of the stealth device

光电装备处于正常工作状态时，给晶体加以沿光轴方向的磁场，此时不影响光学窗口正常观察和瞄准目标。当探测系统发射的探测激光通过偏振片时，探测激光变为和偏振片同方向的线偏振光，经过旋光晶体后偏振方向旋转45°。偏振光经隐身装置透射进入猫眼系统后按原路返回再次经过旋光晶体，偏振方向再次旋转45°，旋转角叠加至90°。此时，线偏振光的振动方向与偏振片偏振方向垂直，根据马吕斯定律［10］，此时线偏振光不能透过，因此，猫眼目标回波被截止在了隐身装置内部。显然，此时主动探测系统已探测不到回波信号，猫眼目标淹没在背景中，达到隐身的效果。

3 可行性分析

3.1 磁光晶体的性能分析

由于磁光晶体良好的性能优势，其在器件上的应用越来越广泛。在磁光开关应用中，开关速度非常快，开关时间能达到100ns［12－13］。又由于它的使用频率范围和温度范围大，测量灵敏度高，故被应用于磁光传感器中。例如，掺杂（如Bi、Gd、Ho、Yb、Tb等）的YIG磁光晶体，它具有法拉第旋转角大、饱和磁场小、温度系数低等优点，有利于器件小型化，并且环境温度变化对器件影响小，在极限温度下仍能正常工作，能够满足战场极限环境对装备的环境适应能力的需求；又如TGG型单晶具有大的磁光常数，低的光损失，高热导性和高激光损伤阈值，可以有效抗激光损伤，保证较高的光学透过率。由此可见，磁光晶体具备了应用于隐身装置的性能。

图3 线偏振光反射时偏振方向的变化Fig.3 The variation of polarization orientation

3.2 消光比分析

由偏振光特性可知，偏振光进入猫眼系统再次被反射至旋光晶体时，由于反射镜的反射作用，偏振光的振动方向会发生改变，此时的探测激光再次经过旋光晶体后旋转角度有可能不是90°，偏振片就会“漏光”。因此分析45°旋转角度时隐身装置的消光比以及最佳晶体旋转角度（使消光比最小的旋转角度）的选取能使隐身装置达到最好的隐身效能。偏振光的透射不会改变其振动方向，因此偏振光进入猫眼系统经过透镜后振动方向不变。但是经反射元件的反射，其振动方向会发生改变［14］，且改变量与偏振光的入射角度有关。假设α为偏振光的振动方位角，定义为振动面与入射面的夹角。图3表示了偏振光经反射后的振动方向示意图，其中，M为反射平面，Ei⊥和Er⊥分别为入射光与反射光在入射面的垂直分量，Ei∥和Er∥分别为入射光与反射光在入射面的平行分量，θ1、θ2分别为入射角和透射角。

假设αi和αr分别为入射光和反射光的振动方位角，且定义偏振片方向为零位，那么αi即为磁光晶体的旋转角，则：

已知菲涅尔公式［8］：

由式（2）和式（3）可直接得出入射光振动方位角和反射光振动方位角之间的关系：

由入射光光路图（如图4）分析可知，近轴光线和边缘光线的入射角不同，因此振动面的旋转角度也不相同，若要分析整个光束经隐身装置的消光比，必须从光线元入手进行分析。设AB为一光线元，距光轴的距离为r，且经透镜后聚焦于反射元件上的入射角为θ1，边缘光线入射角为θe。

假设透镜的焦距为f，透镜口径为D则：

由反射定律可得：

由式（4）～式（7）可以求得入射角为θ1的光线元的振动方位角αr，经猫眼系统反射后再次经过磁光晶体后，线偏振光旋转的角度总和为αr＋αi。

假设入射光总能量为I，则距光轴的距离为r的光线元能量为：

光线元回波透射出偏振片的光强为：

那么，对光线元沿整个入射面积分，得到探测激光回波总能量为：

由式（4）和式（10）可知，探测激光回波总能量Ir是关于磁光晶体的旋转角αi的函数，对两式进行数值仿真，各参量设置为：f＝200mm，D＝40mm，I＝1，得到归一化的Ir与αi的关系曲线，如图5所示。

图4 消光比分析示意图Fig.4 Schematic diagram of extinction ratio analysis

图5 归一化回波总能量与磁光晶体旋转角度关系曲线Fig.5 Normalized echo power vs rotation angle of magneto－optic crystal

由消光比定义可知，归一化的回波总能量在数值上等于消光比，因此消光比与旋转角度的曲线关系近似三角函数。当αi＝45°，消光比为5×10－6，且最佳晶体旋转角度为αi＝44.94°或－44.94°。仿真结果表明，当旋光晶体旋转角αi＝45°时，隐身装置能达到良好的消光效果，将探测激光回波阻断，达到隐身的目的。

3.3 像质分析

隐身装置的引入势必会影响光学系统的工作性能，如瞄准精度、观察距离等等，因此闭眼系统对光学系统工作性能的影响程度，是决定“猫眼”目标隐身成败的关键。设计像质［15］对比试验，对加装装置前后光电装备观察窗口的成像质量进行对比，来分析闭眼系统实现隐身的可行性。实验在白天晴朗条件下进行，将偏振片与旋光晶体组合加装于望远镜物镜前端，目镜端的成像信息由CCD摄像头接收，图6分别给出了加载装置前和加载装置后所采集到的像质对比图像，从图中可以看出，闭眼装置对仪器的成像质量并没有造成十分明显的影响。为了对像质降低程度进行定量分析，引入平均通光衰减率η来评价像质降低量，平均通光衰减表示式为：

式（11）中，M×N 为图像像素数，g（i，j）为图6（a）中坐标位于（i，j）位置的灰度响应值，对应于图6（b）中的灰度响应值为g′（i，j）。经计算，可得到加装闭眼系统后的通光率平均减少了9.22%。由仿真数据可知，隐身装置对像质的影响很小，因此，在允许“牺牲”有限成像质量的情况下，利用该设计，可有效减弱光电装备的“猫眼”效应，实现较好的隐身效果。

图6 像质对比实验结果Fig.6 Comparison of measurement results for the image quality

4 结论

针对战场环境下光电装备隐身的现实需要，从降低猫眼目标的回波功率出发，研究了磁致旋光晶体的旋光与非互易特性，设计了外置加固装置来降低或消除猫眼回波。给出了隐身装置的结构、工作原理，利用光线元的方法对隐身装置的消光比进行了数值仿真，并通过实验验证了该装置的可行性。仿真及其实验结果表明：当磁光晶体旋转角为45°时，消光比为5×10－6，能实现良好的消光效果，且计算得最佳晶体旋转角度为44.94°或－44.94°；加装隐身装置的光学窗口像质降低了18.63%。装置性能、消光比以及像质下降数据表明：该设计可以实现良好的隐身效果，对于战场环境下光电装备反侦测能力的提高具有重要的意义。

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