“猫眼效应”激光主动探测技术影响因素分析

都元松，董文锋，罗威，黎波涛

(空军预警学院，湖北 武汉 430019)

0 引言

近年来基于“猫眼效应”激光主动探测技术，在光电侦察、追踪及光通信等领域引起了广泛重视[1-3]。由于光电观瞄设备具有一定的反射率，根据光路可逆原理，当其受到一束强激光照射时，能够产生一个相对于其他漫反射目标较强的回波信号[4-6]，尤其是在大的空间范围进行高空远距离目标探测时，光电探测系统的光学回路提供的“猫眼”反射效应，能够大大增强回波强度，这种自身条件是某些目标探测方法不可比拟的。因此，深入研究因“猫眼效应”产生的回波功率计算公式及其影响因素显得尤为必要[7-8]。

1 激光主动探测技术理论分析

由于光电系统内部都具有光学系统结构，其结构类似于猫的眼睛，可实现光的逆向传输[9]，如图1所示。内部有调制盘和光电探测器、光敏面等光学元件。光敏面可实现将入射光束按照原路反射回去，可实现对百公里以外的空中目标实施目标探测。

1.1 “猫眼”光学系统回波功率分析

分析正入射条件下回波功率受目标光电侦查系统口径大小影响在激光主动探测系统中尤为重要，由于激光自身存在一定的发散角，为此激光经远距离传输后势必会形成一定的区域面积，如图2所示。

设激光发射功率为Pt，激光束发散角为θ，经目标光学系统传输后产生的激光发散角为θ′，传输距离为R0，“猫眼”目标半径为r，大气透过率为τ，“猫眼”目标光学透过率为τs，探测系统光学透过率为τl，目标探测器光敏面反射率为τn，目标机身材料反射率为τm，目标正下方表面积为S′，激光探测器缩束装置前端口径面积为S3,后端口径面积为S4，如图3所示。

由上述参数可知，在干扰激光光轴对准被干扰光电探测器时，被干扰目标处产生直径为R0θ的激光光斑，则照射激光在被测目标处的光斑面积为

(1)

目标探测器系统表面积为

AS1=πr2.

(2)

由于干扰激光在传输过程中不仅因吸收和散射现象而损失能量，同时大气温度变化导致大气密度变化，变化的累积导致大气轮廓折射率廓形明显不均匀，由此引发光束抖动、强度起伏、光束扩展以及像点抖动等大气湍流现象[10-11]，由以上分析可知高斯光束经远距离传输后可类比为均匀分布状态，如图4所示。则激光到达目标探测器系统时单位面积功率为

P1=Ptτ/S1.

(3)

由于激光自身存在一定的发散角，入射时势必会产生一定夹角，使得“猫眼”目标有效接收孔径面积与目标探测器系统面积存在一定的偏差，其有效孔径面积[12]为

图2 远距离传输激光发散模型Fig.2 Long-distance transmission laser divergence model

图3 激光缩束装置模拟仿真图Fig.3 Simulation diagram of laser beam shrinking device

图4 激光远距离传输光束扩展示意图Fig.4 Laser long-distance transmission beam expansion diagram

(4)

为此，目标探测器有效接收功率为

P2=P1As.

(5)

经目标探测器反射后的出射功率为[13]

P3=P2τsτn.

(6)

为实现对远距离空中目标实施监测，探测系统在接收端安装激光缩束装置，增大接收端单位面积功率，如图3所示。

激光经无人机光电探测器反射并传输至基于猫眼效应主动激光探测器缩束装置前端激光发散角大小为

θs=θ+θ′.

(7)

如图5所示，激光经目标探测器反射并传输至激光探测器缩束装置前端产生的激光光斑面积为

(8)

激光经目标探测器反射并传输至激光探测器缩束装置前端激光功率为

P5=P3τ.

(9)

激光探测器缩束装置前端接收功率为

(10)

激光经缩束后传送至激光探测器，其光敏面单位面积接收功率为

(11)

1.2 对漫反射目标探测系统作用距离估算

经被探测目标漫反射后的反射功率为

P4=P1τmS′.

(12)

以无人机为辐射源，回波功率经大气衰减传输至基于猫眼效应主动激光探测器缩束装置前端激光接收功率为

图5 激光干扰光电探测器原理示意图Fig.5 Schematic diagram of the principle of laser interfering photodetector

(13)

激光经缩束后传送至激光探测器，其光敏面单位面积接收功率为

(14)

为实现对漫反射目标有效探测，令P9=Pth，经计算激光主动探测系统作用距离为

(15)

式中：Pth=0.03 nW/cm2为探测阈值功率密度(民用器件指标)。

2 仿真与数据分析

2.1 目标本体及光学系统的激光回波功率分析

激光经远距离传输照射至空中目标，当无人机侦察系统与干扰激光光轴正对时，此时目标会产生两种因不同反射率而产生的回波信号，一种来自于机身表面产生的回波，另一种来自因入射光通过光学系统照射至光敏面，由于探测器的反射效应，使得反射光沿着入射光路线原路返回，即“猫眼效应”产生的回波。

设定大气透过率τ=0.165 3，目标表面积A=70 m2，探测距离100 km，光学系统孔径D=0.28 m，机身反射率τm=0.15，光学系统反射率τn=0.65时。

仿真计算不同反射率下单位面积回波功率随入射激光功率变化结果，如表1所示。

表1 不同反射率下回波功率

由表1数据可知，光学系统目标单位面积回波功率是普通机身材料目标单位面积回波功率的2.6倍。验证了光学系统具有“猫眼效应”这一特性。在实际军事应用中，机身材料反射率往往很低，实现对空目标探测采取基于“猫眼效应”技术手段往往更加有效。

2.2 不同发射功率下光学系统回波功率分析

假设激光探头能探测的探测阈值功率密度为0.03 nJ/cm2(民用器件指标)，只要探测系统接收到的回光激光能量大于其探测阈值，即：

P7≥Pth，

(16)

表明“猫眼效应”探测能够实现。

设探测器缩束装置前端口径直径D1为2 m、后端口径直径D2为0.5 m，激光束发散角θ=0.1 mrad，经目标光学系统传输后产生的激光发散角θ′=0.1 mrad，传输距离R=100 km，“猫眼”目标半径为0.28 m，大气传输速率τ=0.165 3，“猫眼”目标光学透过率τs=0.6，探测系统光学透过率τl=0.6，目标探测器光敏面反射率τn=0.65。

由公式(1)～(11)推导可知，光敏面单位面积接收功率随激光发射功率Pt变化如表2所示。

表2 不同发射功率下“猫眼”目标回波功率

由表2可以看出，缩束前探测到的单位面积接收功率远远达不到设计要求，经缩束装置缩束后增大了光敏面单位面积接收功率(基本接近3个数量级)，经仿真计算出的实际单位面积接收功率远大于设计标准。可以证实应用激光主动探测技术经“猫眼效应”产生的回波信号可用于探测对搭载光电系统的空中目标实施目标锁定。

2.3 不同发射角下光学系统回波功率分析

激光经远距离传输，受大气散射、折射、光照强度以及云层等自然条件影响，势必会产生一定的发散现象，不同气候条件下激光经远距离传输激光发散角也有所不同[14-15]。通过仿真实验及数据分析，可设置参数如表3所示，激光发射功率为20 W，激光发散角与“猫眼”目标回波功率之间的关系如表3、图6所示。

表3 不同发散角下“猫眼”目标回波功率

图6 目标单位面积回波功率随激光发散角变化曲线图Fig.6 Target unit area echo power with the laser divergence angle curve

由表3可知，当激光发散角大于0.24 mrad时，探测系统接收到的单位面积回波功率小于其探测阈值，即P2

由图6可以看出探测系统接收到的单位面积目标回波功率随激光发散角的增大成指数倍减小，可见减小激光发散角对有效探测目标回波具有重要作用[16]。亦可通过减小激光发散角的方式，利用较小的激光发射功率达到对目标探测的目的。

2.4 对漫反射目标探测系统作用距离

设定大气透过率τ=0.165 3，目标表面积A=70 m2，探测距离100 km，探测器缩束装置前端口径直径D1为2 m、后端口径直径D2为0.5 m，激光束发散角θ=0.1 mrad，经目标光学系统传输后产生的激光发散角θ′=0.1 rad，机身反射率β=0.15，天气晴朗条件下，按目标高20 km，斜程100 km，机身反射率τm=0.15，探测系统光学透过率τl=0.6，探测阈值功率密度Pth=0.03 nW/cm2。

由式(12)～(15)，仿真计算对漫反射目标探测系统作用距离估算，探测距离用R表示，计算结果如表4所示。

表4 不同发射功率下对漫反射目标探测系统作用距离

由表4可以看出，当发射激光功率达到1 100 kW时，可以通过目标漫反射探测空中目标。图7散点图分布表明，对漫反射目标探测系统作用距离与激光发射功率成线性关系，当激光功率增大到一定数值时，可用于目标探测。

图7 对漫反射目标探测系统作用距离随激光 发射功率变化散点图Fig.7 A scatter plot of the effect distance of a diffuse reflection target detection system with the change of the laser emission power

以上分析表明，激光主动探测技术可类似雷达探测空中目标，通过探测空中目标因强激光照射产生的漫反射回波信号，识别空中目标。相比雷达对空探测，激光主动探测频率可达到THz，且具有较强的抗干扰能力，有望在未来发展中可用于目标成像。

3 结束语

实现对空中目标光电侦察系统的强激光干扰的前提是有效发现目标并进行实时准确跟踪。由于空中侦察目标距离远、目标小、大气透过率低、特征信号弱，对于如何提高检测概率是目前一个重难点问题。基于“猫眼效应”的激光主动探测技术是目前有效提取远距离弱信号回波特征的技术之一。本文就目标反射率、对光学系统目标探测回波功率、大气传输速率以及激光发散角等影响因素进行了较为详细的分析；推导出“猫眼”目标回波功率计算公式；验证了光学系统“猫眼效应”的有效性；证实了激光主动探测技术经“猫眼效应”产生的回波信号可用于探测对搭载光电系统的空中目标实施目标锁定；验证了减小激光发散角对有效探测目标回波具有重要作用；仿真计算出对漫反射目标探测系统作用距离。