基于_猫眼_效应的激光回波功率理论分析_李双刚

第35卷，增刊 红外与激光工程 2006年10月V ol.35 Supplement Infrared and Laser Engineering Oct.2006基于“猫眼”效应的激光回波功率理论分析李双刚，程玉宝（电子工程学院光电系，安徽合肥 230037）摘要：激光主动侦察技术是利用光电系统的光学窗口对入射激光具有很强的反射回波的“猫眼”效应来实现对复杂漫反射背景中的光学窗口侦察、定位。

对基于“猫眼”效应的激光回波功率从理论上给出了详细的公式推导，并进行了应用分析和定量计算。

这对激光主动侦察中的激光器功率、作用距离等参数选择有着重要的意义。

关键词：激光主动侦察；激光回波功率；“猫眼”效应；探测定位中图分类号：TN977 文献标识码：A 文章编号：1007-2276(2006)增A-0080-04Theoretical analysis on echo power of active laser reconnaissancebased on “cat-eye” effectLI Shuang-gang, CHENG Yu-bao(Electro-optical Department, Electronic Engineering Institute, Hefei 230037, China)Abstract：In order to scout and locate the optical windows of electro-optical equipment in complex diffuse reflecting background, the “cat-eye” effect that optical windows have a high echo to incident laser is used in active laser reconnaissance. The detailed formula for laser echo-power of the “cat-eye” effect is theoretically deduced. Moreover the applied range of the formula is discussed and the quantitative computation of laser echo-power is given. It’s important to the parameter selections in the active laser reconnaissance, such as the laser power and action range.Key words：Active laser reconnaissance; Laser echo power; “Cat-eye” effect; Scout and locate0引言近20年来，多种军用光电武器与装备在情报侦察、夜间作战、远程空袭等作战行动中发挥了极其重要的作用，如：光电侦察系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电制导系统、光电火控系统等。

这些光电系统的光学窗口对入射激光具有很强的按原路反射的特性，通常比漫反射目标的回波强102～104倍，这种特性俗称“猫眼”效应[1]。

激光主动侦察技术正是利用了光学窗口的“猫眼”效应，其基本原理是，通过发射激光束对战场进行扫描，一旦扫描光束照射在远方的光电系统和光学观瞄设备上，则回波强度会比漫反射回波强几个数量级，据收稿日期：2006-08-14作者简介：李双刚（1975-），男，安徽池州人，讲师，研究生，主要从事光电技术应用方面的教学和研究。

增刊 李双刚等：基于“猫眼”效应的激光回波功率理论分析 81此可以对在复杂的漫反射背景中的光学窗口进行侦察、定位[1~3]。

这种激光回波功率的计算，对激光主动侦察中的激光器功率、作用距离等参数选择有着重要的意义。

因此，本文从激光入射、反射、大气传输等方面，对基于“猫眼效应”的激光回波功率从理论上进行了定性分析，并给出了详细的公式推导。

1 光学窗口激光回波功率计算公式的推导由于不同的光电系统的具体光路不尽相同，为了简化分析，这里通过对单透镜与其焦平面附近的反射物（如探测器或分划板等）组合这样一种比较简单的光学系统为例，同时假设光学系统是一个没有像差、无衍射的系统，激光为正入射，通过计算分析来了解激光回波功率的大小量级以及与主要参数的关系。

1.1 漫反射板在焦平面上如图1所示，被侦察光学窗口的透镜焦距为f ，孔径为D 。

假设激光束正入射于光学窗口后被会聚于探测器光敏面上焦点处，为简化分析，假定反射平面是朗伯漫反射平面，漫反射光中的一部分将通过透镜被反射回去，出射光在远处的发散角为：0 2.44Dλθ= (1)式中：λ为激光波长。

假设侦察激光器发射的激光脉冲峰值功率为t P ；发射光学系统透过率是t K ；不考虑大气的扰动，单程大气透过率是a T ；发射激光束发散角是t θ。

设光学窗口距激光器的距离是R ，则激光入射到光学窗口的功率密度为（假设光学窗口是小目标）：t t at 22t 1(π)4P K T E R θ=(2)进入光学窗口的功率1P 为：21t1(π)4P E D =i (3) 设光学窗口漫反射板的半球反射率为ρ，则被反射且能按原路返回的功率为：2212222t 221π41[()]2π21(π)482D P P f D D E D f D ρρ=+=+i i i i i i (4)由公式（1）可知光学窗口的出射发散角为0θ，则在地面上接收到的激光回波功率r P 为：图1 无离焦量的光学窗口“猫眼”效应示意图 Fig.1 “Cat-eye” effect of optical windows withoutdefocusing amount82 红外与激光工程：光电系统总体技术 第35卷rr 2a r 22024t t r r a22422t 01(π)44π(82)A P P T K R P K K A T D R f D ηθηρθθ==+i i i ii (5) 式中：r K 是接收光学系统透过率；η是收集系数；r A 是接收光学系统口径面积。

由此可见，回波功率与发射功率、发射激光束散角、回波发散角、光学窗口透镜口径、焦距、目标特性和大气条件等因素有关。

1.2 漫反射板有一定的离焦量实际应用中，由于误差等原因，很难保证探测器光敏面正好处在焦平面上，如图2所示。

这时正入射的激光束被会聚于焦点O ，由于漫反射板有一定的离焦量δ，因此在漫反射板上形成直径为A B ′′的亮斑，该亮斑相当于一个呈漫反射的发光源，显然有很大一部分反射光将按原入射方向返回。

由几何光学知识可知，反射出射光在远处的平面束散角为[4]：02()D ff δθδ=+ (6)无离焦量即0δ=时，0θ以衍射极限2.44Dλ计算。

有离焦量即0δ≠时，0θ由公式（6）计算。

将0θ代入公式（5），即可得到正入射到有一定离焦量的光学窗口上的激光回波功率。

图2 具有离焦量的光学窗口“猫眼效应”示意图Fig.2 “Cat-eye” effect of optical windows with defocusing amount2 光学窗口激光回波功率的理论计算现以某卫星为例，实施激光主动侦察。

假设卫星距离地面的高度R 是可变的，则需要根据系统的作用距离来选择激光器的功率。

假设使用10.6 µm 的CO 2激光器，在中纬度夏季，能见度为23 km 时，10.6 µm 的激光垂直穿越大气的透过率为0.36，而冬季的透过率为0.62[4]。

计算时取单程大气透过率a 0.36T =。

若激光侦察系统发射的脉冲激光峰值功率t P 为1 MW ；发射光学系统透过率t K 为0.9；发射激光束发散角t θ为1 mrad ；接收光学系统透过率r K 为0.9；光学窗口漫反射板的半球反射率ρ为0.2；接收系统的收集系数η为0.5；地面接收口径面积r A 为0.008 m 2。

卫星高空成像要求比较高，可以假设成像器件位于光学窗口的焦平面上，不必考虑离焦量。

若卫星增刊李双刚等：基于“猫眼”效应的激光回波功率理论分析83光学窗口的直径为2.0 m，焦距为1.5 m，最低轨道为160 km，最高轨道为1 000 km，则对该卫星使用“猫眼”效应进行探测定位的可行性分析如表1所示。

表1卫星距离地面不同高度下的激光回波功率计算Tab.1 Quantitative computation of laser echo-power from different altitudinal satellites卫星轨道高度160 km 250 km 500 km 600 km 650 km 700 km激光回波功率/W 6.0×10-4 1.0×10-4 6.3×10-6 3.0×10-6 2.2×10-6 1.60×10-6能否探测定位能能能困难不能不能由计算结果可知：在上述技术参数不变的情况下，使用激光脉冲峰值功率为1 mW的激光器，利用“猫眼”效应，对距离600 km以外的卫星难以进行侦察定位，随着侦察距离（即作用距离）的增大，则需要增大激光器的功率或改变其他技术参数，才能满足激光主动侦察的需要。

3结论需要说明的是，这里计算回波功率，考虑的是比较理想的情况，实际情况要复杂得多，比如透镜会有像差、探测器表面也不可能是朗伯平面、反射平面的法线与光轴的夹角不等于零、入射激光束与系统的光轴有夹角等等，它们都会降低入射激光的回波功率。

大气的扰动对回波探测也有较大的影响，但即便对于复杂的实际情况，上述分析过程依然是适用的，主要结论在定性上是合理的[4]。

参考文献：[1] 赵勋杰，高稚允，张英远.基于“猫眼”效应的激光侦察技术及其在军事上的应用[J].光学技术，2003，29（4）：415-417.[2] 孙晓泉，吕跃广.激光对抗原理与技术[M].北京：解放军出版社，2000.[3] 葛成良，黄志伟，季云松，等.基于“猫眼效应”的目标识别[J].强激光与粒子束，2003，15（7）：632-634.[4] 程永强，谭荣清.CO2激光的大气传输特性[J].光电技术应用，2006，21（2）：9-13.。