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第2 0卷第 3期 20 0 5年 6月

光电技术应用EL ECTRO— OPTI CH NOLoGY C TE APP C LI AT1 0N

VO . 0. . 12 NO 3

J n .0 5 u e2 0

文章编号:6 3—1 5 (0 5 0 17 2 5 2 0 )3—0 2 0 2—0 3

激光主动侦察技术研究乔亚(肥电子工程学院,合安徽合肥 2 0 3 ) 307

摘

要:绍了"眼"介猫效应及激光主动侦察原理,出了激光主动侦察条件下回波功率计算公式,给分析了侦察系

统的作用距离,讨论了光学系统离焦量对反射回波的影响,激光主动侦察问题的深入研究作了有益的探索 .为 关键词:光主动侦察;猫眼效应"侦察距离;电对抗激";光中图分类号:N 7 T 91文献标识码: A

A t d ft e La e t e Re o n is n e S u y o h s r Ac i c n a s a c vQI A0 Ya( l to i En iern nt ueo LA, fi2 0 3,C ia E e rnc gneig Is tt fP c i Hee 3 0 7 hn ), sr c: . ta t Th rn il f ls r a tv e o n i a c n a— y fe ta e i to u e Ab e p i cpe o a e c ie r c n as n e a d c te e efc r n r d c d, a d t e s n h e p e in f t e e h o ri c ie ls rr c n asa c r r vd d,Th e o n is n e r n e i x r s o so h c o p we n a tv a e eo n i n e a e p o i e e rc n asa c a g s a ay e n h n l e c fln ' e a t r r m h o u n t er f c ih— v s ds u s d. lo n ls d a d t e ifu n eo e s d p ru e fo t ef c so h e l tl twa e i ic s e f e g t e e a eb n f il o f rh rr sa c n a t els rr c n asa c . h s r e e i a u t e e e rh o ci a e e o n i n e c t v s Ke wo d: a tv ls r rc n asa c y rs cie a e e o n i n e; c te e ef c; r c n asa c r n e ee to o t a s a—y fe t e o n i n e a g; lc r—p i l cC 1 t rm Pas OL n P 1rP l

目前军事上常用的光电系统包括光电侦察系统,电跟踪系统,电搜索系统,电制导系光光光统,电火控系统以及光电测距系统等 .电技光光术的应用虽然提高了武器系统的命中精度,其尤是被动工作的光电装备具有很强的隐蔽性,也但存在有自身的缺点 .于所有的光电装备都是通由过一定口径的光学系统将目标的辐射/射信号散

望远镜的分划板位于光学系统的物镜焦平面附近,由于来自远处的激光所产生的反射有物像对

应关系,而反射光分布在一个较小的立体角范因围内,射光通常比漫反射目标的回波强很多反

倍,种特性俗称"眼"应 .光侦察技术正这猫效激是利用光学窗口的猫眼效应,过发射激光束对通光电系统和光学观瞄设备进行扫描侦察和识别 .

汇聚

到一个高灵敏度的光电传感器上,电传感光器对汇聚的光信号进行吸收,换的同时,将转会一

1回波功率分析 1 1光学镜头的回波分析 .

部分光信号反射 . 当一束光照射在漫反射目标上时,反射光其

光学镜头由物镜和位于焦平面处的反射面 (敏面或分划板 )成,假设光学系统为一个光构并无像差,衍射的系统 .于激光主动侦察系统无由与目标光电系统之间的距离相对于光学镜头的焦距来说是无穷大,因此可以认为进入目标光学镜头视场内的激光是平行光束 . 图 1所示为侦察系统与目标光电系统光轴

是向各个方向反射的,量分散 .目标距离较能在远时,射光是很弱的 .当目标是一个具有光反但学窗口的光电设备或观瞄设备时,况就大不相情同了 .激光束照射光学系统并进入光学系统视当场时,据光路的可逆性,学系统会将一部分根光激光信号按原光路反射 .电传感器的光敏面或光收稿日期:0 5一O 20 3—3 O

作者简介:乔亚 ( 9 9,, 1 7一)男安徽人,博士,研究方向为光电工程

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第 3期

乔亚:激光主动侦察技术研究

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物镜

水平透过率,r= ep[一 3 9 2× (/ x .1 0 5 ) (· ×2 V],大气能见度 . .5一~· R/;,是

r

物镜

焦平l

'

'

/r

正

S

面^

,

图 1目标光学镜头对正入射激光的反射

共线的情形 .自远处并平行于光轴的激光光束来汇聚在焦平面上的 F点 .于系统具有圆对称由性,线 A在焦平面处产生的反射光将按镜面光 B反射方式沿 B A回 .样, A入射的光 返同沿 B线所产生的反射光线将沿 B返回 .样激光束 A这入射到目标光学镜头后,反射光束将沿入射方其向返回,束截面与入射光束差别不大 .光 假定激光从光学镜头中心发出,且只考虑并大气衰减对激光传输的影响,考虑大气扰动的不影响 .发射激光束的束散角为 0,察系统到设侦目标的距离为 R,从侦察系统出发到目标处则的光斑面积:a b

图 2 g标光学镜头对斜入射激光的反射 t

图 2所示为侦察系统发出的激光斜入射到目标光学镜头的情形 .们考察侦察光束中心线我和目标光轴相交时的回光功率,假定侦察光束并可

以覆盖整个透镜面 .果入射激光中过物镜焦如点的光线与物镜平面的焦点在物镜口径外 (图如 2所示 )则入射光束的发射光线全部被遮挡 . a, 图2 b所示为人射激光中过物镜焦点的光线与物镜平面的焦点在物镜上的情形 .入射的平行光斜

束汇聚在焦平面上的 S点 . C为入射光束令 DS=兀 a 0/ ) R tn ( 2 () 1

中射到物镜边缘的光线;为入射光束中过物镜 焦点的光线; 光线 C关于 z对称的光 CD为 D线.由光线 C在焦平面产生的反射光将按镜面 D反射方式沿 D 向返回; C方由光线 C,焦平 D在面产生的反射光将按镜面反射方式沿 DC方向返回 . 线段以下的光线入射到光学镜头的 C D

目标镜头上焦点处接收到的光功率P, r=( r S) A r P/· () 2

式中 P为发射激光峰值功率;发射光 r为学系统透过率; r为激光单程水平大气透过率;r

为目标光学系统透过率; Ar=兀一目标光,是

学系统口径 (积 ),是目标光学镜头的半径 .面,一 目标镜头反射的光功率:P=P T T汀,rp=P AT r~2/ t p￡ r S () 3

光敏面后,反射光线将因物镜的口径限制被遮其挡 .线 DC与射线 D 间的区域为反射光射 C之束的纵截面 .据几何分析知,射光斑为下图依反中的阴影部分所示 .

式中 P为目标光学系统对入射激光的反射率.目标镜头反射的光束到达侦察系统处的光斑面积:

S=兀 Rtn 0 2 ) ( a (/ )

() 4

e目标镜头反射激光的束散角;察系统可探是侦测到的激光功率:Pr D= P,A D S r r D/

=1 6Pt T D r. . / A A p￡Dy y r

图 3斜入射时的反射光通面

( 2 2 7 oo R ) r,

() 5

图 3中,圆形为透镜的截面, 示焦平面上的 S表汇聚点 S在透镜平面上的正投影 . A垂直于弦 B

式中 AD是侦察系统接收光学口径 (积 )面; r D为侦察系统接收光学透过率;为激光双程 r

OS, 阴影部分关于弦 A对称 . B

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光

电

技

术

应

用

第2 0卷

令侦察系统偏离目标光学镜头的横向距离为 Y,察系统到目标光学镜头的轴向距离为侦

C=AD R O/

( 1 1)

侦察系统接收到的漫反射激光功率近似认为是:,=P r 2 P 2,叫/n:P rr P AD ( n ￡Z 2/ 2 R ) t (2 1)

X.侦察光束与目标光轴夹角:则aca rtn () 6

图 3中阴影部分的面积

: S,=2,ac. n tn ) (. rcs t一 2 f a 0一 a 0=2, aco一 Y (. rcs TX X

2激光主动侦察作用距离分析 目标光学镜头对激光的汇聚反射是侦察系() 7

统的信号,反射背景的回波是侦察系统的噪漫声 .信号没有被噪声淹没时,为侦察系统可当认以检测到目标的存在 .在以侦察光束正入射到现目标光学镜头的情况探讨侦察系统的作用距离估算 .

此阴影部分对入射光束的正投影面积为S cs,o0目标镜头反射的光功率:P丁:P￡ ,o 0 S￡ r r c s/ r () 8

反射光场分布是图 3在垂直于光束传播方向的平面上的投影 .播到侦察系统处,截面传光等比放大 .

对空侦察条件下,目标光学镜头与漫反射当小背景到侦察系统的距离相同时,两者回波功率比:

P D P 1 A r ( 1 1=c1 ( 3 ,/,=4/ A P 0 ) 1)

二者比值只与探测系统和目标的特性有关, 与目标距离无关 .由此可看出,空主动侦察的对作用距离主要受限于光电探测器的探测灵敏度 . 理论上讲,要探测灵敏度允许,使对无穷远只即的光学镜头和漫反射小目标,由于二者的回波功率仍相差一常数,可区分出镜头目标与漫反射仍小目标 .图 4斜入射时的接收光场

对地侦察条件下,面背景构成了侦察的漫地反射大背景 .同距离时,相目标光学镜头和地物背景的回波功率比: P D P 2 2 p￡D ( 2 2 R2 r/,=3 Arrr/』兀 2 ) D=C2 R/ (4 1)

图 4所示为侦察系统接收发射光的情形,其中里面的圆表示侦察系统光学接收面 .收面与接阴影部分有交集时,察系统可以接收到反射侦光;有交集时,察系统接收不到反射光 .没侦1 2空中漫反射小背景的回波 .

即镜头目标和漫反射大目标回波功率的比值与距离平方成反比 .说明即使探测设备的灵这敏度没有限制,一定的距离上,二者比值为在当 1时,头目标将与漫反射大目标的回波功率相镜等 .距离与探测系统自身特性参数和目标的后该向反射角有关 .论上对以地面大目标为背景的理光学镜头进行主动侦察存在最大作用距离 .

对空侦察时,光学镜头的回波通常来自视非场内的飞机,弹等,特点是回波截面小,据导其根雷达方程,推得空中漫反射小背景的反射功率可P,:4 D r

D 1 ( O2 1 P A 1￡ r P/ tR ) () 9

式中 A为漫反射小目标有效反射面积; 1 1 1 0为漫反射小目标对入射激光的反射率 .1 3地面漫反射大背景的回波 .

当侦察光束照射到漫射表面时,表面处向半球空间反射的光功率:P,￡ z=P r p r ( 0 1)

3光学系统离焦量对反射回波的影响分析通常由于误差等原因,敏面不一定正好位光

于焦平面上,因此经光敏面反射的光束有一部分被溢出至孔径外 .在考察正入射条件下光学系现统离焦量对作用距离的影响 .(转第 3下 5页 )

式中 P为表面的反射系数 . 侦察系统的光学接收口面对漫射面所张的立体角:

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第 3期

李红波等:电干扰设备训练模拟系统设计研究光

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记录全部模拟过程,先制定评判标准,每次预在

计算机同时对干扰效果进行显示 . 模拟过程结束可进行训练过程重演和综合评判 . 参考文献蔡晓通信 1陈红,霞 .对抗训练模拟设备的研制及应用 []航天电子对抗,0 3 ( ) 4 J. 2 0,1:7—4 9电子 J. 2胡波 .战指挥训练仿真的概要设计[]中国人 民解放军电子工程学院学报,0 3 ( )5 2 0,6:5—5 7

操作完毕给出综合评判结果,同时可进行训练过程重演 .

5系统控制流程 系统的模拟过程在控制计算机的统一协调下联网进行 .户首先选择作战预案,保证所用在

有计算机初始化完成后,动模拟过程 .启态势显示计算机根据预案的想定产生蓝方威胁态势,模

型计算机产生各种告警信息,给指挥控制计算发机进行情报综合处理,生决策方案,出指挥产发作战命令给下属设备操作席位计算机 .势显示态(接第 2上 4页 )镜 1 / J隹隹平平面口 ●一

吴金平,铭华,珠峰 .艇作战仿真训练系统的陆孙舰功能和关键技术[]潜艇学术研究,0 3,1 2:2 J. 2 0 2 ( )4—

4 7

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夕图 5光敏面正向禹焦 (敏面比焦平面离物镜远 )光

图 6光敏面反向离焦 (光敏面位于焦平面和物镜之间): 2 r t n 2d a ca r_

正向离焦时 (图 5所示 )边缘光线 AB经物镜如,聚焦后通过焦点,与光敏面交于 C点,射光并反线 C超出了孔径范围,反射截面没有贡献 . D对 设透镜半径为 r焦距为 .,敏面离焦量,厂光为 d,离

焦条件下透镜的有效半径:则,

(7 1)

j '

在正入射条件下,据几何关学计算出的光敏面根离焦引起的回波发散角为:

可见离焦量越大,目标光学系统焦距越小, 回波发散角越大 .(5 1)参考文献1王之江,伍树东 .像光学[ . 0 2成 M] 2 0

r:

r

J T"

离焦引起的回波发散角: :2 rt ac ( 6 1)2胡玉禧,安连生 .用光学[ .肥:国科学技术应 M]合中大学出版社,9 6 19

可见光敏面的离焦量越大,镜的有效孔径透越小,回波发散角越大;目标光学系统焦距越长, 透镜的有效孔径越大,回波发散角越小,射光反越强 .

3葛强胜,赤坤 .载激光侦察告警系统的研究[]龚车 J.红外与激光工程,0 3,6:4 2 0 ( )2 8—2 0 5

4赵勋杰,稚允,英远 .于"眼"应的激光侦高张基猫效察技术及其在军事上的应用[]光学技术, 0 3, J. 20( ) 4 5—4 7 7:1 1

反向离焦 (图 6所示 )边缘光线过物镜如,后被光敏面反射,射光线依然位于透镜口径反内,没有引起透镜有效口径的减小,离焦还并但是引起了反射回波的发散 .

5赵铭军,永钊,胡曾小东 .光主动侦察作用距离评激估[]西安电子科技大学学报 ( J.自然科学版 ) 2 0,,0 4()7 2: 2—7 5