_猫眼_目标回波功率的影响因素分析

_猫眼_目标回波功率的影响因素分析 第 卷 第 期年 月红外与激光 38 3 2009 6 Vol.38 No.3 Infrared and Laser Engineering Jun.2009 “猫眼 ”目标回波功率 的影响因素分析 1 2 1 1 1 1 1 1 张 博 ，牛 燕 雄 ，张 雏 ，杨 海 林 ，姜 楠 ，陈 燕 ，王 龙 ，严 文 科 ，吴 代 辉 3 ,解放军军械工程学 院 光学与电子工程系 ，河 北 石 家 庄 ,1. 050003 2. 北京航空航天大 学 仪器科学与光电工程学院 ，北 京 100083, 3. 解 放 军 73043部 队 ，江 苏 苏 州 215101 , 摘 要 , 光电系统广泛存在着所谓的 “猫眼效应 ”，针 对“猫眼”目标的反射特性， 建立了正负离焦时 “猫 眼”目标回波发散角数学模型，采用几何光学方法对正入射条件下具有“猫眼效应”光学系统的回波发散角进 行了推导， 总结出离焦 条件下 “猫眼”目标的回波功率计算公式， 分析 了各因素对 “猫眼”目标回波功率的影 响，并对理论分析的结果进行了验证。 结果表明,“猫眼 ”目标的回波功率受发射激光参数 、大气透过 率 、“猫 眼”目标光学系统参数等诸多因素影响，其中压缩激光发散角、提高发射功率能够显著增强回波功率，增加大 中 图 分 类 号 ,文 献 标 识 码 ,文 章 编 号 ,TN249 A 10072276(2009)03042004 --- 气能见度和“猫眼”目标反射面反射率同样增加回波功率，而离焦量的增大则会引起回波功率的衰减。 关 键 词 ,“猫 眼 ”效 应 , 回 波 发 散 角 , 回 波 功 率 , 离 焦 量Analysis of influence factors for reflected wave power of “cat蛳eye” target 1 2 1 1 1 1 ZHANG Bo，NIU Yan蛳xiong，ZHANG Chu，YANG Hai蛳lin，JIANG Nan，CHEN Yan， 1 1 3 WANG Long，YAN Wen蛳ke，WU Dai蛳hui ,1.Department of Optics and Electron Engineering , Ordnance Engineering CollegShijiazhuange, 050003， China , 2. School of Instrument Scienceand Opto 蛳electronics Engineering ，Beijing University of Aeronautics and Astronautics ， Beijing 100083 ，China ,3. 73043 Army Unit, PLA, Suzhou 21510China1, , Abstract: “Cat蛳eye effect” exists in mosto f the electro蛳optical systemw idely. In ordert o analyze this refl 蛳 ective characteristic of the “cat蛳eye” target, them athematic model of divergent angle for reflected wave of “cat蛳eye” target had beebun ilt when the edfocus was positive and negative. The divergent angle of “cat蛳eye eect” system was erdved by using the method of geometrca optcs when the ncdence ange ffiiliiilwas zero. The cmoputation formula of reflected wave poweor f “cat蛳eye” target had beene ridved in the condition of defous. The various influence factors for the reflected wave po wer were a nalyzed. The conlcusion was drawn by the analysis software, and verified. The results show thatr eflected wave poweor f “cat蛳eye” target is influenced by many factors such as the parametoefrs la ser, atmospheric transmittivity, optical system parameterso f “cat eye targ”et. The r eflected power will be increasde evidently by reducing the divergent angle and enhancing the emitting power, likewise, by increasing atmospheric visibility and reflectivity of the reflecting plane of target,w hile power of the reflected wave will attenuatew ith the increasing of the defocus value. Key words: Cat蛳eye effect; Reflected wave divergent angle; Reflected wavepo wer; 收 稿 日 期 ,2008-09-08 , 修 订 日 期 ,2008-10-10 作 者 简 介 , 张 博 ,1984- , ， 男 ， 山 西 介 休 人 ， 硕 士 生 ， 主 要 研 究 方 向 为 激 光 主 动 侦 察 。 Emai l:zhangbo_0305@yahoo.cn Defocusing distance 导 师 简 介 , 牛 燕 雄 ,1967-,，男 ，河 北 无 极 人 ，副 教 授 ，博 士 ，主 要 从 事 激 光 主 动 侦 察 方 面 的 研 究 。 Email: nyx@mail.tsinghua.edu.cn 的 大 小 ,因 此 ，分析正入射条件下反 射 面 离 焦 量 引 起 的 言 回波功率发散角很有必要 。现 推 导 如 下 ,设 “猫 眼 ”目 光 学 仪 器 分为观瞄仪器和探测仪器 ， 可 简 化 为 一 标 透 镜 的 直 径 为 D，半 径 为 r，焦 距 为 f， 反射面离焦透镜和一个反射面的组合 。观 瞄 系 统 ,如 望 远 镜 , 量为 d，离 焦 情况下入射的有效半径为 r′ ， 设 回 波 发 散 划板可视为反射面， 而探测光学仪器, 如 激 光 测 角 为 θ，回 波 反 射 角 为 θ′，图 2 为反射面正向离焦 情 s ,的 光 敏面可视为反射面 。 当 一 束 激 光 入 射 到 光 况 。 器的镜头时 ， 由 于 反射面的 反射使光束原路返 生沿入射方向的 能 量集中 、亮度高的反射光 。光 统对入射 光具有很强的沿原路返回特 性 称为 “ 猫 [1-4] 应 ”。基 于 “猫 眼 效 应 ”探 测 “猫 眼 ”目 标 图 2 正 离 焦 条 件 下 “ 猫 眼 效 应 ” 等 效 模 具 有 很 型 应 用 价 值 ， 通过探测光电设备的光学窗 口 能够实 Fig.2 Equivalentmodel of positivefocal shift “cat eye 目标的快速准确定位 ， 根 据 “ 猫 眼 ” 目 标 的 回 波 effect ” r′ r 功 = 根据三角形相似性， ，得 到 正 离 焦时 23 约是背景漫反射功率的 倍 可 实 现 对 10~10f f+2d“ 猫 标 的 探 测 ，因 此 ，深 入 分 析 “猫 眼 ” 目 标 回 波 功 “猫 眼 ”目标的 有效孔径半径率 为 , 算公式及其影响 因 素具有很高的研究价值 。 fr fD r′ = = (1) f+2d 2(f+2d) 文 中建立了 “猫眼效应 ”等 效 物 理 模 型 ，在 此 基 础 正 离 焦 条 件 下 “猫 眼 ”目标的回波发散角上 了正负离焦情况下的目标 “猫 眼 ”的 数 学 物 理 模 为 , 型 ， fr r- 了正入射条件下离焦引起 “猫 眼 ”目标光学系统θ f+2d 2rd s = tan =回 散角公式和回 波 功率计算公式 ，分析并仿真了激光 2 f f(f+2d) ,发 射 功 率 、束 散 角 ,“、猫 眼 ”目 标 特 性 ,反 射 面 离 θ 2dD s θ 2 tan = (2) ?s 焦 2 f(f+2d) 射率 ,和大气透过率等因素对回波功率的 影响 。 反 射面负离焦情况如图 所 示 ， 有效半径等于目 3 猫 眼 ”目标回波功率的计算 为了运用几何光学的方法推导“ 猫 眼 ” 目 标 回 波 角 ，可 将 “猫 眼 ”目 标的物理模型等效为 两 个透 镜 [5] 个反射面组成的 “”模 型 如 图 所 4f 1 示 。 图 3 负 离 焦 条 件 下 “ 猫 眼 效 应 ” 等 效 模 型 Fig.3 Equivalentmodel of negativef ocal shift “cat eye effect ” 标 透 镜 半 径 为 ，根据三角形相似性得 ,r r(f2d)- x= (3) 图 1 “ 猫 眼 效 应 ” 等 效 模 f 型 “猫 眼 ”目标回波发散角 Fig.1 Equivalentmodel of “cat eye effect ” 正 入 射 光 线 AA经 透 镜 汇 聚 到 O 点 ， 被 光 敏 面 为 , 1 θ r-xs tan = 反 2 f 沿 BB方 向 传 播 ，根据光路对称性 ，AA入 射 则 从 1 2 出 射 。 相 当 于 将 “猫 眼 ”目标的反射光线等效为θ 2Dd s θ ?2 tan = (4) s 2 图 2 出 射 光 线 。 具 有 “猫 眼 效 应 ” 的 光 电 设 备 ， 由 于 f 装 [6] 加 工 误 差 ， 其 光 敏 面 、 分划板不一定 正 好位 于焦 假 设 “ 猫 眼 ” 目标回波功率计算公式 各 参 数 , 发 上 ，离焦量的产生不 可 避 免 地 影 响 “ 猫 眼 ” 目 标 射 激光的束散角为 θ, 回 波 反 射 角 为 θ′, 探 测 距 离 为 的 接收孔径 面 积 和 回 波 发 散 角 ， 进而影响回波功率 R ， 发 射 激 光功 率 为 P, 回 波 功 率 为 P ， 发 射 光 学 系 t 422 卷第 红 外 与 激 光 工 程 38 图 为不同发射功率条件下 ， 激光发散角与回 波透 过 率 τ， “ 猫 眼 ” 目 标光学系统透过率 τ， 接 收 4 t s 光 学 功 率 的 关 系 。 从图中可以看 出 , 发 射 激 光 束 参 数 对 回 系 统 透 过 率 为 τ，大气的透过率为 τ，“猫 眼 ”目 标 r 反 射 面 反 射 率为 ρ, “ 猫 眼 ” 目标透镜直径为 D ， “ 猫 眼 ” 目 标有限孔径接收面积为 A， 回波探测器s 透镜直 径 为 准， 回波探测器接收面积为 A， 得到正负离焦条件 下r “猫 眼 ”目标有效接收面 2 fD 积 。(5) A =πr′ = s 2(f+2d) π 正 离 焦 时 ，“猫 眼 ”目标的有效接收面积 负 离 焦 时 ，“猫 眼 ”目标的有效接收面积图 4 激 光 发 散 角 与 回 波 功 率 的 关 系 曲 线 为 , 为 , 2 Fig.4 Divergence anglevs reflectedwave power 2 D 2 =π A =πr(6) 22 s 2 波功率的影响主要表现为 随着发射激光发散 角的 增 “猫 眼 ”目标的反射角大 ，“猫 眼 ”目标的回波功率逐渐衰减 ，这是因为发射 为 , 激 (7) 光远场的能量特性主要是 由 发 散 角 决 定 的 ，发 散 角 增 θ′ ,θ ,θ s[7]大引起单位面积 的 远场能量减小 ，“猫 眼 ” 目 标 有 效 对于一般的光学系统有 , ，代 入 公 式 、、f 垌d(2)(4) 接 收 孔 径 有 限 ，回波功率产生衰减 。 同 时 可 以 看 出 ,回 波 (5)、(6)得到“猫 眼 ”目标的回波发散角为 , 功率 与激光发射功率成正比 。在实际应用过 程 中 考 虑 2dD θ=(8) s 2 到提高发射功率成本较高 ，而 采 用 压 缩 发 散 角 的 方 法 。 f 图 给出不同激光发散角作用下 ， 探 测 距 离 与 回5 “猫 眼 ”目标的有效接收面积 波 功 率 的 关 系 。随着探测距离的增 加 ，“猫 眼 ”目 标 的 为 , 2 1 回 (9) A= πDs 波功率逐渐减小 ，这是由于两方面原 因 共 同 引 起 的 ，一 4 方 面 ，探测距离的增加 引 起 “ 猫 眼 ” 目 标 处 光 场 面 积 将 公 式、、代 入 “猫 眼 ”目标回波功率公(7)(8)(9)的 式 , 增 大 ，发射功率恒 定 则 单 位 面 积 光 功 率 减 小 ,另 一 2 2 方 16Pρττ ττA面 ，探测距离会影响 大 气的透过率 ，表现为激光的大 气 t t s r s P= (10) 2 4 2 ′ 2π R θ θ A透过率随探 测距离的增加而减小 。 发 射 功 率 、发 散 角 r 对回 波功率有显著影响各因素在具体利用 “猫 眼 效 得到正入射条件下离焦引起的“ 猫 眼 ” 目 标 回 波 功 应 探测系统时应综合考虑 ，合 理 选 择 发 射 参 数 。 率 计 算 公 式 为 , 2 2 2 2 Pρττ ττ准 t t s r P= (11) 2D 2 4 2 2dD θ+ π R 2 22f θ 2 仿 真 分 析 “猫 眼 ”目标回波功率计算公式反映了回波 功 率 与 图 5 探 测 距 离 与 回 波 功 率 的 关 系 曲 线 发射激光束参数 ，“猫 眼 ”目标光学系统参数 ，以 及 大 Fig.5 Detection rangevs reflectedwave power 气 传输特性之间的关系 。 数 值 计 算 时 各 参 数 取 值 为 nm,τ=τ=τ=0.8, D =准= 40 mm, f 523 mm, d = r t s λ= 图 示出激光传输过程中大气能见度对回波功 6 =100 [6，8]率 的 影 响 。 取 传 输 距 离 为 ，在高能见度条件下 10 km ，激光大气的双向透过率为 ,2 mm2 - Q [6] 垌垌 (12) τ=exp 值 取 。可 以 看 出 ,回波功率随着大气能见度 的3.912(λ/0.05) 2R/V Q 1.6 - 眼 ”目标回波发散角进行了研究 ，通 过 建 立 离 焦 引 起 的 回波发散角模型推导出 “猫 眼 ”目 标 回 波发散角和回 波 功 率 计 算 公 式 ，对 影 响 “ 猫 眼 ” 目标回波功率的各 项因 素进行数值分析 及 验证 。结 果 表 明 ,“猫 眼 ”目 标 的 回 波 功率的影响因素包括发射激光参数 ,如 激 光 发 散 角 、发 射 功 率 ,大、 气 传 输 特 性 ,如 大 气 能 见 度 、 探 测 距 离 , 和 “猫 眼 ”目 标 结 构 参 数 ,反 射 面 离 焦 ，反 射 图 6 大 气 能 见 度 与 回 波 功 率 的 关 系 曲 线 面 反 射 率 ,其， 中激光发散角决定远场 功 率 分 布 ，压缩 Fig.6 Atmosphericvisibility vs reflectedwave power 发射激光发散 角提高激光发 射 功率可以增 大 回 波 功 而 增 加 ，这种现象可解释为大气双向透 过 率与大 率 ,离 焦 量 变 化 引 起 回 波 发 散 角 以 及 “猫 眼 ”目 标 见 度 成 正 比 ，回波功率与大气能见度 成 正 比 ， 故 有 效 接 收 孔 径 的 变 化 进而影响回波功率的改变 ，回 能见度越大 ，回 波 功 率 越 强 , 还 可 以 看 出 , 当 大 气 波 功 率 近 似 与 离 焦 量 的 平 方 成 反 比 ,此 外 ，大 气 能 见 度小于传输距离时 ，回波功率值基本为零 ， 因 此 ， 度 对激 光的大气透过率有 一 定 影 响 ,因 此 ，在 利 用 “猫 察大气传输对“ 猫 眼 ” 目 标 回 波 功 率 的 影 响 时 眼 效 应 ”设 计 激 光 探 测 系 统 时 ，必须综合考 虑各因素必 虑大气能见度等因素 。 对回波功率的影响 。 参 考 文 献 , 图 示 出 “猫 眼 ”目标反射面的离焦量 和 反 射 率 7 对 [1] QING Guang 蛳bi, WANG Xue 蛳kai, GOU Yonget, et al. Physical 功率产生 的 重 要 影 响 , 反射面相对于 焦 点产生的 model of “cat eye effect ”and its certification [J]. Laser Technology ，1995 ，19 ,4 , ,244-247.(in Chinese) [2] LECOCQ C, DESHORS G , LADO 蛳BORDOWSKY O,et al Sight laser detection modeling [C]// Proceedings of SPIE, Laser Radar Technology and Applications VIII ，2003 ，5086: 280-286. [3] JIANG Hai 蛳lin, ZOU Ji 蛳wei, NIE Jin 蛳song . Conception of detecting system for locating stealth aircraft based on cat eye 图 7 离 焦 量 与 回 波 功 率 的 关 系 曲 线 effect [J]. Infrared and Laser Engineering 2007 ，36 ,6 , , 846-848.(in Chinese) Fig.7 Defocusing distancevs reflectedwave power [4] GUAN Xiao 蛳xian, PIAO Xian 蛳qing, SUN Jing, et al. Rese蛳 和后移都会引起 “猫 眼 ” 目标的回波功率 的 衰 arch on soft 蛳killing tactical laser weapon and its mechanism 减 ， 为回波功 率与反射面离焦量的平方近 似 成反比 ， [J].Infrared and Laser Engineering , 2004, 33 (6) ,118-120. 因 为 , 正离焦情况下反射面的前后移动 引起 (in Chinese) “ 猫 目标有效接收孔径 的减小以及回波发散 角 的增 [5] ZHAO Yan 蛳zhong, SUN Hua 蛳yan, SONG Feng蛳 hua , et al. 效接收孔径的减小 导 致 “ 猫 眼 ” 目 标 有 效 接 收 Effect of focal shift on reflecting character of “cat eye 的 effect ” [J]. Laser Technology ，2008 ，32 ,1 , ,71-74.(in 减 小 ,回 波发散角的增大使回波接收系 统 单位面 Chinese) [6] 能 量 减 小 ,二 者 共 同 作 用 导 致 “ 猫 眼 ” 目 标 回 波 LI Zhong蛳 jian, CAO Wei 蛳gong,HU Wen蛳 hua ,et al. A laser功 度 降 低 , 负 离 焦 情 况 下 ， 离焦量的增大导致 回 波 range finder for detection of optical apertures [J ]. Laser & 角的增大对 “猫 眼 ”目标有效接收孔径没 有 影Infrared ，2001,31 ,1 , ,22-24.(in Chinese) 7 []响 。 中还可以看出 ,“猫 眼 ”目 标 光 学 系 统 反 射 面 反 SUN Peng蛳 ju, GAO Wei, WANG Yue蛳 feng. Calculation and 射 application of laser radar cross section for targets [ J]. Infrared 增大引起回波光强的增强 。 and Laser Engineering , 2006 ，35 ,5 , ,597600.(in Chinese) -[8] LIU Jing 蛳jiao. Technology and System of Electro 蛳optical论 Warfare [M]. Beijing: China Technology Press, 2004. (in 文 中 利用几何光学的方法对正入射条件下 Chinese) “ 猫