激光探测中余留反射的适用条件

0引言

激光主动侦察技术是利用激光束来侦察敌方的光电设备，并对其进行探测、定位和识别的一种新型作战手段。这种主动式侦察技术在在反恐和军事侦察中有重要实用前景。国内已有许多文献对“猫眼效应”运用于激光侦察进行了研究［1—5］。这些文献注意到了探测“猫眼效应”和近似“猫眼效应”回波的技术难度，但未能具体分析除焦平面反射以外的“剩余反射”光能量强度及分布，以及其对于主动式侦察技术的适用条件。光学系统中镜头的不镀膜玻璃，所存在的天然反射率，就称为“剩余反射率”。镀膜后，在透射方向的相反方向，也存在“剩余反射”。在外部激光照射下，光学仪器内可能存在一条特殊反射路径，入射激光经该路径反射，光学仪器的位置被该反射光束揭示出来。文中用矩阵光学追迹法分析主动式侦察装置发射光束在被探测仪器光路中的透射、反射路径，以红外成像光学系统为例，对光学系统前两片透镜的镜面产生的“剩余反射”回波强度、分布区域及主要影响因素开展定性、定量的分析，并用实验进行验证。这些分析结果对于界定激光侦察技术的适用范围有重要参考价值。

1主动式激光侦查的基本原理

主动式激光侦察装置如图1所示。扫描装置S向划定区域发射激光束。目标和背景所反射的激光信号由光电探测系统J接收。植物和土壤等产生的背景回波通常较弱，而在一定条件下，被探测光学系统产生的“猫眼反射”和各镜面产生的“剩余反射”回波能量较强。这种回波差异是主动式激光侦察装置发现光学仪器隐藏位置的依据。

2红外光学系统回波分析

2．1“剩余反射”光线追迹

扫描激光射入图2所示红外光学系统时，除了发生“猫眼反射”外，更多的是发生焦平面以外的“剩余反射”，下面运用矩阵光学追迹法分析此光学系统中前两片镜片上的反射光波的能量分布区域、强弱及影响因素（只考虑一次反射情况）。根据矩阵光学［6］，图2中各透镜的折射、反射表面和光学间隔可分别表示为矩阵R、F、T式中n0为空气折射率；n1、n2分别为前两片透镜的折射率；r1、r2、r3、r4分别为两片透镜的前、后曲率半径；d1、d2、d3为透镜厚度及透镜间的距离（以上参数引自《光学镜头手册》［7］）。在遵守符号规则的前提下，以上公式不仅适用于由左向右传播的光路，也适用于由右向左传播的光路。其中，矩阵R′1、R′2、R′3、R′4为光线由右向左传播时的折射矩阵。如图3所示，入射激光射入红外光学系统后，在第一和第二块透镜前、后表面上的反射光线分别为I1、I2、I3和I4，显然只有经第一块透镜前表面反射的光束为发散光束，经其它表面反射的光束透过镜片后汇聚。用于侦察的光学镜头，虽然镜头内的镜片上都镀有增透膜，但是反射率不可能为零。沿I1方向出来的反射光束，由于低反射率、大发散角，其能量随着传输距离的增大而迅速减弱，但覆盖区域却不断增大。沿I2、I3和I4方向出来的反射光束经汇聚，最后叠加在一起，其能量较强，不容忽视。后面其它镜片的反射光束与多次反射后射出的反射光束能量极弱，可以忽略。设入射光矩阵为Li，回射（出射光）光矩阵为Lo，则在第一块透镜前后表面上的反射光线I1、I2的矩阵分别为Lo1、Lo2Lo1＝F1Li（1）Lo2＝R′1T21F2T12R1Li（2）第二块透镜前后表面上的反射光线I3、I4的矩阵分别为Lo3、Lo4Lo3＝R′1T21R′2T32F3T23R2T12R1Li（3）Lo4＝R′1T21R′2T32R′3T43F4T34R3T23R2T12R1Li（4）

2．2“剩余反射”回波能量的估算方法

假设光束横截面内光线的密集程度与光束内所传输的能量成正比。定义“探测器接收光线比例ε”为从光学系统反射出来照在回波探测器J上的光线数目与进入此光学系统的光线总数的比值。在大气透过率、透镜透射率及反射面反射率（≤5％）等参数一定的条件下，用接收光线比例数ε可以估计回波探测器J接收到的激光强度。照射在回波探测器J上的光线数目的统计采用逐条光线追踪计数的方法［3］。例如追踪扫描光束中的一条光线，设其入射角为θ，主动式探测装置离电视导引头光学系统的距离为S，回波探测器J的有效尺寸为H，进入光学系统时入射光线与光学系统光轴之间的距离为h（h在光学系统有效孔径范围内），则入射光矩阵为透镜反射表面的等效矩阵为F。当此光线通过光学镜片反射后光线矩阵变为。由扫描光束入射角θ和距离S可以得到回波探测器J的上下探测范围为，根据h1的数值可以判断出射光线是否照射在探测器J上，若照在探测器上则计数，反之不计数。

2．3计算结果与分析

如图1所示，设主动式探测装置离红外光学系统的距离S分别为100m、1000m、5000m，假设扫描光束由10000条平行光线组成，且光线在截面内呈均匀分布，并充满红外光学系统的有效孔径。回波探测器J的有效尺寸为2m。前两片透镜共四个反射面所反射回波强度计算结果列于表1。从表1可以看出，当测距离S＝100m、扫描光束入射角θ＝0rad时，回波能量较强，达到28．44％，但是随着θ的增大（0～0．18rad），不同探测距离的接收光线比例ε0、ε1、ε2急剧减少。当入射角增大到0．18rad后接收光线比例突然变为零。当改变探测距离S时（100～5000m），相同的入射角对应的接收光线比例ε也急剧变化（28．44～0．56％）。

2．4实验验证

文中使用半导体激光器（光束半径为6mm，波长λ＝0．63μm，发散角为θs＝1mrad）对专业狙击步枪瞄准镜8×42L（分化板已拆除）进行扫描，在激光器后方放一光屏（接收器），在此光屏上可以观察到目标镜头反射光束所成光斑。当探测器距离S为2m、平行光入射时（入射角θ为0rad），反射光束所成光斑如图4（a）所示，此时的光斑强度很大，实际上就是所有镜片“剩余反射”所形成的光斑叠加。稍微倾斜入射光，则形成多个亮斑（如图4（b）所示），这是由于光学系统中各镜片上的反射光斑相互错开所形成。当扫描光束的入射角θ超过0．2rad时，反射光束所成光斑强度迅速减弱，直至消失。这与前面理论分析所得到的结论基本一致。

3结论

文中分析了观瞄器材在外部激光照射下，产生回波的物理图像，定量估算了影响红外光学系统“剩余反射”回波强度的主要因素。光线追踪的结果和实验结果都表明：探测器距离和扫描光束的入射角对回波强度影响很大。当扫描光束的入射角超过0．2rad时，探测器难以接收到回波信号。研究结果再次表明：光学系统回波用于主动式激光侦察的适用条件较为苛刻。回波强度容易受到侦察环境和仪器装配误差等因素的影响。只有理想“猫眼反射”和“剩余反射”光路能产生较强回波［2］。而在实际应用环境中，敌方光学仪器反射面严格构成后向反射光路、我方探测器正好位于回波最强的有利位置，这两个条件通常不易同时满足。