基于减弱“猫眼效应”的隐身技术研究

基于减弱“猫眼效应”的隐身技术研究
蒋治国;樊洋
【摘要】Aiming at the threats of laser active detection on the photoelectric equipment,under the premise of limited changing photoelectric equipment structure and sacrificing little the image quality,a kind of stealth technology based on weakening the “cat eye” effect is put forward.The stealth technology is qualitatively analyzed with the method of ray tracing,and it is verified by experiments.Research results show that limited changing photoelectric equipment can effectively
wea ken the “cat eye” effect,and realize the stealth effect.%针对激光主动探测技术对光电装备造成的探测威胁,在有限改变光电设备结构和牺牲成像质量前提下,提出了一种基于减弱“猫眼效应”的隐身技术.运用矩阵光学追迹法对这种隐身技术作定量分析,并用实验进行验证.研究结果表明:有限改变光电设备结构能有效地减弱“猫眼效应”,从而达到隐身效果.
【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2013(043)008
【总页数】4页(P872-875)
【关键词】隐身技术;夜视仪物镜;反射;"猫眼"效应;矩阵光学
【作者】蒋治国;樊洋
【作者单位】海军工程大学理学院应用物理系,湖北武汉430033;海军工程大学理学院应用物理系,湖北武汉430033
【正文语种】中文
【中图分类】TN977
激光主动侦察技术是利用光电装备所具有的“猫眼效应”原理，通过发射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。

目前，这种主动式侦察技术在美欧等西方发达国家已经应用于各类激光侦察告警系统中，并取得了良好的应用效果，国内也有一定的研究与应用［1－3］。

然而，
国内外在大量研究利用“猫眼”目标进行探测的同时，却较少研究如何有效减弱“猫眼效应”以实现自身隐身的技术。

因此，深入研究在有限改变“猫眼”目标光学结构及“牺牲”成像质量的前提下，尽量减弱“猫眼效应”并实现有效隐身，在军事对抗中具有重大意义。

本文运用矩阵光学追迹法分析主动式侦察装置所发射的激光光束在夜视仪物镜光路中的透射、反射路径，对影响“猫眼反射效应”回波的主要因素开展定性、定量的分析。

最后利用近距离实验的方法对减弱“猫眼效应”的实际隐身效果进行验证。

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I，I经过光
电装备上光学系统的等效物镜L会聚在摄像管靶面P上（摄像管靶面正位于焦平
面处），入射到E0点的光线将沿I’返回。

这种能使反射光按入射方向返回的光
路被称为“猫眼反射光路”。

目标和背景所反射的激光信号由光电探测系统J接收。

云层和大气等产生的背景回波通常较弱，而被探测光电装备的光学系统产生的“猫眼”反射波较强。

这种回波差异是主动式激光侦察装置探测光电装备位置的依据。

影响“猫眼”反射波强度的因数主要有：扫描激光束的强度及入射角，被探测光学系统内部光学镜头相对孔径（光圈）和视场角，摄像管靶面倾斜和离焦，摄像管靶面面积和反射率等。

此外，光学系统还存在像差（如球差）。

球差随着入射光的入射角而变，产生与反射面倾斜类似的回波［4］。

4.1 反射光线追迹
扫描激光照射用于夜视仪器的物镜，光线透过系统中的各透镜，再经反射面反射后，又通过各透镜射出。

以下运用矩阵光学追迹法分析“猫眼反射”光线在系统中的往返路径。

根据矩阵光学［5］，图2中各透镜的折射表面和光学间隔可表示为矩阵R和矩阵T：
其中，n为光学间隔的折射率；n1、n2分别为透镜折射表面前后的折射率；r为
折射表面曲率半径；d为光学间隔的厚度。

图2中所有参数引自《光学镜头手册》［6］。

光路由左向右传播，由R1经过折射到达R18的系统矩阵M1为：
4.2 回波能量的估算方法
假设光束截面内光线的密集程度与光束携带的能量成正比。

定义“探测器接收光线比例η”为从光学系统反射出来照射在回波探测器上的激光束中光线数目与从扫描装置发射的进入此光学系统的激光束中光线总数的比值。

在大气透过率、透镜透射率及反射率（≤5%）等参数一定的条件下，用接收光线比例数η可以估计回波探
测器所接收到的激光强度。

照射在探测器上的光线数目的统计可采用逐条光线追踪计数的方法［7］。

4.3 计算结果与分析
设主动式探测装置离夜视仪物镜的距离S为1000 m，假设进入此光学系统的扫描激光束由10000条平行光线组成，且光线在截面内均匀分布，并充满光学系统的
有效孔径。

回波探测器的有效尺寸为1 m。

应用公式（1）分别计算，当入射角α从0 rad～0.50 rad时，摄像管靶面F离焦（离焦量Δ＝±0.2mm）、反射面倾斜（倾斜角θ＝5′）、球差、相对孔径变化（Ö分别为1∶8和1∶16）等各种情况下的回波强度。

计算结果列于表1。

从表1可以看出，摄像管靶面离焦、倾斜和相对口径变化对接收比例影响很大，
当扫描光束入射角α增大到0.4 rad时η＝0%，此时探测器基本上探测不到“猫
眼反射”回波。

因此，在一定限度内利用这些影响因素减弱“猫眼效应”从而可以达到被探测光电设备隐身的目的。

本文使用半导体激光器（光束半径为6 mm，波长λ＝0.63μm，发散角为θs＝1 mrad）对某型狙击瞄准镜进行扫描，回射激光光斑成像于4 m距离上的接收屏上，再用CCD探测器进行记录，可得到如图3所示的回波图像及其强度分布。

由实验结果可知，当扫描激光平行入射时（入射角α＝0 rad），反射光束所成光
斑如图3（a）所示，此时的光斑强度很大，形状规则，实际上就是“猫眼效应”
所形成的光斑。

光敏面离焦时，亮斑变模糊，光强变弱，形状也发生变化，如图3（b）所示。

光敏面倾斜时，亮斑强度和形状也发生变化，如图3（c）所示。

当扫描光束的入射角α超过0.4 rad时，“猫眼”反射光束所成光斑强度迅速减弱，直至消失，屏幕上只剩下镜面所产生的杂散光，如图3（d）所示。

这与前面理论分
析所得到的结论基本一致。

目前，国内已有较多文献讨论“猫眼效应”应用于侦察的设计方案［8－9］。

这
些文献假设被探测光学系统产生理想“猫眼反射”，且反射的回波能量较强。

也有部分文献分析了影响“猫眼效应”回波的一些主要因素［10－11］。

但是大部分
文献都是研究如何利用“猫眼效应”进行主动探测，而很少研究如何减弱被探测光电设备的这种效应从而达到隐身的目的。

本文分析了夜视仪物镜在外部激光的照射下，产生回波的物理图像，对影响“猫眼效应”回波的一些主要因素开展定量的分析，并通过实验进行验证。

结果表明：“猫眼效应”回波强度容易受到侦察环境（例如，探测方和被探测方相对位置）和系统装配误差（例如，摄像管靶面倾斜、离焦）等因素的影响。

因而，在有限改变光电设备光学结构及“牺牲”成像质量的前提下，人为地制造一些“装配误差”可以减弱本系统的“猫眼效应”，能有效减
少在军事对抗中被敌方侦察打击的概率，这在军事对抗中具有一定的参考价值。

【相关文献】
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