偏振片应用于激光武器光斑检测衰减方案

收稿日期：2018-03-20修回日期：2018-04-15

基金项目：

国家安全重点基础研究计划基金资助项目（6132******）作者简介：武慧敏（1994-），女，山西太原人，硕士研究生。研究方向：红外图像处理。

通讯作者：李仰军（1967-），男，山西太原人，教授。研究方向：图像处理，信息探测与处理等方面研究。

*摘

要：光斑质量是激光武器重要指标之一，光斑检测对激光武器的发展有重要意义。为适应激光武器作用于

目标处光斑温度高难以直接检测的特点，提出偏振片衰减光强、CCD 采集光斑图像的方法。研究偏振片组的光强衰减率，建立实验系统，分析偏振片组对高温光斑的衰减情况。理论分析及实验结果表明偏振片组可大幅度衰减高温光斑，为激光武器光斑检测衰减系统提供理论依据。

关键词：激光武器，光强衰减，偏振片，CCD 成像，灰度值中图分类号：TJ864；TN247文献标识码：A

DOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2019.04.022

引用格式：武慧敏，李仰军，张猛，等.偏振片应用于激光武器光斑检测衰减方案［J ］.火力与指挥控制，2019，44

（4）：107-109.

偏振片应用于激光武器光斑检测衰减方案*

武慧敏，李仰军*，张

猛，郝争辉

（中北大学信息与通信工程学院，太原030051）

Research on the Attenuation Scheme of

Laser Weapon Spot Detection with Polarizer

WU Hui-min ，LI Yang-jun *，ZHANG Meng ，HAO Zheng-hui

（School of Information and Communication Engineering ，North University of China ，Taiyuan 030051，China ）Abstract ：Laser spot quality is one of the important indicators of laser ser spot quality

inspection has important significance for the development of laser weapons.In order to adapt to the

characteristics that high temperature is difficult to measure directly of focused spot of laser weapons.A method of using a polarizing plate to attenuate the light intensity and a CCD to capture a spot image is put forward.The intensity decay rate of the polarizer group is studied.A experiment system is

established to analyze the attenuation of the high -temperature light spot by the polarizer group.Theoretical analysis and experimental results show that the polarizer group can perform high -order attenuation of high-temperature light spots.This provides a theoretical basis for laser flare detection and attenuation system.

Key words ：

laser weapon ，light intensity attenuation ，polarizer ，CCD imaging ，grayscale value Citation format ：

WU H M ，LI Y J ，ZHANG M ，et al.Research on the attenuation scheme of laser weapon spot detection with polarizer ［J ］.Fire Control &Command Control ，2019，44（4）：107-109.

0引言

在军事应用需求的强力推动下，激光武器迅速

发展。由于激光武器主要通过高温烧蚀效应及辐射效应对目标造成破坏［1］，许多系统无法对目标处光

斑进行检测或只能有条件检测。文献［2］提出可采

用CCD 探测器检测激光光斑。由于高功率激光产生的高温光斑，目标表面温度超过500℃，使用CCD 相机所采集的光斑图像会出现明显饱和现象［3］，长时间直接测量甚至会造成探测元件损伤，如何在高

文章编号：1002-0640（2019）

04-0107-03Vol.44，No.4Apr ，2019

火力与指挥控制

Fire Control &Command Control 第44卷第4期2019年4月

*107··

（总第44-）火力与指挥控制2019年第4期

温环境下进行光强衰减成为激光光斑分析的关键。文献［4］验证常用的中性滤光片衰减高温光斑时效果不显著。针对存在的问题，本文提出一种利用偏振原理进行激光衰减的方案，理论分析与模拟实验证明其合理性。

1激光衰减分析

1.1衰减模型分析

激光武器作用于目标表面时，目标材料吸收大量激光能量产生高温光斑。利用CCD 相机探测时，光斑经过大气衰减以及偏振片组合的大幅衰减，入射到CCD 光电探测元件上，通过处理采集到的光斑图像，对激光光斑性质进行分析，可对激光武器的作战毁伤效能进行反馈说明。

CCD 接收到的激光功率P T 与激光武器功率、大气衰减、材料激光反射率及偏振片衰减率有关，表达式

为：

（1）

式中，P 0为发射激光功率，功率范围从1kW 到兆瓦级以上［5］；R 为材料对于激光的反射率，吸收率高的非金属材料反射率为0.1~0.6［6］；金属材料反射率0.6~0.9［7］；φ为大气衰减率，φ=exp ［-（α+β）d ］，其中d 为激光传输距离；α为大气吸收系数；β为大气散射系数；A o 为激光通过偏振片的透光率；α为发射激光光束与CCD 接收光束的夹角。1.2偏振片衰减率

偏振片是一种高分子材料制成的光学电子器件，染料型偏振片偏振性能较高，具备优良的耐高温特性［8］，适合激光武器光斑检测时高温环境下使用。

应用低透光率偏振片进行衰减可扩展CCD 光斑检测温度的动态范围。但光斑处于低温段时，偏振片透光率低会导致系统探测信噪比减弱，影响图像信息采集［9］。耐高温偏振片适用于高温光斑衰减，可获得较好的图像信息，增大探测温度范围。

多片偏振片组合可以对激光进行高量级衰减，且控制精度较高。三片偏振片组合光衰减率可达到10-10量级［10］，适合应用于高功率激光光强衰减。

两片偏振片P 1，P 2透光轴夹角为θ时，光束通过后的光强表达式

为

（2）

式中，ε为偏振片消光轴方向与透光轴方向振幅比，其值与偏振片性质有关，ε取值范围为ε∈［10-5√，10-1］。通过两片偏振片P 1，P 2后输出的仍是部分偏振光，再添加偏振片P 3，进一步分析光强衰减率。P 1，P 2夹角为90°时，透射光强最小，光强衰减率随P 2，P 3的夹角θ2变化。

出射光强I 3（90°，

θ2，ε）表达式

为（3）

图1出射光强I 3（90°，

θ2，ε）关于θ2、ε的变换关系出射光强I 3（90°，

θ2，ε）与θ2、ε的关系曲线如图1所示。如图可得ε取固定值时，出射光强I 3随θ2连续单调变化，θ2在［125°，135°］范围内光强衰减程度最高。

实际应用于衰减系统时，选用低透光率、高消光比、高损伤阈值的偏振片进行光斑衰减，精准控制偏振片组透光轴角度，实现激光衰减倍率精确可控。

2实验模拟

激光光斑衰减图像采集系统如图2所示，包括激光器、耐高温陶瓷材料、偏振片组、CCD 探测器、单点测温仪、图像采集卡、PC 机以及相关测试软件。实验过程中使用非接触式单点测温仪测量激光光斑温度，选用偏振片直径38.1mm ，厚度2.2mm ，精确调整偏振片透光轴角度使光强衰减程度最高。

图2光斑采集衰减系统

梯度增大激光器功率，使光斑温度逐渐上

升，

108··

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