!第"#卷!第$期!*++,年$月
强激光与粒子束
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文章编号：!"++"?@$**（*++,）+$?+$A@?+B
探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响
赵延仲"，!孙华燕*，!宋丰华*
（"!装备指挥技术学院研究生院，北京"+"@"A；!*!装备指挥技术学院光电装备系，北京"+"@"A）
!
!!摘!要：!光电装备的光学窗口对入射激光有较强的反射特性，即猫眼效应现象。为了研究利用猫眼效应来进行主动探测的适用条件，弄清探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响，建立了斜入射猫眼效应反射模型，分析并仿真了探测激光在目标系统处的入射角不同的情况下的后向反射激光特性，以及探测系统所能够接收的原路返回激光的远场能量分布情况。结果表明：对于特定的目标系统，猫眼效应现象只存在于一定的探测激光入射角范围之内，在此范围之内，猫眼效应反射特性与探测激光的入射角关系密切；基于猫眼效应的激光主动探测、定位等应用也是可行的。
!!关键词：!主动探测；!反射特性；!猫眼效应；!入射角!!中图分类号：!9)*@#；1@$B("!!!!文献标识码：!6
!!常用的光电装备包括光电侦察系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电火控系统以及光电测距系统
［"］
，在光学系统焦平面处一般都装有反射或半反射元件，其共有特性就是其光学窗口对入射激光具有很强等
［"?A］
。远距的原路返回特性，这个原路返回光与漫反射回波相比强度要高出*C@个量级，即“猫眼效应”现象
离激光主动探测体制正是基于这种原理来发射强激光束到远场目标并接收其反射激光回波进行信息处理来实
［@］
现的。对于特定的目标镜头，其猫眼效应反射特性与探测激光的关系是很密切的。一般来说，主动探测系
统发射的激光束是经过质量检验的，其发散角等参数需要达到一定要求，而入射激光与目标系统的主光轴的夹角即入射角则是动态可变的，在不同的入射角情况下，猫眼效应反射特性有很大不同。要在实际运用中找到最有利的探测角度以及最起码的对准范围，首先就要深刻了解入射角对猫眼效应的影响，弄清楚针对静止目标进行探测时的入射角可变范围，以便真正掌握主动性。本文利用D3
"#物理模型建立
!!猫眼效应的物理模型一般可以等效简化为一个单透镜和一个反射面组合的光学系统，将其反射光束与入
［,?G］
，如图"所示为斜入射时的@F反射模型。由于探测的是较远距离的目射光束展开，可以得到一个@F模型
标，入射激光束全部覆盖镜头入瞳面，口径相对于入射光斑只是很小的一部分，因此在只考虑覆盖于镜面的光束时可以将入射光束看成是平行光束，且能量均匀分布，激光束的入射和反射的近场特性亦可以按照几何光学来分析。
$#理论分析
!!目标镜头的具体参数如图"中标注所示。进行简单分析可以看出，猫眼效应反射光束的特性由入射角
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图"!斜入射的几何反射模型
*++A?"+?+G；!!修订日期：*++,?+"?*$!收稿日期：
基金项目：部委级资助项目基金资助课题
作者简介：赵延仲（"#G@—），男，河南洛阳人，硕士，主要从事光电信息处理与对抗方面的研究；RS=&N=Q"#GTM&L(O&L。
第:期
赵延仲等：探测激光入射角对猫眼效应反射特性的影响:?8
射角!、镜头口径!、焦距"、焦平面探测器光敏面直径#、离焦量"以及入射激光束发散角!!等参数的函数来反映，这些特性主要包括光学特性和能量特性，光学特性主要包括反射激光束发散角和出射角，能量特性主要包括能量分布情况和能量通过率，即通过反射模型的反射光束与入射光束的能量比。下面主要从理论上分析能量通过率以及反射光束的出射角和发散角。设能原路返回的入射光束宽度即有效口径为!$，反射光束的出射角为#，发散角为!"。
((首先考虑可以产生反射光束的最大入射角，设镜头的视场角为$5’.0+!.*（#%’"）。当入射角满足!67&8$时，光束传播情况如图’所示，没有光束返回现象。((当入射角小于半视场角，入射光束可以部分通过（即图9的斜入射情况）。由于入射光束均匀分布，因此经过几何分析可以得出能量通过率%以及反射光束的出射角#和发散角!"满足的关系
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((按照公式（9），当入射角为7;时，即完全理想的情况下，入射光束能够全部原路返回，这即是完全理%59，想的猫眼效应现象。可见在理想非离焦情况下，入射角对猫眼效应原路返回光的比例起着决定性作用。但是事实上入射激光参数与目标参数总是存在不协调性，使得实际的斜入射光束并不能恰好汇聚于焦平面，而且某些光学系统自身存在离焦，使得猫眼效应反射复杂化。在存在离焦时，设探测器位于焦平面之后称为正离焦，"为正，反之"为负，并定义离焦视场角$$为
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通过几何分析可以证明，在7&8$$=!=7&8$时，（9）>（:）式转变为
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实际上（9）>（:）式即为（8）>（@）式的简化。离焦时出射角#指的是反射光束的中心光线与主光轴的夹角。
并且在入射角满足!=7&8$$这一小段范围之内，能量通过率%以及反射光束的出射角#和发散角!"与入射角可以看作是入射角为7;的情况。后向反射激光特性主要由离焦量决定，出射角保持（?）式不变，!没有关系，
而能量通过率与后向发散角则有区别，正离焦时
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由于一般离焦量很小，这个入射角范围也非常小，并没有多少实用意义。
((从上面的分析可以看出，在目标系统非离焦时，出射角与入射角相等，光束原路返回，入射角也并不引起反射光束发散角的改变，但它直接影响能量通过率。在目标系统存在离焦的情况下，将引起反射光束发散角的改变，而且反射光束的出射角将稍微不同于入射角，这将使反射光束不能严格原路返回，降低猫眼效应原路返回
,11强激光与粒子束第*(卷
光束的可利用性。
!"仿真分析
!!#"仿真模型建立
""理论分析的模型是按照绝对的理想化条件，斜入射光束仍汇聚于焦平面。而实际上由于此主动探测针对的是远程目标，目标光学系统多为小视场光学系统，它们在很大程度上并不过多地矫正轴外光束引起的像差，这样当探测激光斜入射进入目标光学系统时，在焦平面处的光束会存在焦移和散焦，这使得斜入射的猫眼效应反射情况大为复杂化。
""由于探测激光很容易与目标光学系统形成这种不协调性，因此运用#$%&’光学设计软件建立存在轴外像差的单镜头反射模型，此镜头针对平行入射光束优化，而对轴外光则不作过多考虑。这样当主动发射的激光束斜入射进入此光学系统时，在焦平面上不汇聚于一点，形成斜入射离焦和散焦。并且仿真的入射激光束为具有一定发散角的高斯光束。仿真时光束按照物理光学和高斯光学的传播规律来传播，#$%&’则能够根据光学元件的尺寸大小以及传播距离大小自动选择光束传播应该符合菲涅尔衍射还是夫琅和费衍射，而光束的高斯
［()*+］参数则严格按照高斯光束的透镜变换及传输规律进行。在此仿真模型的基础上分析斜入射的猫眼效应反
射特性，使得数据更加可信。
""展开的对称仿真模型如图,所示。其中，目标镜头口径为*-+..、等效焦距为,++..、全视场角为,/、焦平面探测器光敏面直径为*(!01..，非离焦。入射激光束为高斯光束，波长为*!+1!.，远场发散角（全）为
发射接收系统到目标系统距离为+!*.234，总功率为*++5，在发射系统处最高功率密度为+!,6(,*57..8，,+9.，接收系统有效口径为*.，发射和接收系统处于同一位置（在展开图中为对称位置）。由于作用距离较远，探测激光束在目标镜头处的光斑远大于镜头口径，可以将其完全覆盖。大气传输过程只考虑激光束的传播规律和衍射传播规律，不考虑大气透过率以及大气湍流等因素的影响。
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图,"斜入射猫眼效应仿真模型
!!$"反射特性分析
""从前面的分析可知，入射角小于半视场角时才会有回射激光束产生。使入射角逐渐增大趋近于半视场角，仿真得出的,+9.远场光强分布图（即接收系统处的光强），如图6所示。
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图6"入射角逐渐增大时的远场光斑分布图
""随着入射角的增大，远场光斑能量分布不再只是集中于中心，而是逐渐向外扩散，出现旁瓣。在入射角稍大的时候，旁瓣则已经不明显。这说明实际的反射光束由于斜入射使得其能量分布变得不均匀，远不是理论分
析中的理想情况，仿真得出反射光束具体的光学特性和能量特性如表*所示。由于反射光束的出射角将稍不同于入射角，使猫眼效应返回光束不能严格意义上原路返回，因此表中所示的*.环围功率是指反射光束在接收系统处的环围功率，并不是指反射光束的中心环围功率；最高功率密度也是指环围之内的最高功率密度；发
散角指的是高斯意义上的发散角，它决定着光束在传播过程中的发散程度，直接影响远场光斑能量特性，与理论分析的几何意义上的发散角稍有不同。
表!"入射角不同时的后向反射光特性
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FF从仿真数据分析可以得出，后向反射光的远场能量特性主要是由后向反射光出射角和发散角所决定的。首先，从理论分析知道在理想非离焦情况下出射角与入射角相等，光束原路返回，而从仿真数据可以看出，出射角稍小于入射角，这是由于斜入射光束在目标镜头焦平面处的焦移引起，这个出射角相对于入射角的偏移量虽然很小，但是由于探测距离较远，使得反射光束中心偏离接收系统也有相当距离，因此接收系统不能恰好接收反射光束的中心光，降低了可探测的能量。其次，在入射角增大时，反射光束的发散角增大很快，这是由于倾斜高斯光束与目标镜头的不适应造成的，光束在焦平面处的反射由于焦移和焦散而复杂化。这使得随着入射角的增大，远场能量迅速下降，尤其是与正入射相比差别很大。在入射角大于7=?*之后，GHIJK的物理光学分析功能已几乎不能在接收屏上显示能量。另外，从表中数据可以看出远场环围功率与入射角并非严格的线性关系，这是由于斜入射时反射光束发生畸变，能量分布变得不均匀，但是总体上是随着入射角的增大而降低的。对于能量通过率的不确定性，是由于光束经过目标系统各元件时衍射情况各不相同，从而损失能量也各不相同，这些损失的能量主要是衍射到光束外围被出瞳挡掉，它们对远场的中心能量分布影响不大。
6"结"论
FF通过本文的仿真分析可知，探测激光在斜入射进入目标系统时，其入射角度对目标的猫眼效应反射特性有显著的影响。由于出射角相对于入射角的改变量以及发散角的共同作用，斜入射时的反射光束质量远逊于理想分析的情况，这与目标光学系统对轴外光束的像差校正有关，文中仿真的是较为不利的情况；由于入射角对猫眼效应反射特性影响的显著性，使得这种远距离的主动探测体制对发射接收系统和目标系统的对准性有较高要求；空中目标一般为对地对准，视距较远，对其进行探测可以比较容易地控制探测激光入射角，其视场角一入射角小于
;91时，71口径接收系统可接收的最高功率密度可以达到7
光学系统的透过率、焦平面探测器光敏面的反射率等因素，并且在充分改善发射系统发射光束的质量、合理选定发射位置、提高探测系统的探测能力的前提下，猫眼效应应用于远距离主动探测、定位成为可能。参考文献：
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［T］"NB[\Y)$O$7&R=$5#］8+66R：>>2228]$=.^8%&=8CDDI0C0!8［UD］"-$.,4[H8A
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