董 宇，張 悅，華文深，褚 怡

（1.軍械工程學(xué)院 納米技術(shù)與微系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室，河北 石家莊 050003；2.軍械工程學(xué)院 電子與光學(xué)工程系，河北 石家莊 050003；3.中國(guó)人民解放軍61651部隊(duì)，北京 100094）

引 言

“貓眼”效應(yīng)［1－2］普遍存在于光電裝備的光學(xué)窗口中，是對(duì)方實(shí)施光學(xué)窗口主動(dòng)偵測(cè)的物理依據(jù)。激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)就是利用貓眼效應(yīng)，通過(guò)發(fā)射激光束實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)目標(biāo)的掃描、偵察和識(shí)別。目前，美、俄等軍事強(qiáng)國(guó)已經(jīng)裝備了比較完備的集光學(xué)窗口偵測(cè)、干擾和致盲為一體的激光武器系統(tǒng)［3－4］，在近年來(lái)的幾次局部戰(zhàn)爭(zhēng)中，激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)憑借其較高的定位精度和快速的探測(cè)速度大大提高了戰(zhàn)場(chǎng)武器系統(tǒng)的作戰(zhàn)效能，凸顯出驚人的作戰(zhàn)效果和威力，而國(guó)內(nèi)對(duì)“貓眼”效應(yīng)的研究還處于理論分析和實(shí)驗(yàn)室研究階段［5－6］，在應(yīng)用領(lǐng)域還是空白，在對(duì)方具備實(shí)施“貓眼”主動(dòng)偵測(cè)的條件下，即使我方采用被動(dòng)觀測(cè)方式，如微光夜視儀、熱像儀等各種夜視裝備，也會(huì)暴露無(wú)遺。如若不采取反偵測(cè)措施，我方必將受到對(duì)方激光偵測(cè)及其武器系統(tǒng)的壓制和破壞，造成光電裝備迷盲、失控和失效，因此“貓眼效應(yīng)”已經(jīng)成為光電裝備的探測(cè)威脅。

如何降低“貓眼效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)光電裝備的“隱身”，成為提高光電裝備戰(zhàn)場(chǎng)生存能力亟待解決的問(wèn)題。目前，國(guó)內(nèi)在光電裝備隱身技術(shù)研究上相對(duì)滯后，文獻(xiàn)［7］提到了用蜂窩板裝置實(shí)現(xiàn)狙擊步槍瞄準(zhǔn)鏡的隱身，但是其僅限于在狙擊槍瞄準(zhǔn)鏡上使用且加裝蜂窩板后瞄準(zhǔn)鏡的觀察距離會(huì)大大降低；文獻(xiàn)［8－9］提出通過(guò)增加光敏面的離焦量、在光敏面上鍍?cè)鐾改せ驅(qū)饷裘孢M(jìn)行漫反射處理等方法進(jìn)行光電裝備隱身，但這些方法會(huì)改變?cè)泄怆娧b備的光學(xué)結(jié)構(gòu)，甚至嚴(yán)重影響光電裝備的探測(cè)性能。由此可見(jiàn)，如何在不改變光學(xué)結(jié)構(gòu)及犧牲有限光電裝備光學(xué)性能的前提下，有效實(shí)現(xiàn)隱身成為光電裝備反偵測(cè)技術(shù)的關(guān)鍵。現(xiàn)從降低貓眼回波功率出發(fā)，基于特殊晶體的磁致旋光效應(yīng)，利用晶體的旋光與互易特性，設(shè)計(jì)了光電裝備光學(xué)窗口外置隱身裝置。

圖1 法拉第效應(yīng)原理圖Fig.1 Principle diagram of the Faraday effect

1 基于磁致旋光效應(yīng)的隱身原理

在磁場(chǎng)的作用下，本來(lái)不具有旋光性的物質(zhì)發(fā)生了旋光性，這種現(xiàn)象即為晶體的磁致旋光效應(yīng)［10］。晶體的磁致旋光效應(yīng)產(chǎn)生的原理［11］可以解釋為：線偏振光總可分解為左旋和右旋的兩個(gè)圓偏振光，無(wú)外磁場(chǎng)時(shí)，介質(zhì)對(duì)這兩種圓偏振光具有相同的折射率和傳播速度，通過(guò)一定距離的介質(zhì)后，對(duì)每種圓偏振光引起了相同的相位移，因此透過(guò)介質(zhì)疊加后的振動(dòng)面不發(fā)生偏轉(zhuǎn)。當(dāng)有外磁場(chǎng)存在時(shí)，由于磁場(chǎng)與物質(zhì)的相互作用，改變了物質(zhì)的光特性，故這時(shí)介質(zhì)對(duì)右旋和左旋圓偏振光表現(xiàn)出不同的折射率和傳播速度。二者在介質(zhì)中通過(guò)同樣的距離后引起了不同的相位移，疊加后的振動(dòng)面相對(duì)于入射光的振動(dòng)面發(fā)生了旋轉(zhuǎn)，原理圖如圖1所示。

前人的實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于一定波長(zhǎng)的光，法拉第旋轉(zhuǎn)角θ與晶體的厚度D成正比，表示為：

式（1）中，Vd為費(fèi)德樂(lè)常數(shù)，B為磁場(chǎng)強(qiáng)度。磁致旋光晶體的另一重要特性為旋轉(zhuǎn)方向的非互易性。對(duì)給定的物質(zhì)，光振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)方向僅由磁感應(yīng)強(qiáng)度B的方向決定，與光的傳播方向并與B同向或反向無(wú)關(guān)，這一特點(diǎn)可使光在介質(zhì)中往返數(shù)次而使旋轉(zhuǎn)角度加大。利用旋光晶體的上述特性，選取一定長(zhǎng)度的晶體，使探測(cè)激光進(jìn)入晶體且經(jīng)貓眼系統(tǒng)反射折回后振動(dòng)方向發(fā)生變化，配合偏振器件的使用達(dá)到阻止貓眼回波的隱身效果。

2 隱身裝置設(shè)計(jì)

基于磁致旋光晶體的旋光特性，設(shè)計(jì)了光電裝備光學(xué)窗口外置隱身裝置，圖2為其原理圖。隱身裝置由一個(gè)偏振片和一定長(zhǎng)度的磁致旋光晶體組成，加載與光軸方向同向的磁場(chǎng)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與旋光晶體的長(zhǎng)度能夠保證線偏振光一次穿過(guò)后振動(dòng)方向旋轉(zhuǎn)45°。

圖2 隱身裝置原理圖Fig.2 Principle diagram of the stealth device

光電裝備處于正常工作狀態(tài)時(shí)，給晶體加以沿光軸方向的磁場(chǎng)，此時(shí)不影響光學(xué)窗口正常觀察和瞄準(zhǔn)目標(biāo)。當(dāng)探測(cè)系統(tǒng)發(fā)射的探測(cè)激光通過(guò)偏振片時(shí)，探測(cè)激光變?yōu)楹推衿较虻木€偏振光，經(jīng)過(guò)旋光晶體后偏振方向旋轉(zhuǎn)45°。偏振光經(jīng)隱身裝置透射進(jìn)入貓眼系統(tǒng)后按原路返回再次經(jīng)過(guò)旋光晶體，偏振方向再次旋轉(zhuǎn)45°，旋轉(zhuǎn)角疊加至90°。此時(shí)，線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片偏振方向垂直，根據(jù)馬呂斯定律［10］，此時(shí)線偏振光不能透過(guò)，因此，貓眼目標(biāo)回波被截止在了隱身裝置內(nèi)部。顯然，此時(shí)主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)已探測(cè)不到回波信號(hào)，貓眼目標(biāo)淹沒(méi)在背景中，達(dá)到隱身的效果。

3 可行性分析

3.1 磁光晶體的性能分析

由于磁光晶體良好的性能優(yōu)勢(shì)，其在器件上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。在磁光開(kāi)關(guān)應(yīng)用中，開(kāi)關(guān)速度非?？欤_(kāi)關(guān)時(shí)間能達(dá)到100ns［12－13］。又由于它的使用頻率范圍和溫度范圍大，測(cè)量靈敏度高，故被應(yīng)用于磁光傳感器中。例如，摻雜（如Bi、Gd、Ho、Yb、Tb等）的YIG磁光晶體，它具有法拉第旋轉(zhuǎn)角大、飽和磁場(chǎng)小、溫度系數(shù)低等優(yōu)點(diǎn)，有利于器件小型化，并且環(huán)境溫度變化對(duì)器件影響小，在極限溫度下仍能正常工作，能夠滿足戰(zhàn)場(chǎng)極限環(huán)境對(duì)裝備的環(huán)境適應(yīng)能力的需求；又如TGG型單晶具有大的磁光常數(shù)，低的光損失，高熱導(dǎo)性和高激光損傷閾值，可以有效抗激光損傷，保證較高的光學(xué)透過(guò)率。由此可見(jiàn)，磁光晶體具備了應(yīng)用于隱身裝置的性能。

圖3 線偏振光反射時(shí)偏振方向的變化Fig.3 The variation of polarization orientation

3.2 消光比分析

由偏振光特性可知，偏振光進(jìn)入貓眼系統(tǒng)再次被反射至旋光晶體時(shí)，由于反射鏡的反射作用，偏振光的振動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變，此時(shí)的探測(cè)激光再次經(jīng)過(guò)旋光晶體后旋轉(zhuǎn)角度有可能不是90°，偏振片就會(huì)“漏光”。因此分析45°旋轉(zhuǎn)角度時(shí)隱身裝置的消光比以及最佳晶體旋轉(zhuǎn)角度（使消光比最小的旋轉(zhuǎn)角度）的選取能使隱身裝置達(dá)到最好的隱身效能。偏振光的透射不會(huì)改變其振動(dòng)方向，因此偏振光進(jìn)入貓眼系統(tǒng)經(jīng)過(guò)透鏡后振動(dòng)方向不變。但是經(jīng)反射元件的反射，其振動(dòng)方向會(huì)發(fā)生改變［14］，且改變量與偏振光的入射角度有關(guān)。假設(shè)α為偏振光的振動(dòng)方位角，定義為振動(dòng)面與入射面的夾角。圖3表示了偏振光經(jīng)反射后的振動(dòng)方向示意圖，其中，M為反射平面，Ei⊥和Er⊥分別為入射光與反射光在入射面的垂直分量，Ei∥和Er∥分別為入射光與反射光在入射面的平行分量，θ1、θ2分別為入射角和透射角。

假設(shè)αi和αr分別為入射光和反射光的振動(dòng)方位角，且定義偏振片方向?yàn)榱阄唬敲处羒即為磁光晶體的旋轉(zhuǎn)角，則：

已知菲涅爾公式［8］：

由式（2）和式（3）可直接得出入射光振動(dòng)方位角和反射光振動(dòng)方位角之間的關(guān)系：

由入射光光路圖（如圖4）分析可知，近軸光線和邊緣光線的入射角不同，因此振動(dòng)面的旋轉(zhuǎn)角度也不相同，若要分析整個(gè)光束經(jīng)隱身裝置的消光比，必須從光線元入手進(jìn)行分析。設(shè)AB為一光線元，距光軸的距離為r，且經(jīng)透鏡后聚焦于反射元件上的入射角為θ1，邊緣光線入射角為θe。

假設(shè)透鏡的焦距為f，透鏡口徑為D則：

由反射定律可得：

由式（4）～式（7）可以求得入射角為θ1的光線元的振動(dòng)方位角αr，經(jīng)貓眼系統(tǒng)反射后再次經(jīng)過(guò)磁光晶體后，線偏振光旋轉(zhuǎn)的角度總和為αr＋αi。

假設(shè)入射光總能量為I，則距光軸的距離為r的光線元能量為：

光線元回波透射出偏振片的光強(qiáng)為：

那么，對(duì)光線元沿整個(gè)入射面積分，得到探測(cè)激光回波總能量為：

由式（4）和式（10）可知，探測(cè)激光回波總能量Ir是關(guān)于磁光晶體的旋轉(zhuǎn)角αi的函數(shù)，對(duì)兩式進(jìn)行數(shù)值仿真，各參量設(shè)置為：f＝200mm，D＝40mm，I＝1，得到歸一化的Ir與αi的關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖4 消光比分析示意圖Fig.4 Schematic diagram of extinction ratio analysis

圖5 歸一化回波總能量與磁光晶體旋轉(zhuǎn)角度關(guān)系曲線Fig.5 Normalized echo power vs rotation angle of magneto－optic crystal

由消光比定義可知，歸一化的回波總能量在數(shù)值上等于消光比，因此消光比與旋轉(zhuǎn)角度的曲線關(guān)系近似三角函數(shù)。當(dāng)αi＝45°，消光比為5×10－6，且最佳晶體旋轉(zhuǎn)角度為αi＝44.94°或－44.94°。仿真結(jié)果表明，當(dāng)旋光晶體旋轉(zhuǎn)角αi＝45°時(shí)，隱身裝置能達(dá)到良好的消光效果，將探測(cè)激光回波阻斷，達(dá)到隱身的目的。

3.3 像質(zhì)分析

隱身裝置的引入勢(shì)必會(huì)影響光學(xué)系統(tǒng)的工作性能，如瞄準(zhǔn)精度、觀察距離等等，因此閉眼系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)工作性能的影響程度，是決定“貓眼”目標(biāo)隱身成敗的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)像質(zhì)［15］對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)加裝裝置前后光電裝備觀察窗口的成像質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比，來(lái)分析閉眼系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)隱身的可行性。實(shí)驗(yàn)在白天晴朗條件下進(jìn)行，將偏振片與旋光晶體組合加裝于望遠(yuǎn)鏡物鏡前端，目鏡端的成像信息由CCD攝像頭接收，圖6分別給出了加載裝置前和加載裝置后所采集到的像質(zhì)對(duì)比圖像，從圖中可以看出，閉眼裝置對(duì)儀器的成像質(zhì)量并沒(méi)有造成十分明顯的影響。為了對(duì)像質(zhì)降低程度進(jìn)行定量分析，引入平均通光衰減率η來(lái)評(píng)價(jià)像質(zhì)降低量，平均通光衰減表示式為：

式（11）中，M×N 為圖像像素?cái)?shù)，g（i，j）為圖6（a）中坐標(biāo)位于（i，j）位置的灰度響應(yīng)值，對(duì)應(yīng)于圖6（b）中的灰度響應(yīng)值為g′（i，j）。經(jīng)計(jì)算，可得到加裝閉眼系統(tǒng)后的通光率平均減少了9.22%。由仿真數(shù)據(jù)可知，隱身裝置對(duì)像質(zhì)的影響很小，因此，在允許“犧牲”有限成像質(zhì)量的情況下，利用該設(shè)計(jì)，可有效減弱光電裝備的“貓眼”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)較好的隱身效果。

圖6 像質(zhì)對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.6 Comparison of measurement results for the image quality

4 結(jié) 論

針對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下光電裝備隱身的現(xiàn)實(shí)需要，從降低貓眼目標(biāo)的回波功率出發(fā)，研究了磁致旋光晶體的旋光與非互易特性，設(shè)計(jì)了外置加固裝置來(lái)降低或消除貓眼回波。給出了隱身裝置的結(jié)構(gòu)、工作原理，利用光線元的方法對(duì)隱身裝置的消光比進(jìn)行了數(shù)值仿真，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該裝置的可行性。仿真及其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)磁光晶體旋轉(zhuǎn)角為45°時(shí)，消光比為5×10－6，能實(shí)現(xiàn)良好的消光效果，且計(jì)算得最佳晶體旋轉(zhuǎn)角度為44.94°或－44.94°；加裝隱身裝置的光學(xué)窗口像質(zhì)降低了18.63%。裝置性能、消光比以及像質(zhì)下降數(shù)據(jù)表明：該設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)良好的隱身效果，對(duì)于戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下光電裝備反偵測(cè)能力的提高具有重要的意義。

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