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        入射角對貓眼光電系統(tǒng)回波光強(qiáng)分布的影響

        2015-03-18 03:09:02淵,和婷,左
        激光技術(shù) 2015年6期
        關(guān)鍵詞:貓眼入射光光場

        滕 淵,和 婷,左 帥

        (華北光電技術(shù)研究所 固體激光技術(shù)國家級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100015)

        引 言

        隨著光電武器系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,針對光電系統(tǒng)的偵察與告警技術(shù)也逐步發(fā)展起來。光電系統(tǒng)具有一個(gè)共同的特性,即對入射光有較強(qiáng)的按原路返回的特性,且回波能量比漫反射目標(biāo)要高出102~104倍,此即光電系統(tǒng)的貓眼效應(yīng)[1-2]。運(yùn)用光電系統(tǒng)的貓眼效應(yīng),可實(shí)現(xiàn)對敵方目標(biāo)的有效偵察與探測。

        實(shí)際偵察過程中,入射光束總是以一定的角度入射,有時(shí)可達(dá)十幾度,甚至更大[3-4],由于入射光場的分布總是比較接近高斯光束,且在傳輸過程中不可避免的會(huì)受到諸多孔徑的限制,從而對偵察結(jié)果造成影響。為此,本文中從廣義衍射積分公式出發(fā),建立了高斯光束通過貓眼光電系統(tǒng)后光強(qiáng)分布的理論模型,著重分析了斜入射條件下光束的傳播過程,并推導(dǎo)出其傳輸過程的解析表達(dá)式,在此基礎(chǔ)上,分別模擬了500m與5000m測距條件下回波光強(qiáng)分布隨入射角的變化規(guī)律。

        1 理論建模

        Fig.1 Propagation scheme of Gaussian beam passing through a cat’s eye photoelectric system at oblique incidence

        所有具有貓眼效應(yīng)的光電系統(tǒng)均可看作是一個(gè)透鏡與位于其焦平面附近的反射面的組合。為了研究方便,將其反射光束與入射光束展開,便可得到貓眼光電系統(tǒng)的物理模型,兩個(gè)相同參量的透鏡和一個(gè)反射面組成的4f模型[5-7],如圖1所示。

        為避免計(jì)算過程中等效反射面聚焦所導(dǎo)致的非數(shù)問題,將整個(gè)傳輸過程變?yōu)?個(gè)區(qū)間[8],如圖2所示,z軸為光軸,w0為高斯光束的束腰半徑,θx為入射光在x方向的入射角,θy為入射光在y方向的入射角,透鏡1與透鏡2是參量完全相同的兩個(gè)透鏡,L1為輸入?yún)⒖济媾c透鏡1之間的距離,L2為透鏡2與輸出參考面之間的探測距離,D為透鏡的孔徑直徑,f為透鏡的焦距,δ為離焦量。

        Fig.2 Equivalent propagation scheme of Gaussian beam passing through a cat’s eye photoelectric system at oblique incidence

        整個(gè)傳輸過程劃分為3個(gè)區(qū)間,輸入?yún)⒖济娴酵哥R1前鏡面、透鏡1前鏡面到透鏡2后表面、透鏡2后鏡面到輸出參考面,其中區(qū)間2與區(qū)間3含有硬邊光闌,3個(gè)區(qū)間的傳輸矩陣分別是[9]:

        為了能夠更方便地研究入射角對回波光強(qiáng)分布造成的影響,假設(shè)坐標(biāo)軸z軸與光軸方向一致,于是入射角度偏差θx與θy便轉(zhuǎn)化為透鏡2的位移偏差Δx與Δy,如圖2 所示[10]。

        根據(jù)幾何關(guān)系,可得:

        兩個(gè)硬邊光闌的窗口函數(shù)可表示為[3]:

        將其展開為復(fù)高斯函數(shù)之和,分別為:

        式中,F(xiàn)s,F(xiàn)t和Gs,Gt分別為展開系數(shù)和復(fù)高斯函數(shù)系數(shù),由計(jì)算優(yōu)化得到,M=10時(shí)的取值見參考文獻(xiàn)[11]。

        為了便于分析,選擇直角坐標(biāo)系進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。設(shè)束腰半徑為w0,波長為λ(波數(shù)為k=2π/λ)的入射光束束腰處的軸上峰值光強(qiáng)為1,其余光強(qiáng)均為相對值。其中,入射點(diǎn)為(x0,y0,0)的光束在其束腰所在平面上的光場分布E0為:

        根據(jù)廣義衍射積分公式,同時(shí)指數(shù)因子exp(ikz)對光強(qiáng)分布沒有實(shí)際影響,因此將其忽略[5],波長為λ的高斯光束通過區(qū)間1到達(dá)光學(xué)窗口透鏡1前表面時(shí)的中心位置為(x1,y1,z1),其光場分布 E1為:

        式中,

        同理,高斯光束到達(dá)透鏡2時(shí)的中心位置為(x2,y2,z2),可得透鏡2后鏡面處的光場分布E2為:

        式中,

        因此,輸出參考面上的光場分布E3為:

        式中,F(xiàn)j1,F(xiàn)j2和 Gj1,Gj2分別為展開系數(shù)和復(fù)高斯函數(shù)系數(shù)。其中,

        (12)式即為斜入射條件下高斯光束通過貓眼光學(xué)系統(tǒng)的解析公式,由于接收系統(tǒng)是對光強(qiáng)信息的反映,且O′為原路返回的中心點(diǎn),因此系統(tǒng)的相對光強(qiáng)分布 I3為[12]:

        2 數(shù)值模擬

        為了研究回波光強(qiáng)分布的變化規(guī)律,在理論推導(dǎo)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了數(shù)值模擬研究,各參量初始取值為:w0=0.5mm,λ=1064nm,D=40mm,d=4mm,f=100mm,δ=0mm,θx=0°,θy=2°。

        為了研究普適條件下入射角度對回波光強(qiáng)分布的影響,選取了探測距離為500m與5000m兩種條件下,研究入射角對回波光強(qiáng)分布的影響時(shí),具體數(shù)值模擬過程如下。

        2.1 近距離探測時(shí)入射角對回波光強(qiáng)分布的影響

        首先選取近距離500m條件下研究入射角對回波光強(qiáng)分布的影響,只考慮1維的情況,令θx=0°,依次取 θy為 0°,4°,8°,10°進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到不同入射角下回波光強(qiáng)的3維分布I3及其在y方向的回波光強(qiáng)I3(0,y)分布,如圖3所示。

        Fig.3 a~d—scheme of echo energy distribution when L1=500m at incident angles of 0°,4°,8°,10°respectively e ~ h—scheme of echo energy distribution along y axis when L1=500m at corresponding incident angles

        根據(jù)圖3可得:(1)回波光場始終關(guān)于x=0mm對稱,這是由x方向入射角為0°所導(dǎo)致的;(2)入射角為0°時(shí),光場分布關(guān)于y=0mm對稱,隨著入射角不斷增大,光場分布輪廓逐漸減小,且逐漸往正方向移動(dòng),峰值光強(qiáng)不斷減小,中心峰值光強(qiáng)不斷向兩側(cè)轉(zhuǎn)移,造成這種現(xiàn)象的原因是:y方向入射角的增大使得進(jìn)入目標(biāo)光學(xué)鏡頭孔徑內(nèi)的光束不斷減少,同時(shí)光場在y方向的分布產(chǎn)生一個(gè)位置偏移,入射角越大時(shí),該位置偏移越大[13];(3)當(dāng)入射角小于10°時(shí),峰值光強(qiáng)是緩慢減小的,但當(dāng)入射角變?yōu)?0°時(shí),回波光強(qiáng)的峰值突然迅速降低了一個(gè)數(shù)量級,這是由于該模擬貓眼光學(xué)系統(tǒng)的最大視場半角為11.4°,當(dāng)入射角接近半視場角時(shí),兩個(gè)透鏡對衍射起作用的有效面積減小,從而使得回波光強(qiáng)迅速減?。?4-15]。

        2.2 遠(yuǎn)距離探測時(shí)入射角對回波光強(qiáng)分布的影響

        遠(yuǎn)距離條件下,回波分布近似為高斯分布,但存在一定的旁瓣,為此取探測距離為5000m,同樣只考慮1維情況,令 θx=0°,θy取為0°,4°,8°,10°進(jìn)行數(shù)值模擬研究,得到不同入射角下回波光強(qiáng)的3維分布及其在y方向的回波光強(qiáng)分布,如圖4所示。

        Fig.4 a~d—scheme of echo energy distribution when L1=5000m at incident angles of 0°,4°,8°,10°respectively e ~ h—scheme of echo energy distribution along y axis when L1=5000m at corresponding incident angles

        根據(jù)圖4可得,當(dāng)入射角為0°時(shí),回波光強(qiáng)分布的總體輪廓接近高斯分布,只是存在較為明顯的旁瓣,隨著入射角的增大,峰值光強(qiáng)不斷衰減,回波光場分布的旁瓣逐漸消失,回波分布越來越接近標(biāo)準(zhǔn)的高斯分布模式,相比探測距離為500m時(shí)回波光強(qiáng)分布隨入射角的變化規(guī)律,探測距離為5000m時(shí),回波光強(qiáng)分布達(dá)到高斯模式所需要的入射角相對較小。

        3 小結(jié)

        通過建立斜入射條件下高斯光束通過貓眼光電系統(tǒng)的物理模型,實(shí)現(xiàn)了傳輸過程的解析表達(dá),并在理論研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)行了數(shù)值模擬與分析。結(jié)果表明:在目標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的半視場角范圍內(nèi),目標(biāo)的探測距離與入射角共同影響回波光強(qiáng)的分布情況,隨著兩者的增大,回波光強(qiáng)不斷衰減,衍射峰的數(shù)目不斷減少,且回波分布的總體輪廓越來越接近高斯模式;探測距離越小時(shí),回波光強(qiáng)分布達(dá)到高斯模式所需要的入射角稍大,而當(dāng)探測距離較大時(shí),較小的入射角即可使回波光強(qiáng)分布模式達(dá)到近似高斯模式。實(shí)際偵察過程,探測距離都在千米量級,因此,為了獲得光束質(zhì)量較好的回波信號,入射光束不僅需要在貓眼光電系統(tǒng)的半視場范圍內(nèi),同時(shí)入射角度越接近正入射越好。

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