武慧敏，李仰軍，張 猛，郝爭輝

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，太原 030051）

0 引言

在軍事應(yīng)用需求的強(qiáng)力推動(dòng)下，激光武器迅速發(fā)展。由于激光武器主要通過高溫?zé)g效應(yīng)及輻射效應(yīng)對(duì)目標(biāo)造成破壞［1］，許多系統(tǒng)無法對(duì)目標(biāo)處光斑進(jìn)行檢測或只能有條件檢測。文獻(xiàn)［2］提出可采用CCD探測器檢測激光光斑。由于高功率激光產(chǎn)生的高溫光斑，目標(biāo)表面溫度超過500℃，使用CCD相機(jī)所采集的光斑圖像會(huì)出現(xiàn)明顯飽和現(xiàn)象［3］，長時(shí)間直接測量甚至?xí)斐商綔y元件損傷，如何在高溫環(huán)境下進(jìn)行光強(qiáng)衰減成為激光光斑分析的關(guān)鍵。文獻(xiàn)［4］驗(yàn)證常用的中性濾光片衰減高溫光斑時(shí)效果不顯著。針對(duì)存在的問題，本文提出一種利用偏振原理進(jìn)行激光衰減的方案，理論分析與模擬實(shí)驗(yàn)證明其合理性。

1 激光衰減分析

1.1 衰減模型分析

激光武器作用于目標(biāo)表面時(shí)，目標(biāo)材料吸收大量激光能量產(chǎn)生高溫光斑。利用CCD相機(jī)探測時(shí)，光斑經(jīng)過大氣衰減以及偏振片組合的大幅衰減，入射到CCD光電探測元件上，通過處理采集到的光斑圖像，對(duì)激光光斑性質(zhì)進(jìn)行分析，可對(duì)激光武器的作戰(zhàn)毀傷效能進(jìn)行反饋說明。

CCD接收到的激光功率PT與激光武器功率、大氣衰減、材料激光反射率及偏振片衰減率有關(guān)，表達(dá)式為:

式中，P0為發(fā)射激光功率，功率范圍從1 kW到兆瓦級(jí)以上［5］；R為材料對(duì)于激光的反射率，吸收率高的非金屬材料反射率為0.1～0.6［6］；金屬材料反射率0.6～0.9［7］；φ 為大氣衰減率，φ=exp［-（α+β）d］，其中d為激光傳輸距離；α為大氣吸收系數(shù)；β為大氣散射系數(shù)；Ao為激光通過偏振片的透光率；α為發(fā)射激光光束與CCD接收光束的夾角。

1.2 偏振片衰減率

偏振片是一種高分子材料制成的光學(xué)電子器件，染料型偏振片偏振性能較高，具備優(yōu)良的耐高溫特性［8］，適合激光武器光斑檢測時(shí)高溫環(huán)境下使用。

應(yīng)用低透光率偏振片進(jìn)行衰減可擴(kuò)展CCD光斑檢測溫度的動(dòng)態(tài)范圍。但光斑處于低溫段時(shí)，偏振片透光率低會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)探測信噪比減弱，影響圖像信息采集［9］。耐高溫偏振片適用于高溫光斑衰減，可獲得較好的圖像信息，增大探測溫度范圍。

多片偏振片組合可以對(duì)激光進(jìn)行高量級(jí)衰減，且控制精度較高。三片偏振片組合光衰減率可達(dá)到10-10量級(jí)［10］，適合應(yīng)用于高功率激光光強(qiáng)衰減。

兩片偏振片P1，P2透光軸夾角為θ時(shí)，光束通過后的光強(qiáng)表達(dá)式為

式中，ε為偏振片消光軸方向與透光軸方向振幅比，其值與偏振片性質(zhì)有關(guān)，ε取值范圍為10-1］。

通過兩片偏振片P1，P2后輸出的仍是部分偏振光，再添加偏振片P3，進(jìn)一步分析光強(qiáng)衰減率。P1，P2夾角為90°時(shí)，透射光強(qiáng)最小，光強(qiáng)衰減率隨P2，P3的夾角θ2變化。

出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）表達(dá)式為

圖1出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）關(guān)于θ2、ε的變換關(guān)系

出射光強(qiáng)I3（90°，θ2，ε）與θ2、ε的關(guān)系曲線如圖1所示。如圖可得ε取固定值時(shí)，出射光強(qiáng)I3隨θ2連續(xù)單調(diào)變化，θ2在［125°，135°］范圍內(nèi)光強(qiáng)衰減程度最高。

實(shí)際應(yīng)用于衰減系統(tǒng)時(shí)，選用低透光率、高消光比、高損傷閾值的偏振片進(jìn)行光斑衰減，精準(zhǔn)控制偏振片組透光軸角度，實(shí)現(xiàn)激光衰減倍率精確可控。

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

激光光斑衰減圖像采集系統(tǒng)如圖2所示，包括激光器、耐高溫陶瓷材料、偏振片組、CCD探測器、單點(diǎn)測溫儀、圖像采集卡、PC機(jī)以及相關(guān)測試軟件。實(shí)驗(yàn)過程中使用非接觸式單點(diǎn)測溫儀測量激光光斑溫度，選用偏振片直徑38.1 mm，厚度2.2 mm，精確調(diào)整偏振片透光軸角度使光強(qiáng)衰減程度最高。

圖2 光斑采集衰減系統(tǒng)

梯度增大激光器功率，使光斑溫度逐漸上升，由圖像采集軟件數(shù)據(jù)可得無偏振片衰減情況下光斑溫度為450℃時(shí)，光斑區(qū)域灰度值為255，CCD達(dá)到飽和。圖3為光斑區(qū)域內(nèi)灰度值隨溫度變化的關(guān)系，光斑區(qū)域灰度均值及最大值隨溫度變化基本符合高斯模型的變化規(guī)律:前期變化較快，后期趨于穩(wěn)定。兩片偏振片衰減情況下，CCD在950℃達(dá)到飽和。950℃后添加第3片偏振片，1 700℃時(shí)CCD再次達(dá)到飽和狀態(tài)。表1為實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。

圖3 光斑區(qū)域內(nèi)灰度均值及最大值與溫度變化的關(guān)系

表1 偏振片衰減實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

兩片偏振片對(duì)光斑衰減時(shí)，CCD最高可檢測光斑溫度為950℃，溫度擴(kuò)增比為11.1%。添加第3片偏振片后，CCD最高可檢測溫度為1 700℃，溫度擴(kuò)增比大幅增加為66.7%。圖4為1 600℃時(shí)激光光斑衰減情況，圖4（a）為未衰減光斑，CCD圖像飽和，無法從圖像中分析光斑性質(zhì)。圖4（b）為衰減后光斑，未達(dá)飽和，可進(jìn)行光斑參數(shù)分析。圖4（c）為偏振片衰減后光斑區(qū)域灰度值，由圖像信息可得，偏振片組可有效衰減高溫光斑。

3 結(jié)論

本文分析了偏振片對(duì)激光光強(qiáng)的衰減原理，通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證得到以下結(jié)論:1）選擇透光率低、消光比高、耐高溫的偏振片組合可有效衰減激光輻照于目標(biāo)處光斑的光強(qiáng)，使CCD能采集有效光斑圖像，從而檢測激光對(duì)目標(biāo)表面產(chǎn)生的作用效果。2）光斑溫度為100℃～500℃時(shí)，可直接使用CCD相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行檢測；經(jīng)過兩片偏振片組合衰減光強(qiáng)，CCD最高可檢測激光光斑溫度為950℃；經(jīng)過三片偏振片組合衰減，CCD最高可檢測光斑溫度為1 700℃。3）對(duì)于光斑溫度更高的激光武器，可采用衰減率更高的偏振片組或添加偏振片進(jìn)行光強(qiáng)衰減。本文提出的激光衰減方案為激光武器高溫毀傷效能檢測提供理論依據(jù)。

圖4 光斑圖像