激光入射角度的精确定位研究

第３期　电光系统　Ｎｏ．３　２０１１年Ｏ９月　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ａｎｄ　Ｅｌｅｃｔｒｏ—ｏｐｔｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ　Ｓｅｐ．２０１１　激光入射角度的精确定位研究　赵书林，孙建国　中国电子科技集团公司第二十七研究所，郑州４５００４７　摘要：基于激光精确告警需求，理论研究了激光入射角和激光偏振角对分光镜能量透反比　的影响规律，在激光偏振角确定的条件下，分光镜能量透反比与激光入射角存在对应关系。　实验中通过改变激光入射角度，研究了分光镜能量透反比与激光入射角的关系，实验结果与　理论研究结果一致。　关键词：激光；入射角度；精确定位；分光镜　中图分类号：ＴＮ２９　文献标识码：Ａ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　ｏｎ　Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ　ｏｆ　Ｌａｓｅｒ　Ｉｎｃｉｄｅｎｔ　Ａｎｇｌｅ　ＺＨＡ０　Ｓｈｕ．１ｉｎ，ＳＵＮ　Ｊｉａｎ　ＵＯ　ｆ　Ｔｈｅ　２７ｔｈ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　０，Ｃｈｉｎａ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　Ｇｒｏｕｐ　Ｃｏｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｚｈｅｎｇｚｈｏｕ　４５００４７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｄｅｍａｎｄ　ｆｏｒ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｌａｓｅｒ　ａｌａｒｍ，ｔｈｅ　ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ　ｏｆ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ａｎｄ　ｌａｓｅｒ　ｐｏｌａｒｉ—　ｚａｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｏｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔ－ｒｅｆｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ｏｆ　ｂｅａｍ　ｓｐｌｉｔｔｅｒ　ｉｓ　ｓｔｕｄｉｅｄ　ｔｈｅｏｒｉｔｉｅａｌｌｙ．Ｉｔ　ｉｓ　ｒｅｖｅａｌｅｄ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｐｏｌａｒｉｚａ—　ｔｉｏｎ　ａｎｇｌｅ　ｉｓ　ａ　ｃｏｎｓｔａｎｔ，ｔｈｅｒｅ　ｉｓ　ａ　ｃｏｒｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔ－ｒｅｆｌｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ．Ｂｙ　ｖａｒｙｉｎｇ　ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ，ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔ－ｒｅｆｌｅｃｔ　ｒａｔｉｏ　ａｎｄ　ｌａｓｅｒ　ｉｎｃｉｄｅｎｔ　ａｎｇｌｅ　ｉｓ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｌｙ　ｉｎｓｐｅｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ａｎｄ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ａｒｅ　ｉｎ　ｇｏｏｄ　ａｇｒｅｅｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｌａｓｅｒ；Ｉｎｃｉｄｅｎｔ　Ａｎｇｌｅ；Ｐｒｅｃｉｓｅ　Ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ；Ｂｅａｍ　Ｓｐｌｉｔｔｅｒ　捕获目标需时４—１０　Ｓ；告警精度为８。时，由十字　１　引言　准线捕获目标需时３—４　Ｓ；告警精度为１。～２。时，　捕获目标需时１—２　Ｓ；当告警精度为０．１。时，目标　在高技术战争条件下，随着激光制导技术的　被定位仅需０．１　Ｓ，留给坦克的反应时间则达　迅速发展，用于测距、寻的、攻击等用途的激光武　６～８　Ｓ【１　Ｊ．由此可见，激光告警设备具备高的方位　器正在发挥越来越大的作用，为有效防护地面、海　分辨精度，对于防护目标有充裕的时间采取相应　上和空中目标，加速发展激光武器的侦察告警技　对策至关重要。　术已成为激光对抗的首要任务。　激光告警设备由于能大大提高防护目标的生　２激光侦察定位技术分析　存能力和杀伤力而日益得到重视，激光告警设备　应具备的特性为：方位分辨精度高，探测波段范围　激光告警设备按照探测工作原理大体分为光　宽，灵敏度和单脉冲截获概率高，动态范围大以及　谱识别型、相干识别型和成像型三种。目前激光　虚警率低。在典型的作战情况下，一枚速度为２　告警设备主要采用光谱识别型探测方式，其工作　马赫的激光制导导弹，在３—４　ｋｍ以外的米格一　原理为：激光告警设备的探测头由多个探测单元　２４直升机上发射，从发射到击中目标仅需６．４—　组成，这些探测单元组成探测阵列对整个空间进　８．４　Ｓ．这就要求光电对抗系统的反应速度很快，而　行监视，在相邻探测单元之间视场形成重叠，整个　系统的反应时间与激光告警设备的方位分辨精度　监视空间就被探测单元划分为若干区间，每个区　有关，当告警精度为９０。一３６０。时，由炮手瞄准具　间都由特定的探测单元负责接收激光，当这些接　作者简介：赵书林（１９８１一），男，工程师，毕业于中科院上海光机所，研究方向：光学。　１４　电光系统　第３期　其中一束为反射光２，另一束为透射光　收激光的探测单元有信号时，就可以确定激光方　分成两束，向是在它们负责的区间内，从而得到激光方位信　４；图１中的光线３和５分别代表一次折射光和二　Ｅ表示电场矢量。假设入射光１为线偏　息。光谱识别型激光告警设备具有结构简单和成　次反射光，本低等优点，但由于受到成本和体积等因素的制　约，方位分辨角度一般大于２０。，方位分辨率较低，　难以满足激光精确侦察定位的需求。　目前已经研制成功的激光精确侦察定位技术　振光，在分界面Ｉ上由折射率为ｎ。的介质（一般为　空气）入射至折射率为ｎ　的介质。现将入射光１　分解为相互垂直的两偏振光分量（Ｐ分量与ｓ分　量）的叠加，即：　主要有：光纤时间延迟测向技术和偏振编码技术。　光纤时间延迟测向技术依据激光在不同长度光纤　中传输的时间差来区分不同的激光来袭方向，也　就是通过测量光强重心的光纤延迟时间，来解算　激光辐射的入射方位角，而延迟时间通过对激光　信号脉冲波形的测量与计算得到。偏振编码技术　通过对每个光纤窗口输入的激光信号进行偏振编　码，入射激光辐射经光导到达偏振光计时，通过矢　量叠加自动确定平均偏振方向，从而达到较高的　测角精度。上述两种技术均能实现对来袭激光的　精确侦察定位，但其成本较高，且光学结构和电路　结构比较复杂。有必要开展其它激光精确侦察定　位技术的研究。　３理论研究　在激光应用中，分光镜是一种表面分别镀分　光膜和增透膜的分光器件，用于将一束激光分成　特定比例的两束光，下面研究分光镜对不同特征　激光的分光规律。　采用能量流分析法，推导在线偏振激光人射　情况下分光镜能量透反比的表达式，研究激光入　射角度、入射光偏振方向对分光镜能量透反比的　影响规律。　图１分光镜透射光和反射光示意图　分光镜分光如图１所示。入射光１被分光镜　Ａｕ＝　ｌｃ。　（１）　Ａ１ｐ＝Ａ１ｓｉｎ￣ｐ　式中，　表示偏振方向，Ａ　表示入射光１的光振　幅，Ａ。　和Ａ。。表示两偏振光分量的光振幅。　设Ｒ　，　：，　和　分别为分界面Ｉ上的ｓ分量　与Ｐ分量的反射率和透射率，并且有　＋　＝１，　＋　，则有：　Ｉ　：甓　（２）　Ｗ　２ｐ　（３）　＝＝　ｓｉｎ　（　１＋０２）一　＝　㈩　ｉ　ｓ　一　ｓｉｎ　２（　１＋　２）ｃｏｓ　（　ｌ一　２）　一　Ｗｌｐ（５）Ｊ，　　式中，　和　：分别是入射光１的入射角和折射　角；Ｗ。　，Ｗ。　是光线１的Ｐ分量与ｓ分量每秒入　射到分界面，的单位面积上的能量；Ｗ　，Ｗ　分　别是反射光２的Ｐ分量与　分量每秒从分界面Ｉ　的单位面积上带走的能量；Ｗ３　，Ｗ３　分别是折射　光３的Ｐ，ｓ分量每秒从分界面Ｉ的单位面积上　带走的能量。　由能量流公式可得：　：丢√　２　ｃｏｓｌ９　（６）　＝丢√　Ａ　ｃ。ｓ　－　（７）　式中８。和　。均为常数。可得分界面Ｉ上反射光　．２和折射光３的能量流表达式为：　＝　＝扣　√　ｃｏｓ　ｓ　（８）　＝　＝　１　√　Ａ２　ｓｉｎ　ｃ。ｓ　・（９）　＝　：寻　．／　Ａ　ｃｏｓ２ｑ￣ｃｏｓ０，（１０）　总第１３７期　赵书林，等：激光入射角度的精确定位研究　１５　＝　＝　√嚣Ａ２ｓｉｎ　ｃ。ｓ　・（１１）　丑　Ｉ＝　＼　＼　设Ｒ　，Ｒ　，　和　分别为分界面１Ｉ上的ｓ分量　与Ｐ分量的反射率和透射率，则得：　（１２）　蛐Ｉ　＼　＼　＼　＼　＝　：ＲＩ＝　（１３）　＝　一　＝　ｓｉｎ　（　１＋　）一。一　＝　）　，ｒＩ１一　！　！　一ｓｉｎ　（０１＋０２）ｃ０ｓ　（０２—０１）　式中，　。，　分别是光线４的Ｐ分量与ｓ分量每　秒从分界面Ⅱ的单位面积上带走的能量；　，　分别是光线５的Ｐ，ｓ分量每秒从分界面ＩＩ的单位　面积上带走的能量。由此得：　１　＝　＝÷　．‘　／８．．１１　　ＡＺ．ｃ０ｓ２　ｃｏｓ０１　（１６）　１厂二一　＝　＝寺　√　Ａ２１ｓｉｎ　ｃｏ　（１７）　由以上各式得分光镜的能量透反比表达式　为：　＋　Ｐ　‘ｃ０ｓ　＋　‘ｓｉｎ　ｐ一　一　＋　一　Ｉ’＋Ｒ＇ｓ　ｎ　ｏ　ｉ　（１８）　由式（１８）可见，理论上分光镜的能量透反比与激　光的入射角度以及激光的偏振方向有确定的函数　关系，与入射激光的强度变化无关。　３．１激光偏振方向不变入射角改变对分光镜能　量透反比的影响　设激光波长为１．０６　ｍ，激光的偏振角为　３０。，取分光镜折射率为１．５，激光入射角度在Ｏ。到　９０。范围变化时，计算得到的分光镜能量透反比随　激光入射角度的归一化变化曲线如图２所示。　由图２可见，激光的入射角度不同，对应的分　光镜能量透反比不同，随着激光入射角度的增大，　分光镜能量透反比持续减小。　当激光的偏振角分别为０。，３０。，４５。时，计算　得到的分光镜能量透反比随激光人射角度的归一　化变化曲线如图３所示。　由图３可见，在三种激光偏振角情况下，分光　镜能量透反比均随激光入射角度的增大而持续减　＼　＼　入射角，（。）　５　图２　激光偏振角为３０。时，分光镜能量透反比　随入射角度的归一化曲线　１　—＼　＼　＼　、　Ｏ．８　＼　＝３（　击＝４１　６　由：０。　＼　．　ｏ．４　Ｏ．２　＼　＼＼　，＼＼＼　　０　Ｏ　１０　２Ｏ　３０　４０　５０　６０　７０　８０　９０　入射角，（。）　图３激光偏振角分别为０。。３０。。４５。时，　分光镜能量透反比随入射角度的归一化曲线　小，不同的激光偏振角条件下，分光镜能量透反比　随激光入射角度的变化曲线有差别。　３．２激光入射角不变偏振方向变化对分光镜能　量透反比的影响　设激光（波长１．０６“ｍ）从空气中以４５。角　入射分光镜，分光镜折射率取１．５，激光偏振方　向在０。到１８０。范围变化时，计算得到的分光镜　能量透反比随激光偏振角的归一化变化曲线如　图４所示。　由图４可见，在激光偏振角从０。到９０。的变化　过程中，能量透反比逐渐增大，当偏振角为９０。时，　能量透反比达到最大；在偏振角从９０。到１８０。的变　化过程中，能量透反比逐渐减小，偏振角为１８０。时　能量透反比达到最小。　当激光入射到分光镜的入射角分别为３０￣，　４５。和６０。时，计算得到的分光镜能量透反比随激　光偏振角的归一化变化曲线如图５所示。　由图５可见，三种激光入射角情况下，分光镜　１６　电光　系统　第３期　／／，＼　｜。　１　咖『　避　｜　｜　．｜　Ｉ　。＼　／　＼　／　＼　图４激光入射角为４５。时，分光镜能量　透反比随偏振方向变化的归一化曲线　厂　‘／　｝　・０＝３ｑ　Ｉ。　／　／　｜。　｜　＼Ｉ　　丑　蝌　咖　—／　／．　。，　ｊ　＝４＼１　　．　、＼　龊　．，　１　／’Ｊ　．　｜　．＼　．／　／　ｏ＼　＝６ｃ　、　一　、　——＿　～　Ｏ　图５激光入射角分别为３Ｏ。。４５。，６Ｏ。时，　分光镜能量透反比随偏振方向变化的归一化曲线　能量透反比随偏振角度的变化趋势一致，随着激　光入射角度的增大，分光镜能量透反比随偏振角　度的变化速率增大。　对分光镜能量透反比的理论研究表明，在激　光偏振角度确定的条件下，分光镜能量透反比与　激光的入射角存在一一对应的关系。　分光镜１　分光镜２　激光器　探测器２　探测器１　图６实验原理示意图　４实验研究　实验原理如图６所示。分光镜１为采样分光　镜，实验中保持激光入射到分光镜１的角度不变。　在同一激光器情况下，分光镜１的能量透反比为　定值ａ（测量得到），通过探测器１测量分光镜１的　反射能量Ｒ　，即可得到分光镜１的透射能量Ｔ　＝　ａＲ　；分光镜２为待测分光镜，通过探测器２探测　分光镜２的透射激光能量　，即可得到分光镜２　的反射能量Ｒ　＝Ｔ　一　，进而得到分光镜２的能　量透反比为　／Ｒ：＝　／（　一　）＝　／（ａＲ　一　）；通过旋转分光镜２来改变激光的入射角度，　得到不同入射角度时分光镜２的能量透反比。　实验中，激光器采用波长１．０６　Ｉ．Ｌｍ的脉冲激　光器，激光偏振方向为０。，以５。为单位改变激光与　分光镜２的入射角度，每个激光入射角度对应的　，和　值分别测量５次，分别求得对应的分光镜　２的能量透反比　：，并取其平均值。测量得到　的激光入射角与对应的能量透反比数值经过曲线　拟合如图７所示。　１　ｆ、＼７　Ｉ　０．９　＼　＼　ｌ　Ｏ．８　＼　０．７　＼．　蝌　０．６　Ｏ．５　＼　Ｏ．４　＼．　Ｕ　ｌ０　２０　ｊＯ　４Ｏ　５Ｏ　６０　入射角／（。）　图７分光镜能量透反　匕随激光　入射角的归一化变化曲线　由图７可见，在激光偏振方向为０。时，随着激　光入射角度的增大，分光镜的能量透反比持续减　小。实验得到的分光镜能量透反比随激光入射角　的归一化变化曲线与理论曲线符合性较好。　５　展望　理论和实验研究表明，在激光偏振方向确定的　情况下，分光镜的能量透反比与激光入射角度存在　一一对应的关系，测得分光镜的能量透反比数值，　就可以得到激光的入射方位。该研究结果有望在　激光精确侦察定位技术中发挥较大的作用。　参考文献　［１］付伟．激光侦察告警技术的现状及发展趋势［Ｊ］．　红外与激光工程，１９９９，２８（２）：６—９．