“猫眼”目标的激光主动探测距离分析

激光对光电传感器主动探测的基本原理是基于光学系统的"猫眼"效应的。最大探测距离是探测系统的重要参数之一。对影响探测距离的几个重要因素如激光发射束散角、CCD灵敏度、大气能见度等进行了分析,给出了最大探测距离的数学模型,并在此基础上运用MATLAB进行了模拟仿真。分析结果表明,最大探测距离随激光发射束散角的减小、CCD灵敏度的提高而增大,随大气能见度的增强而增大。     

CCD损伤进程中光学成像系统激光 猫眼回波实验研究

建立了猫眼回波探测成像光学系统损伤程度的实验系统,得到激光损伤CCD时猫眼回波峰值功率随辐照时间的变化曲线,分析了回波峰值功率的变化机理,并据此建立回波峰值功率变化与CCD损伤程度之间的联系.研究表明,受CCD不同损伤区域的反射率及粗糙度差异的影响,猫眼回波峰值功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降的变化规律,实际应用时可通过探测CCD猫眼回波强度的变化,再依据此规律来推断CCD各层结构的损伤状态.     

CCD不同损伤状态下光学成像系统猫眼回波

建立了不同损伤状态下光学成像系统的猫眼回波模型,分析了CCD各层被损伤对猫眼回波功率的影响,得到猫眼回波功率变化与CCD损伤程度的对应关系,并通过实验进行了验证.研究发现,在远场情况下成像光学系统的猫眼回波中心位置光强最强,且回波功率随CCD损伤程度的加深呈现先显著上升再迅速下降.最后缓慢下降的变化规律,可由此判断CCD各层结构的损伤状态.研究结果对远场条件下CCD被损伤程度的实时监测有一定的参考价值.     

典型光学观瞄窗口的“猫眼”效应特性评价与分析

各种光学观瞄窗口由于其自身结构和参数的不同,导致它们对入射光按原路返回的能力存在差异。为了客观评价此特性,提出了一种衡量光学观瞄窗口"猫眼"效应强弱的指标—RC,给出了数学模型并分析其主要影响因素。对几类典型光学观瞄窗口的"猫眼"效应指标RC进行了定量分析。结果表明:"猫眼"效应指标RC随光源波长的减小、镜头口径D的增大而增大,随反射元件反射系数ρS和光学系统穿越系数τS的增大而增大。     

倾斜离轴高斯-谢尔模型光束在大气湍流中通过猫眼光学镜头反射光的光强特性

本文研究了大气湍流和探测光空间相干性对倾斜离轴激光束通过猫眼光学 镜头反射光光强特性的影响. 研究表明: 由于光阑效应以及光束倾斜或离轴, 反射光光强出现振荡和非对称分布现象. 大气湍流不会改变其非对称性, 但湍流中其光强不再振荡. 当猫眼光学镜头存在微弱正离焦δ_max情况下, 轴上光强可达到最大值. 猫眼光学镜头焦距越大, 所需δ_max越大. 但是, 大气湍流和探测光相干性好坏都不会改变所需δ_max值. 在大气湍流中传输距离足够远时, 反射光强会成为离轴类高斯分布. 随着传输距离的增大, 相干性越差的探测光的反射光束扩展可以更小, 这与部分相干光自由空间传输规律完全不同. 探测光相干性越好, 其反射光强受湍流的影响越大, 但差异不大. 本文所得结果对激光主动探测的应用具有意义. 关键词： 猫眼光学镜头 大气湍流 部分相干光 光强     

光阑衍射对“猫眼”回波功率分布的影响

“猫眼”效应在激光主动侦察等领域具有广泛的应用,猫眼回波的功率分布是一项关键技术指标。激光束通过光阑会发生受限衍射,以Collins公式为基础,推导了猫眼回波光场的分布函数,数值计算了探测面上的光场分布,研究了“猫眼”系统中透镜口径、焦距以及探测距离、激光束束腰、离焦量等对猫眼回波功率分布的影响。并基于CCD搭建实验系统对猫眼回波功率分布以及衍射图样进行观测。观测结果表明:回波光场携带明显的衍射信息;探测器偏离成像透镜焦平面时,有限探测距离内猫眼回波光斑的峰值功率随着探测距离的增大而先增大后减小,最大值出现在约100 cm处。观测结果与理论数值计算吻合很好,验证了光阑衍射效应对回波功率的分布造成了明显的影响;研究结果对猫眼主动探测系统的研制具有很好的指导意义。     

基于线阵CCD反狙击探测仪的研制

针对传统反狙击探测方法主动性差、定位精度低的不足,提出了一种运用"猫眼效应"原理实现激光主动探测的反狙击方法.系统采用半导体激光器作为光源,以线阵CCD作为激光回波探测器.光学系统将一定角度的接收视场和线阵CCD的2 160个像元位置相对应,探测精度可达mrad量级.CCD工作时序由FPGA产生,其程序可在线编译.结合帧减和阈值比较算法,最大程度上剔除了噪声,试验探测距离可达250 m.     

水洞流场PIV显示与分析系统离轴测试校正

粒子图像测速技术(PIV)通过测量被测流场截面上每一位置点的速度,获得整个被测流场的信息.在PIV一般应用中所使用的照明激光片光与成像CCD装置的拍摄方向是垂直的,在某些应用场合受测试条件的限制,需要采用离轴方式进行测量,此时CCD成像方向与照明的激光片光不垂直,而是有一定夹角.离轴测试方式将对PIV系统的光学成像系统、示踪粒子选择和粒子图像处理带来影响.实验采用Scheimpflug离轴聚焦的方法对表面镀银高反射率的示踪粒子进行成像,通过调整成像透镜与CCD像面的夹角可获得清晰的粒子成像,并利用网格校正板和软件计算处理等方法有效校正了由于离轴测试带来的影响.     

基于点光源和球面光源的集鱼灯照度模型比较研究

集鱼灯是秋刀鱼等光诱渔业中重要的助渔装备,本文以秋刀鱼集鱼灯为例,分别基于点光源法和球面光源法建立了单灯箱理论照度模型。比较平面照度的理论值和实测值发现,基于球面光源法计算的理论值和实测值间线性拟合斜率系数较点光源法更接近于1。基于球面光源法计算的理论值与实测值间无显著差异(P0. 05),而由点光源法计算的理论值与实测值间存在显著性差异(P0. 05),说明基于球面光源法建立的照度模型更加符合实际情况。根据球面光源模型分别计算了白、红单灯箱在45°、60°、75°倾角下的照度分布,结果发现照度值均随距离增加呈先增大后减小趋势;同倾角不同灯色间照度分布差别较大,相同位置处白灯箱照度明显高于红灯箱;同灯色不同倾角间照度分布差别较小;随倾角增加,最大照度值位置到原点距离逐渐减小;照度衰减速率的绝对值随距离增加呈现先减小后增大再减小的趋势,最终趋近于0。     

长脉冲激光对组成CCD图像传感器的MOS光敏单元的硬破坏机理研究

以帧转移型面阵CCD图像传感器为例,采用有限元法研究了波长1.06 μm,脉宽ms量级长脉冲Nd:YAG激光与组成CCD传感器的MOS光敏单元的作用过程及硬破坏机理.建立了长脉冲激光辐照MOS光敏单元的热力耦合模型,模拟了MOS光敏单元的温度分布和应力分布.研究结果表明:在长脉冲激光作用下,由于S层表面径向压应力超过其抗压强度引起MOS光敏单元出现了OS层间分裂,进而受径向、环向和轴向压应力的共同作用下,在光敏单元还未熔融时,层间分裂就扩大至光敏单元的整个OS层间.OS层间完全分裂会使光敏单元发生硬破坏,并造成CCD传感器中激光照射区的单个或一列光敏单元的功能完全失效.文章的研究结果可为CCD图像传感器的激光损伤及防护提供必要的理论依据. 关键词： 长脉冲激光 CCD图像传感器 硬破坏机理 层间分裂     

“猫眼效应”影响因素的分析与验证

以自制透镜组、水准仪和加农炮瞄准镜为例,对影响"猫眼反射效应"回波的主要因素进行实验验证,实验结果表明:在近距离实验室条件下,"猫眼"效应受光学系统中反射面离焦、扫描光束的入射角影响很大。     

电视导引头的激光回波分析

阐述了用激光主动扫描法侦察远方飞航导弹来袭方位的原理及实验技术。以电视导引头光学系统为例,运用矩阵光学追迹法对影响“猫眼效应”回波强度的因素进行了定性和定量的分析。研究结果表明:回波强度受导引头光路中光学镜头的相对孔径、摄像管靶面倾斜和离焦的影响较大;扫描激光光束的入射角等因素对回波强度也有一定的影响。在主动扫描装置与被探测导引头相距约5000m、扫描光束的入射角为0.1rad的条件下,导引头光学系统反射面倾斜和离焦使得侦察装置接收到的回波能量与发射脉冲能量之比由理想条件下的1.0%分别下降到了0.004%和0.3%。     

猫眼激光谐振腔横模选择特性研究

将猫眼逆向器作为激光谐振腔的一个腔镜组成猫眼谐振腔。介绍了猫眼逆向器的结构,阐述了猫眼逆向器中凸透镜和凹面镜的间距改变时猫眼曲率半径的相应变化,并通过有效地控制该间距来选择激光横模,从而保证基横模输出。在激光谐振腔衍射积分方程的基础上,运用牛顿柯特斯数学方法,对不同参量下的猫眼激光谐振腔的横模状况进行分析,得出了各阶横模对应的特征值和功率损耗,计算出保证基横模输出的参量,并与实验对比,得到了一致的结论,为激光器的横模选择和控制提供了一种简便易行的新方法。     

猫眼谐振腔氦氖激光器理论分析

猫眼逆向器作为谐振腔镜与一个凹面镜构成猫眼激光谐振腔.精确计算了三种猫眼逆向器(即理想猫眼逆向器和两种存在误差的猫眼逆向器)的逆向平行反射性，并对应用这三种猫眼逆向器的谐振腔中高斯光束的各项参数进行了深入分析，得出结论：对于高斯光束，凸透镜的焦距、凹面镜曲率半径、凸透镜与凹面镜间距三者相等的猫眼逆向器为理想逆向器，其逆向平行反射性最好，此时猫眼谐振腔处于理想状态，基模模体积最大，远场发散角最小，稳定性最好；在猫眼谐振腔的设计中，要尽量减小猫眼逆向器中凸透镜的焦距，增大凹面输出镜的曲率半径；猫眼逆向器存在误差时谐振腔的各项性能将受到影响.为猫眼谐振腔激光器的设计提供了理论依据.     

纳秒脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属液-固相变时间特性研究

从理论仿真计算方面开展了脉冲激光诱导CCD探测器铝层金属温升变化的液-固相变时间特性研究。通过傅里叶热传导方程计算仿真了纳秒激光诱导CCD探测器铝层金属材料的温升曲线,获得了铝层金属材料液-固相变起始时刻和液-固相变时间长度随激光脉冲峰值功率和激光入射角度的变化规律。理论计算结果表明,随着入射激光脉冲峰值功率增加,激光诱导CCD探测器铝层表面的最高温度逐渐升高,铝层材料的液-固相变起始时刻往后延迟,且液-固相变时间长度增加;随激光入射角度的增大,铝层表面的最高温度逐渐降低,液-固相变起始时刻不断前移,而液-固相变时间长度逐渐变短。研究结果表明,激光脉冲峰值功率密度和激光入射角对激光诱导CCD探测器的液-固相变时间特性有重要影响,对揭示纳秒激光诱导CCD探测器的热损伤机制有重要的理论意义。     

基于微面元理论的“猫眼”目标回波散射偏振特性研究

为了研究"猫眼"目标表面回波散射偏振特性,基于微面元理论建立了偏振双向反射分布函数模型,指出线偏振光在"猫眼"目标表面回波散射的偏振度与目标表面粗糙度、复折射率以及入射角、探测角有关。主要研究"猫眼"目标表面粗糙度对其回波散射偏振度的影响,利用Matlab仿真得到"猫眼"目标回波偏振度与目标表面粗糙度参数σ的关系曲线。选择经过不同砂纸打磨的硅片作为"猫眼"目标进行实验,当硅片表面均方根高度分别为0.067μm、0.554μm、0.726μm、1.651μm、1.893μm时,其表面回波散射偏振度的测量值依次为98.83%、98.16%、96.08%、94.91%、94.6%,表明"猫眼"目标回波散射的偏振度随其表面粗糙度的增大而减小。     

基于“猫眼效应”的目标识别

 阐述了“猫眼效应”的基本原理，并在此基础上对“猫眼效应”进行了实验验证。实验结果表明，光电探测器的确存在“猫眼效应”。利用“猫眼效应”进行远距离的目标探测与识别能够简化系统并有效提高目标探测识别的概率，对今后选取合适的方案进行空间目标捕获、跟踪和瞄准有一定的参考意义。     

利用Zemax分析“猫眼效应”的激光反射特性

利用Zemax镜头设计软件建立了共轴的简化"猫眼效应"反射模型,并结合其强大的物理光学传播分析功能,仿真分析了目标镜头的口径、焦距、焦平面反射元件尺寸、倾斜度等主要参数对"猫眼效应"激光反射特性的影响。仿真分析的结果表明,目标镜头的"猫眼效应"激光反射特性是受目标参数和入射激光特性所共同制约的,对于空中目标来说,其"猫眼效应"的激光反射特性完全可以为激光主动探测所用。