“猫眼”效应在激光侦听中的应用研究

刘玉华，李广林

（1.武警工程大学 研究生大队，陕西 西安 710086；2.武警工程大学 通信工程系，陕西 西安 710086）

激光侦听的基本原理是将激光打在侦听目标周围容易受声压作用产生振动的物体上，然后接收带有信号的反射光，并对信号进行解调达到声音还原。这种侦听方式的优点是作用距离较长，不易受干扰，而且无需在侦听目标周围安装任何设备[1]。

激光侦听技术[2]经过多年的发展，随着光源技术[3]的改进，其原理在实验研究上已日趋成熟，国外在20世纪末开展了一系列相关研究[4－5]，渐渐转入了实际的应用，市面上也开始出现了诸如激光侦听器[6]的产品。然而在使用过程中发现以下问题：首先，发射机与接收机分开，容易暴露窃听行为，还会对窃听位置的选择上造成很大的不方便；其次，高质量的反射光获取比较困难；再次，使用的是不可见光源，给瞄准也增加了难度[7]。

一束光进入光电设备的光学窗口，经过透镜的汇聚和反射元件的反射，其中少部分可能会反向返回，其回波强度是一般漫反射目标的回波强度的102～104倍[8]。这种现象就好像黑夜中看到的猫的眼睛一样，因此称为“猫眼”效应[9]。国内已开展对“猫眼”效应的研究[10－11]，但目前尚没有制成相关实战系统的报道。

1 “猫眼”效应

1.1 “猫眼”效应的物理模型

在很多情况下，特别是接收信号较弱、正对等情况下，光电设备可以近似的看作是一个透镜和反射面的组合。“猫眼”效应可以认为是如下近似模型[9－10]。

如图1所示，G是光电设备的光敏面，光束AB经过透镜汇聚于C点，被光敏面G反射后沿CDE传播，由光路可逆性，反之亦然。所以，光敏面产生的反射光就按镜面反射方式，沿入射方向返回，形成“猫眼”效应[4]。由光学知识可知，“猫眼”效应不改变光的传播方向。

因此，“猫眼”效应可以很好地解决激光侦听中反射光的获取问题。

1.2 “猫眼”效应的后向散射角理论

由于光电设备中光敏面一般是离焦放置的，故入射光线经“猫眼”反射后会产生一个远场发散角，即回波发散角，其推导过程如下。

图1 “猫眼”效应原理示意图Fig.1 Schematic of“cat-eye” effec

图2 光敏面正向离焦Fig.2 Photosensitive surface positive defocus

图3 光敏面反向离焦Fig.3 Photosensitive surface reverse defocus

如图2所示，当光敏面正向离焦时，设透镜半径为r，焦距为F，光敏面的离焦量为d，离焦情况下的有效半径为r′，则有：

由于对称性，可知：x+r′=r－x

因此有：

所以，光敏面正向离焦引起的回波发散角为：

如图3所示，当光敏面反向离焦时，不会引起透镜有效口径的减小，但还是会引起反射回波的发散。

所以x=rd/F

故正入射时引起的发散角为：

由以上分析可知，猫眼光学系统的焦距越长，则回波发散角越小，反射光就越强。

2 基于“猫眼”效应的激光侦听原理分析

2.1 回波功率分析

假定激光从光学镜头中心出发，并且只考虑大气衰减对激光传输的影响，不考虑大气扰动和大气散射等影响因素。设发射激光束的束散角为θt，侦听系统到目标的距离为R。

当激光垂直普通漫反射目标入射时，则目标处的光斑面积为：

侦听系统接收到的功率表达式为（漫反射接收功率）

式中Pt为发射激光峰值功率；AD为侦听系统接收光学口径；τt为发射光学系统透过率；τD为接收光学系统透过率；τ为激光单程水平大气透过率；p为漫反射系数。

当激光入射到“猫眼”系统时，目标处的光斑面积为：

式中θ为目标镜头反射激光的束散角。

侦听系统可探测到的激光功率为：

式中τT为“猫眼”光学系统透过率；pD为“猫眼”反射率。

因此，经过“猫眼”系统的回波功率与经过漫反射的回波功率之比为：

该比值的物理意义为：在相同的情况下，“猫眼”反射的回波功率比漫反射的回波功率高η倍，且大量实验测量的结果表明，η 在 102～104的范围内[5]。

2.2 侦听原理

声波作用于“猫眼”的光学系统时，会引起光学系统振动，使其偏离原来的位置，不同的位置对应不同的离焦量，不同的发射角对应不同的离焦量，如图4所示。不同的离焦量将导致回波的发散角不同，最终引起探测器接收到的回波信号功率的不同，亦即接收到的回波功率受到调制。

图4 入射角与离焦量的对应关系示意图Fig.4 Schematic of correspondence betweenincidence angle and defocus

在接收端只需对回波功率进行检测、放大、去噪、还原就可以获得侦听信息。

3 值得研究的问题

首先，利用“猫眼”效应进行侦听存在一定的局限性，如存在侦听的极限距离[8，12]。因此，激光侦听也不能替代传统的侦察手段。其次，利用“猫眼”效应对敌方进行侦听时，也要避免己方的光电设备的“猫眼”效应被敌方侦察到。再次，“猫眼”效应的探测距离与离焦量有一定的关系，增大离焦量能保护己方的光电设备，但是会降低探测器的性能，这些矛盾都是需要研究的课题。

其次，在一些没有具有“猫眼”效应合作目标的场合，侦听就变得不再容易，需要寻求其他的解决办法。

4 结束语

基于“猫眼”效应的激光侦听器与传统的侦听装备相比具有一定的优势：首先，它解决了反射光的获取问题，瞄准精度显得不再那么关键；其次，由于经过“猫眼”系统的反射光比漫反射光强，提升了侦听的距离。但是目前这项技术还不太成熟，还有待于进一步研究。

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