偏振片应用于激光武器光斑检测衰减方案*

武慧敏，李仰军，张 猛，郝争辉

（中北大学信息与通信工程学院，太原 030051）

0 引言

在军事应用需求的强力推动下，激光武器迅速发展。由于激光武器主要通过高温烧蚀效应及辐射效应对目标造成破坏［1］，许多系统无法对目标处光斑进行检测或只能有条件检测。文献［2］提出可采用CCD探测器检测激光光斑。由于高功率激光产生的高温光斑，目标表面温度超过500℃，使用CCD相机所采集的光斑图像会出现明显饱和现象［3］，长时间直接测量甚至会造成探测元件损伤，如何在高温环境下进行光强衰减成为激光光斑分析的关键。文献［4］验证常用的中性滤光片衰减高温光斑时效果不显著。针对存在的问题，本文提出一种利用偏振原理进行激光衰减的方案，理论分析与模拟实验证明其合理性。

1 激光衰减分析

1.1 衰减模型分析

激光武器作用于目标表面时，目标材料吸收大量激光能量产生高温光斑。利用CCD相机探测时，光斑经过大气衰减以及偏振片组合的大幅衰减，入射到CCD光电探测元件上，通过处理采集到的光斑图像，对激光光斑性质进行分析，可对激光武器的作战毁伤效能进行反馈说明。

CCD接收到的激光功率PT与激光武器功率、大气衰减、材料激光反射率及偏振片衰减率有关，表达式为:

式中，P0为发射激光功率，功率范围从1 kW到兆瓦级以上［5］；R为材料对于激光的反射率，吸收率高的非金属材料反射率为0.1～0.6［6］；金属材料反射率0.6～0.9［7］；φ 为大气衰减率，φ=exp［-（α+β）d］，其中d为激光传输距离；α为大气吸收系数；β为大气散射系数；Ao为激光通过偏振片的透光率；α为发射激光光束与CCD接收光束的夹角。

1.2 偏振片衰减率

偏振片是一种高分子材料制成的光学电子器件，染料型偏振片偏振性能较高，具备优良的耐高温特性［8］，适合激光武器光斑检测时高温环境下使用。

应用低透光率偏振片进行衰减可扩展CCD光斑检测温度的动态范围。但光斑处于低温段时，偏振片透光率低会导致系统探测信噪比减弱，影响图像信息采集［9］。耐高温偏振片适用于高温光斑衰减，可获得较好的图像信息，增大探测温度范围。

多片偏振片组合可以对激光进行高量级衰减，且控制精度较高。三片偏振片组合光衰减率可达到10-10量级［10］，适合应用于高功率激光光强衰减。

两片偏振片P1，P2透光轴夹角为θ时，光束通过后的光强表达式为

式中，ε为偏振片消光轴方向与透光轴方向振幅比，其值与偏振片性质有关，ε取值范围为10-1］。

通过两片偏振片P1，P2后输出的仍是部分偏振光，再添加偏振片P3，进一步分析光强衰减率。P1，P2夹角为90°时，透射光强最小，光强衰减率随P2，P3的夹角θ2变化。

出射光强I3（90°，θ2，ε）表达式为

图1出射光强I3（90°，θ2，ε）关于θ2、ε的变换关系

出射光强I3（90°，θ2，ε）与θ2、ε的关系曲线如图1所示。如图可得ε取固定值时，出射光强I3随θ2连续单调变化，θ2在［125°，135°］范围内光强衰减程度最高。

实际应用于衰减系统时，选用低透光率、高消光比、高损伤阈值的偏振片进行光斑衰减，精准控制偏振片组透光轴角度，实现激光衰减倍率精确可控。

2 实验模拟

激光光斑衰减图像采集系统如图2所示，包括激光器、耐高温陶瓷材料、偏振片组、CCD探测器、单点测温仪、图像采集卡、PC机以及相关测试软件。实验过程中使用非接触式单点测温仪测量激光光斑温度，选用偏振片直径38.1 mm，厚度2.2 mm，精确调整偏振片透光轴角度使光强衰减程度最高。

图2 光斑采集衰减系统

梯度增大激光器功率，使光斑温度逐渐上升，由图像采集软件数据可得无偏振片衰减情况下光斑温度为450℃时，光斑区域灰度值为255，CCD达到饱和。图3为光斑区域内灰度值随温度变化的关系，光斑区域灰度均值及最大值随温度变化基本符合高斯模型的变化规律:前期变化较快，后期趋于稳定。两片偏振片衰减情况下，CCD在950℃达到饱和。950℃后添加第3片偏振片，1 700℃时CCD再次达到饱和状态。表1为实验数据结果。

图3 光斑区域内灰度均值及最大值与温度变化的关系

表1 偏振片衰减实验数据

两片偏振片对光斑衰减时，CCD最高可检测光斑温度为950℃，温度扩增比为11.1%。添加第3片偏振片后，CCD最高可检测温度为1 700℃，温度扩增比大幅增加为66.7%。图4为1 600℃时激光光斑衰减情况，图4（a）为未衰减光斑，CCD图像饱和，无法从图像中分析光斑性质。图4（b）为衰减后光斑，未达饱和，可进行光斑参数分析。图4（c）为偏振片衰减后光斑区域灰度值，由图像信息可得，偏振片组可有效衰减高温光斑。

3 结论

本文分析了偏振片对激光光强的衰减原理，通过理论分析和实验验证得到以下结论:1）选择透光率低、消光比高、耐高温的偏振片组合可有效衰减激光辐照于目标处光斑的光强，使CCD能采集有效光斑图像，从而检测激光对目标表面产生的作用效果。2）光斑温度为100℃～500℃时，可直接使用CCD相机系统进行检测；经过两片偏振片组合衰减光强，CCD最高可检测激光光斑温度为950℃；经过三片偏振片组合衰减，CCD最高可检测光斑温度为1 700℃。3）对于光斑温度更高的激光武器，可采用衰减率更高的偏振片组或添加偏振片进行光强衰减。本文提出的激光衰减方案为激光武器高温毁伤效能检测提供理论依据。

图4 光斑图像