激光探潛系統(tǒng)中雜散光抑制措施分析

李海燕，胡云安，王連生

（海軍航空工程學(xué)院 a.控制工程系；b.新裝備培訓(xùn)中心，山東 煙臺(tái) 264001）

0 引言

光學(xué)系統(tǒng)成像時(shí)，到達(dá)像面上的光線除了按正常光路進(jìn)行的成像光線外，還有一部分是不參加成像的非成像光線在像面上的擴(kuò)散，這部分非成像光線稱為雜散光[1-3]。激光探潛系統(tǒng)的紅外光（IR）和藍(lán)綠光（GR）光學(xué)系統(tǒng)中雜散光的存在，使得目標(biāo)的信噪比降低，影響了整個(gè)系統(tǒng)的探測(cè)和識(shí)別能力。嚴(yán)重時(shí)因像面雜散光分布不均勻，在系統(tǒng)探測(cè)器上形成虛假信號(hào)，致使系統(tǒng)探測(cè)到偽目標(biāo)，甚至導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)失效，所以必須予以抑制和消除。

本文針對(duì)立式布局、IR/GR 分離光學(xué)系統(tǒng)的激光探潛系統(tǒng)，對(duì)IR系統(tǒng)中雜散輻射和GR系統(tǒng)中雜散光的來源進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并給出了相應(yīng)的抑制措施，展望了未來消雜光技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。

1 激光探潛系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

激光探潛系統(tǒng)中的光學(xué)系統(tǒng)，按照紅外光和藍(lán)綠光光學(xué)系統(tǒng)的布局不同可分為兩類[4]：一類是IR接收和GR接收共享一主物鏡的光學(xué)系統(tǒng)，如加拿大的LARSEN500系統(tǒng)；另一類是IR接收和GR接收截然分開的光學(xué)系統(tǒng)，如澳大利亞的WRELADSⅡ系統(tǒng)。按照光接收系統(tǒng)主物鏡的形式，也可分為兩類：一類是反射式（或折反式）望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，如澳大利亞和加拿大方案；另一類是透射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，如美國(guó)的ABS系統(tǒng)。

采用立式結(jié)構(gòu)，光發(fā)射和接收系統(tǒng)分離的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)下，激光器和光電探測(cè)器均垂直安置，且IR和GR的發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)都是分離的獨(dú)立光學(xué)系統(tǒng)，縮小了占地體積，裝配校正方便[4]。

圖1 IR/GR接收分離的光學(xué)系統(tǒng)

脈沖激光器發(fā)射的紅外激光束透過GR/IR 分光鏡，經(jīng)過紅外光發(fā)射系統(tǒng)擴(kuò)束后，垂直向下射出，到達(dá)海平面后返回的第一激光脈沖作為時(shí)間基線被紅外光接收系統(tǒng)接收；藍(lán)綠激光束被GR/IR 分光鏡反射后，經(jīng)過藍(lán)綠光發(fā)射系統(tǒng)射向掃描反射鏡，經(jīng)過大氣信道、海水界面和海水信道到達(dá)水下目標(biāo)，從水下目標(biāo)反射的激光脈沖信號(hào)沿著相反方向返回到藍(lán)綠光接收系統(tǒng)，此時(shí)作為第二次激光脈沖達(dá)到時(shí)間。

2 IR系統(tǒng)雜散輻射抑制技術(shù)

2.1 IR系統(tǒng)雜散輻射分析

紅外系統(tǒng)在激光探潛系統(tǒng)中的主要作用是定高和確定時(shí)間基線。IR接收系統(tǒng)由紅外接收望遠(yuǎn)鏡、紅外窄帶濾波器和紅外探測(cè)透鏡組成。其中，紅外接收望遠(yuǎn)鏡包括2個(gè)固定透鏡和2個(gè)可動(dòng)透鏡，焦距可變[4]。整個(gè)系統(tǒng)垂直向下安置，探測(cè)紅外光從水面返回的反射信號(hào)。

2.1.1 IR系統(tǒng)雜散輻射來源

對(duì)于IR接收系統(tǒng)而言，雜散輻射主要來自光學(xué)系統(tǒng)外部環(huán)境紅外輻射和光機(jī)內(nèi)部熱輻射兩種紅外雜散光源。前者包括視場(chǎng)外海面紅外輻射和反射太陽(yáng)光中的紅外波段輻射，后者主要指電機(jī)、溫控?zé)嵩吹裙鈾C(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的紅外輻射。

激光探潛系統(tǒng)中IR 光學(xué)系統(tǒng)的雜散光背景為海面大氣背景，包括海水紅外輻射、海平面對(duì)太陽(yáng)光反射的紅外波段[5]。其中，海面對(duì)太陽(yáng)光的反射是大氣散射、海水表面和云層對(duì)太陽(yáng)輻射反射的共同結(jié)果。

內(nèi)部熱輻射是光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)輻射源（如溫度較高的光學(xué)元件和其他表面）產(chǎn)生的紅外輻射經(jīng)反射、折射或衍射到達(dá)焦平面的輻射能，包括鏡筒輻射和鏡組輻射。外部環(huán)境入射的輻射被壁面吸收，提高了壁面的溫度，促使光學(xué)元件自身輻射的雜散光對(duì)焦平面信號(hào)形成很強(qiáng)的干擾。內(nèi)壁面反射率的提高增大了雜散光在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的反射次數(shù)，增強(qiáng)了到達(dá)焦平面的雜散輻射通量[1]。

2.1.2 內(nèi)部熱輻射分析原理與過程

內(nèi)部熱輻射是紅外光學(xué)系統(tǒng)中雜散輻射的主要來源，成為影響系統(tǒng)成像質(zhì)量的重要因素。因此，必須研究光學(xué)系統(tǒng)中各像面接收內(nèi)部熱輻射量級(jí)大小。

輻射出射度是指輻射源表面單位面積上發(fā)射的輻射通量總和，它是輻射源上位置的函數(shù)，與波長(zhǎng)、溫度有直接的聯(lián)系，表示為M (λ,T)。

由普朗克定律可知，在一定的溫度與波長(zhǎng)下，黑體的輻射出射度與波長(zhǎng)、溫度的關(guān)系為[6]：

式中：h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?s；k是玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J?K；c是光速，c=2.99×108m/s；c1=2πhc2，稱為第一輻射常數(shù)；c2=ch/k，稱為第二輻射常數(shù)。

為求得光學(xué)系統(tǒng)中某發(fā)射面在單位時(shí)間內(nèi)，單位面積上發(fā)射的λ1～λ2波段的輻射能，可將M (λ,T)在相應(yīng)波段范圍內(nèi)進(jìn)行積分，即：

式中：ε是表面的發(fā)射率，代表在同一溫度下，物體的輻射出射度與黑體的輻射出射度之比。

確定系統(tǒng)的工作溫度及各光學(xué)系統(tǒng)表面的發(fā)射率，取得與紅外探測(cè)器相匹配的波段，利用式(1)、(2)，通過分布計(jì)算累計(jì)求和的方法，即可計(jì)算出光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部各主要輻射表面的輻射能量。

2.2 IR系統(tǒng)雜散輻射抑制措施

首先，根據(jù)式(2)，降低光機(jī)系統(tǒng)內(nèi)部各表面的發(fā)射率可有效抑制雜散輻射，具體可采取的措施有：① 采用特殊的消雜光表面工藝消除光學(xué)元件表面對(duì)雜散輻射的反射與散射，如金屬表面陽(yáng)極氧化以后用染料染黑，磨砂以后進(jìn)行酸蝕處理和等離子噴被等[3]；② 利用紅外消雜光涂料的表面粗糙度和多孔性來散射和吸收雜散光，也可降低IR系統(tǒng)的雜散輻射[7]。選擇涂料顆粒尺寸接近紅外探測(cè)器響應(yīng)波段的涂料，消光效果最佳。

其次，由式(2)可知，物體表面輻射的能量與溫度有直接的聯(lián)系，故降低IR系統(tǒng)工作溫度也可抑制IR系統(tǒng)雜散輻射?？刹捎弥评鋭┻M(jìn)行冷卻、在主鏡后加冷板、溫闌和冷光闌相匹配以消除鏡座輻射和小入射角背景輻射[3]等措施。

此外，可從優(yōu)化激光探潛系統(tǒng)中IR系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)入手來抑制和消除雜散輻射。由于遮光罩可以減弱大部分照射在鏡筒之上的雜光，而在鏡筒內(nèi)部設(shè)置的擋光環(huán)可以有效衰減到達(dá)像面的雜散光能量。所以可采用遮光罩阻擋直接到達(dá)光學(xué)系統(tǒng)表面的非成像光線，利用罩內(nèi)擋光環(huán)來阻擋和散射大入射角入射的雜散輻射，改變鏡筒表面的散射特征。正在研制的反射式擋光環(huán)可把大多數(shù)入射輻射直接反射到鏡筒外，從而可減輕鏡筒熱負(fù)荷。另外，可將孔徑光闌、視場(chǎng)光闌等進(jìn)行組合減小關(guān)鍵表面的數(shù)目和被照射表面的面積，進(jìn)而減小光學(xué)系統(tǒng)中的雜散輻射[7，8]。

3 GR系統(tǒng)雜散光抑制技術(shù)

3.1 GR系統(tǒng)雜散光分析

藍(lán)綠激光系統(tǒng)是激光探潛系統(tǒng)的核心部分，主要起到探測(cè)潛艇目標(biāo)的作用。GR接收系統(tǒng)包括掃描反射鏡、卡塞格林望遠(yuǎn)鏡、可變視場(chǎng)光闌、藍(lán)綠光窄帶濾波器、藍(lán)綠光探測(cè)透鏡和光電探測(cè)器。藍(lán)綠激光（波長(zhǎng)532 nm）垂直向下發(fā)射，經(jīng)過大氣、海水界面和水下到達(dá)潛艇后，從潛艇返回的激光脈沖信號(hào)沿著相反方向，被GR接收系統(tǒng)探測(cè)[4]。

3.1.1 GR系統(tǒng)雜散光來源

對(duì)于GR接收系統(tǒng)而言，雜散光主要包括外部雜散光和成像雜散光[9]。由于激光探潛系統(tǒng)不直接面對(duì)太陽(yáng)，外部雜散光的主要來源為背景光的干擾，如海水表面的散射、漫射光及大氣漫射光等進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件的多次反射、折射或衍射到達(dá)探測(cè)器[10]。成像雜散光指成像光線經(jīng)非光路表面散射、或經(jīng)光路表面的非正常傳播而進(jìn)入探測(cè)器的輻射能量。

從圖1可以看出，GR接收系統(tǒng)采用的是折反式的卡塞格林系統(tǒng)，這種系統(tǒng)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)3種雜散光[9]：一是不經(jīng)主鏡，次鏡由物空間直接射到或經(jīng)過校正鏡和場(chǎng)鏡后射到像面的雜光，又稱為漏光雜散光；二是視場(chǎng)內(nèi)的不按成像光路，經(jīng)鏡面來回反射到像面的雜光；三是視場(chǎng)外的光線經(jīng)筒壁漫反射進(jìn)入系統(tǒng)而射到像面的雜光。此外光學(xué)系統(tǒng)透射面殘余反射的雜散光也不容忽視[5]。

3.1.2 GR雜散光分析原理與過程

以兩個(gè)表面間照度公式為理論基礎(chǔ)，可定性地研究抑制雜光的方法。兩個(gè)表面間照度公式為[3]：

式中：ФT、ФS分別為入射在目標(biāo)物體的元面積（如像面）和入射在源物體的元面積（如鏡筒）上的能量輻射；BRDFS為源物體表面單元的雙向散射分布函數(shù)；GCFS-T為形狀系數(shù)。

BRDFS的值隨著入射和出射角度的變化而變化，且從來不會(huì)減小到0；GCFS-T的值通過改變兩個(gè)表面的方向可以減小，甚至使其為0。所以應(yīng)主要從光學(xué)系統(tǒng)的散射路徑出發(fā)進(jìn)行消雜光結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

在雜光分析中，首先，應(yīng)從像面出發(fā)來研究那些能夠在像面或者中間像面處看到的表面（關(guān)鍵表面）的雜散輻射。如圖1中次鏡的遮光罩內(nèi)表面是一個(gè)關(guān)鍵表面，為減小其在像面的投影面積，一般將其設(shè)計(jì)為接近于圓柱的錐面。其次，研究被照射的表面，減小其面積或?qū)⑵鋸谋徽丈涞穆窂缴弦瞥觥?duì)于那些既是被照射表面又是關(guān)鍵表面的表面，應(yīng)盡最大努力阻擋或移除。再次，應(yīng)采用阻擋的方法或者更改設(shè)計(jì)來消除所有連接被照射表面和關(guān)鍵表面的散射路徑。最后，決定采用何種涂料或是否要采用擋光環(huán)結(jié)構(gòu)，以降低BRDFS值。

為了徹底消除漏光雜散光和殘余反射雜散光，同時(shí)又要保證正常光束的通過，需要對(duì)雜散光進(jìn)行非常精確地分析，目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的雜散光分析軟件主要有Zemax、TracePro、LightTools、ASAP、OptiCAD 等，利用MonteCarlo法進(jìn)行光線追跡計(jì)算各階鬼像雜散光和各種衍射雜散光。

3.2 GR系統(tǒng)雜散光抑制措施

針對(duì)激光探潛系統(tǒng)GR接收系統(tǒng)的折反式卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)，應(yīng)系統(tǒng)地按照從外至內(nèi)的順序，逐層抑制和消除系統(tǒng)雜散光。

首先，在系統(tǒng)的最前方加外遮光罩，既可防止來自視場(chǎng)外的雜光，也可抑制直射雜光。來自視場(chǎng)外的部分光線經(jīng)過外遮光罩內(nèi)壁的多次反射可衰減，進(jìn)而消除筒壁漫反射雜光。其次，在系統(tǒng)中加內(nèi)遮光筒和在次鏡上加遮光罩來消除漏光雜散光，如果內(nèi)遮光筒的加入導(dǎo)致邊緣視場(chǎng)的傳函過低，此時(shí)可只用外遮光筒或用外遮光筒加次鏡遮光罩的方法消除雜散光[9]，也可在主次鏡上加上專門的筒形消雜光光闌。再次，同時(shí)在鏡筒壁和透鏡邊緣涂消光涂料，并在鏡筒內(nèi)壁和內(nèi)遮光筒的內(nèi)壁加擋光環(huán)來抑制和消除雜散光[9]，并采用鍍?cè)鐾改ず吞岣哏R面光潔度的方法抑制視場(chǎng)內(nèi)來回反射至像面的雜散光。如果采取了上述措施后，仍然不能滿足系統(tǒng)雜散光消除的要求，還可以采用諸如將孔徑光闌放置在次鏡上，鏡筒內(nèi)部安裝葉片，并且涂黑以降低衍射系數(shù)。視場(chǎng)光闌放置在二次成像面上，并且嚴(yán)格控制尺寸等手段來進(jìn)一步抑制和消除雜散光[11]。

4 展望

對(duì)于消雜光技術(shù)，應(yīng)該打破傳統(tǒng)的圍繞各種光闌設(shè)計(jì)和涂層設(shè)計(jì)的局限，把系統(tǒng)的光、機(jī)、熱及雜光分析技術(shù)結(jié)合起來，通過建立各種物理模型和數(shù)學(xué)模型，利用大型的雜光分析軟件確定初步設(shè)計(jì)方案。經(jīng)過計(jì)算機(jī)的模擬測(cè)試、評(píng)估方案，并不斷完善、優(yōu)化。最終設(shè)計(jì)的加工初樣應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)雜光測(cè)試，依據(jù)結(jié)果來判定分析設(shè)計(jì)的可靠性。這對(duì)于降低成本、縮短研制周期和提高分析精度是非常重要的。

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