激光測(cè)距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)光闌的設(shè)計(jì)研究

王 剛

（海軍駐中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十研究所軍代室，西安710000）

激光測(cè)距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)光闌的設(shè)計(jì)研究

王 剛

（海軍駐中國(guó)電子科技集團(tuán)第二十研究所軍代室，西安710000）

為了提高激光測(cè)距機(jī)對(duì)背景雜散光的抑制能力和對(duì)漫反射小目標(biāo)的探測(cè)能力，采用了在激光測(cè)距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)中加入與視場(chǎng)匹配的視場(chǎng)光闌的方法。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種設(shè)計(jì)可取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。結(jié)果表明，在相同的背景和能見度下，對(duì)同一目標(biāo)測(cè)距，視場(chǎng)光闌對(duì)抑制雜散光、降低噪聲、提高探測(cè)靈敏度起到較好的作用。激光測(cè)距機(jī)加視場(chǎng)光闌后測(cè)距能力能提高到原來的約1.18倍，具有更好的測(cè)距能力。

激光技術(shù)；激光測(cè)距機(jī)；視場(chǎng)光闌；測(cè)距能力

引 言

隨著各國(guó)作戰(zhàn)能力的不斷加強(qiáng)，面對(duì)日趨嚴(yán)重的地空導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈的威脅［1］，未來反導(dǎo)形勢(shì)愈加嚴(yán)峻。在此基礎(chǔ)上提出了我國(guó)未來空、地、海一體化的反導(dǎo)體系架構(gòu)設(shè)想，同時(shí)對(duì)激光測(cè)距的高精度、快速、實(shí)時(shí)、遠(yuǎn)距離測(cè)距技術(shù)的要求也在不斷提高。

從提高激光測(cè)距機(jī)的性能來看，提高對(duì)目標(biāo)回波的接收靈敏度比提高射向目標(biāo)的激光功率更有效，因?yàn)樘岣呓邮侦`敏度不會(huì)增加激光測(cè)距機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗，而提高發(fā)射功率將使它們大大增加。激光測(cè)距機(jī)的小型化、微型化固然與激光技術(shù)的發(fā)展有關(guān)（比如低閾值、被動(dòng)調(diào)Q技術(shù)等），但起決定性作用的還是接收技術(shù)的迅速發(fā)展，它使系統(tǒng)的接收靈敏度提高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)［2］。接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮提高對(duì)小目標(biāo)的測(cè)距能力，增大接收視場(chǎng)，又要兼顧限制背景（特別是近距離背景）雜散光，傳統(tǒng)技術(shù)是采用光學(xué)濾光片或依靠調(diào)節(jié)增益來降低背景噪聲，本文中提出在接收光學(xué)系統(tǒng)中加入視場(chǎng)光闌來更好地提高測(cè)距能力。

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)距目標(biāo)背景雜散光的有效抑制，提高對(duì)小目標(biāo)的測(cè)距能力，在激光測(cè)距機(jī)接收光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)加入視場(chǎng)光闌，通過設(shè)計(jì)與接收視場(chǎng)相應(yīng)匹配的視場(chǎng)光闌，充分利用視場(chǎng)光闌對(duì)成像范圍的限定特性，可減少進(jìn)入光電探測(cè)器探測(cè)面的雜散光、抑制噪聲、提高探測(cè)靈敏度，對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)光信號(hào)的提取、提高測(cè)距能力有較深遠(yuǎn)意義的影響，屬于提高固體脈沖激光測(cè)距機(jī)測(cè)距能力的一種有效接收光學(xué)設(shè)計(jì)改進(jìn)。

1 探測(cè)靈敏度對(duì)激光測(cè)距能力的影響

根據(jù)激光對(duì)小目標(biāo)（非合作目標(biāo)）的測(cè)距方程［3］可知，激光測(cè)距的最大作用距離，與激光發(fā)射功率、發(fā)散角、光學(xué)透過率、接收靈敏度等諸多因素有關(guān)，測(cè)距方程如下式：

式中，R為測(cè)距距離；Pt為發(fā)射峰值功率；τt為發(fā)射光學(xué)透過率；τr為接收光學(xué)透過率；Ar為探測(cè)系統(tǒng)接收光學(xué)面積；As為目標(biāo)反射截面積；ρ為目標(biāo)反射率；τ為激光雙程水平透過率；θt為激光發(fā)散角；Pr為接收靈敏度。

2 接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)光闌的設(shè)計(jì)

接收光學(xué)系統(tǒng)的功能是盡可能多地收集目標(biāo)反射的激光能量、抑制雜光背景干擾，保證一定的成像像質(zhì)，完成光學(xué)增益調(diào)節(jié)，滿足探測(cè)視場(chǎng)要求［4］。光學(xué)系統(tǒng)能夠清晰成像的視場(chǎng)范圍是有限的，視場(chǎng)的大小可用相對(duì)應(yīng)的光闌加以限定，這種光闌稱為視場(chǎng)光闌［5］。

2.1 接收光學(xué)系統(tǒng)組成

對(duì)非合作目標(biāo)的直接探測(cè)系統(tǒng)而言，接收光學(xué)所能收集到的目標(biāo)回波光功率是正比于接收系統(tǒng)的有效接收面積，但任何激光測(cè)距機(jī)都有嚴(yán)格的體積、質(zhì)量限制，因此接收系統(tǒng)的有效接收面積不可能很大，于是就出現(xiàn)了這樣的問題：如何使有限的接收面積能更有效地接收目標(biāo)回波光脈沖功率？所以接收光學(xué)設(shè)計(jì)的重要性不言而喻［2］。

加入視場(chǎng)光闌的激光測(cè)距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)由物鏡、視場(chǎng)光闌、目鏡［6］、濾光片、匯聚鏡及探測(cè)器六部分組成，如圖1所示，其3維模型如圖2所示。

2.2 視場(chǎng)光闌的參量設(shè)計(jì)

視場(chǎng)光闌設(shè)計(jì)的關(guān)鍵因素是參量設(shè)計(jì)，即視場(chǎng)光闌要與接收視場(chǎng)相匹配，才能將接收視場(chǎng)外的雜散光抑制掉［7］。視場(chǎng)光闌直徑d的大小與接收視場(chǎng)ω的關(guān)系［6］如下式所示：

式中，d為視場(chǎng)光闌直徑，單位mm；f為物鏡焦距；ω為接收視場(chǎng)。

由（2）式可知，當(dāng)接收光學(xué)物鏡焦距f和接收視場(chǎng)ω確定后，視場(chǎng)光闌直徑d的大小就確定了。但實(shí)際工程設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮每個(gè)課題的應(yīng)用背景、特點(diǎn)、加工能力等其它因素［8］。

2.3 接收光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)光闌的實(shí)現(xiàn)方式

加入視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如下：（1）無論對(duì)現(xiàn)有設(shè)備改造還是設(shè)計(jì)新的接收光學(xué)系統(tǒng)，都需在接收光學(xué)系統(tǒng)物鏡焦面處加入合適視場(chǎng)的視場(chǎng)光闌，并設(shè)計(jì)為軸向距離可調(diào)（徑向距離由結(jié)構(gòu)件加工精度直接保證）；（2）軸向調(diào)節(jié)視場(chǎng)光闌時(shí)，必須按照設(shè)計(jì)要求選取與設(shè)計(jì)光源一致的光源照明小孔，并采用無視差瞄準(zhǔn)鏡輔助調(diào)整視場(chǎng)光闌的軸向位置，軸向位置到位后用緊定螺釘固定；（3）注意：調(diào)校時(shí)如不采用設(shè)計(jì)要求的光源時(shí)，需加入補(bǔ)償片進(jìn)行光路補(bǔ)償，補(bǔ)償片設(shè)計(jì)時(shí)按照調(diào)校用光源的波長(zhǎng)進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。在調(diào)整過程中，補(bǔ)償片能在接收物鏡的調(diào)校過程中使光焦點(diǎn)移至與設(shè)計(jì)波長(zhǎng)焦點(diǎn)位置一致處。補(bǔ)償片的材料折射率為n、厚度為t，則加入補(bǔ)償片所引起的焦點(diǎn)位置差L由計(jì)算公式L=（n-1）t/n確定。調(diào)校完畢后，即可拿去補(bǔ)償片。

3 視場(chǎng)光闌對(duì)激光測(cè)距機(jī)的性能影響

為了檢測(cè)視場(chǎng)光闌對(duì)激光測(cè)距機(jī)性能，特別是接收通道信號(hào)的影響，專門設(shè)計(jì)增加視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)試驗(yàn)件，與不加視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行專題對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用同一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)對(duì)同一目標(biāo)在相同背景下進(jìn)行測(cè)試，檢測(cè)兩種接收光學(xué)系統(tǒng)對(duì)雜散光的抑制、探測(cè)器雪崩高壓和接收通道噪聲信號(hào)的影響。

3.1 視場(chǎng)光闌對(duì)雜散光的抑制作用

加入視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)試驗(yàn)件組成見圖3，試驗(yàn)示意圖見圖4。光源采用白熾燈（40W），故光學(xué)系統(tǒng)中需加入補(bǔ)償片，視場(chǎng)光闌調(diào)校至物鏡組焦平面處。光源距接收光學(xué)系統(tǒng)物鏡組第1片透鏡表面15cm，照射接收鏡筒。試驗(yàn)中通過改變視場(chǎng)光闌孔徑大小，觀察不同孔徑大小的視場(chǎng)光闌對(duì)雜散光的抑制能力，試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)值為：物鏡焦距f=157mm，試驗(yàn)在同一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)上分別安裝4mrad，3mrad，2.5mrad視場(chǎng)相對(duì)應(yīng)的視場(chǎng)光闌，視場(chǎng)光闌尺寸根據(jù)（2）式可求出孔徑大小分別對(duì)應(yīng)為0.6mm，0.5mm，0.4mm。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用同一平行光管測(cè)試，視場(chǎng)光闌對(duì)雜散光的抑制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)表1可知：同一接收視場(chǎng)，加視場(chǎng)光闌的光電流比不加視場(chǎng)光闌的光電流??；利用視場(chǎng)光闌對(duì)成像范圍的限定特性來減小接收視場(chǎng)，當(dāng)接收視場(chǎng)由大減小時(shí)，則光電流也從大變小，說明進(jìn)入光電探測(cè)器的雜散光光功率減少，故視場(chǎng)光闌能起到限制雜散光的作用。

3.2 視場(chǎng)光闌對(duì)探測(cè)器雪崩高壓的影響

激光測(cè)距機(jī)設(shè)計(jì)了噪聲增益控制電路，即用噪聲信號(hào)自動(dòng)控制調(diào)節(jié)探測(cè)器雪崩偏置高壓，使輸出信噪比最優(yōu)化。使用同一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)對(duì)同一漫反射目標(biāo)、同背景測(cè)距，試驗(yàn)中只改變接收光學(xué)，觀察加與不加視場(chǎng)光闌的兩種接收光學(xué)對(duì)接收探測(cè)器雪崩高壓的影響。試驗(yàn)先后改變背景，測(cè)量探測(cè)器雪崩高壓的變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表2可知：在相同目標(biāo)、背景下，加入視場(chǎng)光闌的激光測(cè)距機(jī)雪崩高壓比不加視場(chǎng)光闌的激光測(cè)距機(jī)雪崩高壓高很多。由于在相同條件下，探測(cè)器雪崩高壓越大，探測(cè)靈敏度越高，越有利于提高測(cè)距能力。這說明加入視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)對(duì)背景噪聲的抑制和探測(cè)靈敏度都優(yōu)于不加視場(chǎng)光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)。

3.3 視場(chǎng)光闌對(duì)背景噪聲的抑制作用

用同一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)分別加入2.5mrad視場(chǎng)光闌和不加視場(chǎng)光闌，先后對(duì)目標(biāo)8.5km處煙囪測(cè)距，用示波器分別記錄接收通道噪聲波形，如圖5所示（圖中通道2波形中幅度最大的信號(hào)為目標(biāo)8.5km對(duì)煙囪的回波信號(hào)，其余為噪聲信號(hào)）。

從圖5波形可知，同一臺(tái)激光測(cè)距機(jī)不加視場(chǎng)光闌時(shí)，接收通道噪聲最大幅度約為1V，而加入視場(chǎng)光闌后噪聲最大幅度僅為0.5V，噪聲幅度降低1倍，說明視場(chǎng)光闌能較好地抑制噪聲，同時(shí)接收電路設(shè)計(jì)時(shí)回波閾值也可降低1倍。根據(jù)接收靈敏度Pr∝電壓幅度閾值可知，當(dāng)電壓幅度閾值降低1倍時(shí)，Pr也降低1倍。根據(jù)（1）式可知，當(dāng)其它參量不變、而靈敏度提高1倍時(shí)，測(cè)距距離為原來的1.18倍，即激光測(cè)距距離能提高到原來的1.18倍。

4 結(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在相同背景、能見度下，對(duì)同一目標(biāo)測(cè)距，激光測(cè)距機(jī)接收系統(tǒng)中加入匹配的視場(chǎng)光闌后，接收通道噪聲得到有效抑制；相對(duì)于不加視場(chǎng)光闌的系統(tǒng)，太陽(yáng)光直接輻射影響更小。因此，可以提高接收靈敏度，增強(qiáng)激光測(cè)距機(jī)的測(cè)距能力。

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［3］ MA H Z.Laser active detection technology［M］.Xi'an：Xidian University Press，2002：6（in Chinese）.

［4］ XIONG H F.Laser ladar［M］.Beijing：Aerospace Press，1994：161（in Chinese）.

［5］ HU Y X，AN L S.Applied optics［M］.Hefei：University of Science and Technology of China Press，2006：103（in Chinese）.

［6］ SHI S X，ZHANG H X.Physical optics and applied optics［M］.Xi'an：Xidian University Press，2006：330-379（in Chinese）.

［7］ HU J S.Introduction to optical engineering［M］.Dalian：Dalian University of Technology Press，2005：130-137（in Chinese）.

［8］ XIAO Z X.Optical design engineering［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2008：172-174（in Chinese）.

Design and study about field diaphragm of receiving optical system in a laser rangefinder

WANG Gang
（Navy's Representative Agency Positioned in China Electronics Technology Group Corporation 20 Institute，Xi'an 710000，China）

To improve the suppression capability of the background stray light and the small-target detection capability of a laser rangefinder，a field diaphragm matching with the field was added in the receiving optical system of the laser rangefinder.Good results were obtained by the theoretical analysis and the experimental verification.The results show that the field diaphragm has better effect on the stray light suppression，the noise reduction and the detection sensitivity improvement.The ability of laser rangefinder with the field diaphragm was improved to about 1.18 times than that without the field diaphragm.The new laser rangefinder has better ranging capability than before.

laser technique；laser rangefinder；field diaphragm；ranging ability

TN247

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.015

1001-3806（2014）05-0647-04

王 剛（1977-），男，碩士，主要從事光學(xué)工程方面的研究。

E-mail：289038404@qq.com

2013-09-06；

2013-11-25