脈沖激光干擾面陣CCD成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

張 超，王 濱，廖志燁，衣學(xué)斌，萬(wàn) 勇，張 偉

（1.中國(guó)人民解放軍總參謀部四部駐成都地區(qū)軍代室，成都610036；2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

脈沖激光干擾面陣CCD成像系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究

張 超1，王 濱2，廖志燁2，衣學(xué)斌2，萬(wàn) 勇2，張 偉2

（1.中國(guó)人民解放軍總參謀部四部駐成都地區(qū)軍代室，成都610036；2.西南技術(shù)物理研究所，成都610041）

為了研究脈沖激光對(duì)面陣CCD的干擾效果，采用近場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)的方法，設(shè)計(jì)了重復(fù)頻率脈沖激光干擾CCD成像器件近場(chǎng)實(shí)驗(yàn)。當(dāng)CCD器件表面接收激光功率密度達(dá)到2.97mJ/cm2時(shí)，觀察和記錄了CCD器件串音飽和現(xiàn)象；當(dāng)CCD攝像機(jī)電子快門(mén)打開(kāi)時(shí)，除發(fā)射窗口有激光光斑圖像外，激光脈沖在激光器出光口豎直方向也會(huì)形成偏離出光口位置的漂移光斑圖像。分析了CCD攝像機(jī)電子快門(mén)作用機(jī)理及圖像信號(hào)轉(zhuǎn)移方式機(jī)理，并對(duì)光斑漂移現(xiàn)象給出了合理解釋。結(jié)果表明，重復(fù)頻率脈沖激光可使CCD圖像上出現(xiàn)漂移光斑而對(duì)圖像形成干擾。這為重頻脈沖激光干擾CCD的研究提供了理論基礎(chǔ)和初步實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

激光技術(shù)；脈沖激光；CCD成像系統(tǒng)；激光干擾；漂移光斑

引 言

基于可見(jiàn)光CCD面陣器件的光學(xué)成像系統(tǒng)在光電跟蹤、瞄準(zhǔn)、圖像制導(dǎo)等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。采用連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)實(shí)施主動(dòng)干擾已有廣泛研究［1-4］，根據(jù)作戰(zhàn)使用需要，若要在更遠(yuǎn)距離達(dá)到圖像干擾效果，對(duì)激光輸出功率應(yīng)有較高的要求。在相同的抽運(yùn)能量注入條件下，采用重復(fù)頻率調(diào)Q脈沖方式運(yùn)轉(zhuǎn)，可以獲得更高的峰值功率脈沖激光輸出［5］，峰值功率的提升有利于提升激光干擾作用距離，獲得更佳的干擾效果，甚至可以造成光學(xué)探測(cè)器件的硬損傷［6-8］。相比于背景光源，脈沖激光具有峰值功率很高和脈沖作用時(shí)間極短等特點(diǎn)，因而視場(chǎng)內(nèi)，脈沖激光照射極易使CCD器件達(dá)到光電飽和狀態(tài)，進(jìn)而造成成像器件失效，但是，若不考慮硬件損傷，只考慮軟殺傷壓制干擾，激光脈沖重復(fù)頻率的降低，會(huì)降低CCD成像器件對(duì)激光脈沖的捕獲概率，從而影響實(shí)際干擾效果。作者通過(guò)近場(chǎng)模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了脈沖激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)的主動(dòng)干擾。

1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1是激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)干擾實(shí)驗(yàn)裝置示意圖。實(shí)驗(yàn)中所選用激光器為電光調(diào)Q的Nd∶YAG激光器，輸出波長(zhǎng)λ=1064nm，脈寬10ns，重復(fù)頻率1Hz～100Hz可調(diào)，光束發(fā)散角θ=5mrad，為了模擬遠(yuǎn)距離激光干擾，選擇激光單脈沖能量E0=10mJ，激光束經(jīng)反射式分光衰減片衰減系數(shù)τR=5%（通過(guò)距離R后的參量），CCD成像系統(tǒng)放置于距離R=105m以外，則投射到成像系統(tǒng)的激光能量為：

式中，α是大氣衰減系數(shù)，近距離實(shí)驗(yàn)可忽略，τc是成像系統(tǒng)的光學(xué)傳輸系數(shù)，Ac是成像系統(tǒng)的光學(xué)接收口徑的面積。

作為光電觀瞄、圖像制導(dǎo)等領(lǐng)域的應(yīng)用，需要CCD電耦合器件輸出連續(xù)視頻信號(hào)。電耦合器件的功能是把2維光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)換為1維視頻信號(hào)輸出。光學(xué)成像系統(tǒng)將景物圖像成像在CCD光敏面上，在每一個(gè)光敏單元?jiǎng)葳逯写娣排c圖像照度成正比的光生信號(hào)電荷，完成光電轉(zhuǎn)換和電荷的積累，然后將電荷轉(zhuǎn)移到CCD的移位寄存器中，在驅(qū)動(dòng)脈沖的作用下順序地移出寄存器，形成視頻信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中成像器件選用黑白面陣式CCD，單像元尺寸8.6μm×8.3μm，CCD電子快門(mén)時(shí)間為10μs～20ms，視頻幀頻為25Hz，場(chǎng)頻50Hz。CCD成像系統(tǒng)選用一組焦距f=75mm鏡頭，通光孔徑D=4.7mm。可以計(jì)算出在CCD焦平面上的光斑的光能量密度為：

帶入相關(guān)參量計(jì)算，得到Er=4.0×10-8J，I= 2.97×10-3J/cm2，該能量閾值高于CCD器件飽和串音閾值，但低于CCD器件的硬損傷閾值約1～2個(gè)數(shù)量級(jí)［9］?？紤]光束發(fā)散及大氣衰減的影響，該能量密度參量可以模擬5km以外、1J量級(jí)單脈沖能量激光對(duì)CCD成像系統(tǒng)的干擾效果。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電子快門(mén)關(guān)閉

關(guān)閉CCD成像器件電子快門(mén)，CCD攝像機(jī)默認(rèn)的單幀圖像曝光時(shí)間為1/50s。正常的視頻圖像信號(hào)如圖2a所示。當(dāng)照射激光器重復(fù)頻率不小于50Hz時(shí)，則成像器件每一幀圖像都能夠捕獲到激光光斑。圖2b所示是有激光照射時(shí)CCD成像器件圖像，除激光發(fā)射窗口處激光耀斑外，在屏幕豎直方向有一條串?dāng)_圖像帶。

形成飽和串音的機(jī)理已得到廣泛的研究和分析。光斑輻照區(qū)內(nèi)的像素在積分前期即達(dá)飽和，后續(xù)產(chǎn)生的光生載流子從這些飽和像素中溢出，流向兩側(cè)的未飽和或空阱狀態(tài)的像素，當(dāng)兩側(cè)相鄰的像素點(diǎn)達(dá)到飽和后，載流子繼續(xù)流向兩側(cè)距離更遠(yuǎn)的像素點(diǎn)，于是兩側(cè)未被光照的像素勢(shì)阱內(nèi)也存在電荷點(diǎn)信號(hào)，這些獲得信號(hào)的像素組成了視頻圖像中的串?dāng)_帶［10］。

2.2 電子快門(mén)打開(kāi)

電子快門(mén)打開(kāi)時(shí)，CCD電子快門(mén)時(shí)間在10μs～20ms范圍，實(shí)驗(yàn)中激光脈沖寬度在納秒量級(jí)，遠(yuǎn)低于單場(chǎng)圖像曝光時(shí)間，若激光脈沖落入CCD器件電子快門(mén)之外，光斑圖像應(yīng)不被成像捕獲。背景目標(biāo)亮度增強(qiáng)會(huì)導(dǎo)致CCD器件電子快門(mén)時(shí)間縮短，激光光斑被電子快門(mén)捕獲幾率變小，在晴朗天氣晝間室外自然光照明背景亮度下，通過(guò)改變激光重復(fù)頻率實(shí)現(xiàn)調(diào)整脈沖間隔時(shí)間，驗(yàn)證攝像器件成像對(duì)激光脈沖光斑的捕獲。

實(shí)驗(yàn)中記錄了激光器以重復(fù)頻率30Hz，60Hz，95Hz和99Hz工作時(shí)的CCD圖像干擾視頻，圖3所示是不同重復(fù)頻率脈沖激光照射時(shí)CCD成像器件單幀局部圖像，30Hz和95Hz截取的是未捕獲到激光光斑的幀圖像，60Hz和99Hz截取的是捕獲到激光光斑的幀圖像。除激光發(fā)射窗口光斑圖像外，可以看到在豎直方向上偏離出光口的位置存在激光漂移光斑，在攝像視頻中耀斑的位置隨幀頻移動(dòng)。圖4所示為連續(xù)20幀圖像中激光光斑出現(xiàn)的位置，坐標(biāo)軸橫軸表示視頻幀，縱軸表示激光光斑的水平位置，根據(jù)圖像信號(hào)分辨率將圖像豎直方向劃分為576行，取圖像底部為第0行，圖像頂部為第576行，激光器位于圖像中第150行位置。

隨著激光重復(fù)頻率的提高，激光出光口光斑捕獲概率增高，漂移光斑出現(xiàn)的頻率增高，入射激光重復(fù)頻率為30Hz時(shí)，部分幀圖像中出現(xiàn)1個(gè)漂移光斑，重復(fù)頻率為60Hz時(shí)，每幀圖像中都出現(xiàn)漂移光斑，部分圖像中出現(xiàn)2個(gè)漂移光斑，重復(fù)頻率為95Hz和99Hz時(shí)，圖像上表現(xiàn)為2個(gè)漂移光斑隨幀頻向下方勻速移動(dòng)。另外，漂移光斑出現(xiàn)的位置程周期變換，重復(fù)周期與激光重復(fù)頻率與視頻信號(hào)幀頻相關(guān)。

2.3 激光光斑漂移機(jī)理分析

考慮到激光漂移光斑出現(xiàn)位置隨機(jī)且具有竄動(dòng)特性，試驗(yàn)中通過(guò)調(diào)整光學(xué)鏡頭瞄準(zhǔn)，可以排除激光在光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部反射及折射等的影響，而在鏡頭移動(dòng)過(guò)程中，激光漂移光斑只出現(xiàn)在圖像上出光口位置豎直方向上，可以判定漂移光斑的出現(xiàn)與CCD器件受強(qiáng)光照射飽和串音現(xiàn)象有關(guān)。

CCD器件受脈沖激光照射只在出光口位置豎直方向出現(xiàn)漂移光斑，而不是出現(xiàn)飽和串音光帶，該現(xiàn)象可由CCD器件電子快門(mén)對(duì)圖像的截取解釋。電子快門(mén)的使用可使CCD攝像機(jī)拍攝的運(yùn)動(dòng)物體圖像細(xì)節(jié)更加清晰，目前市購(gòu)CCD器件中已廣泛應(yīng)用。CCD器件快門(mén)時(shí)間根據(jù)被拍攝目標(biāo)亮度自適應(yīng)調(diào)節(jié)，目標(biāo)及背景亮度愈高，電子快門(mén)時(shí)間愈短，對(duì)于攝像器件，極短的電子快門(mén)時(shí)間使得CCD器件在單幀時(shí)間內(nèi)對(duì)景物實(shí)現(xiàn)多次曝光，通過(guò)幀-行間轉(zhuǎn)移方式或行間轉(zhuǎn)移方式將CCD成像區(qū)積累的信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移輸出形成圖像。

圖5所示為單幀圖像漂移光斑產(chǎn)生機(jī)理，單場(chǎng)圖像成像時(shí)間為20ms，如果以電子快門(mén)時(shí)間1/200s為例，1次曝光時(shí)間5ms，單幀圖像成像時(shí)間內(nèi)可形成4次曝光，視頻在形成1幀圖像過(guò)程中會(huì)先后逐行掃描到4次曝光圖像內(nèi)容。若激光脈沖出現(xiàn)在第2次曝光圖像中并形成飽和串音，則第2幅曝光圖像在豎直方向上形成串音光帶。形成單幀圖像的輸出過(guò)程中，對(duì)第2幅圖像行間轉(zhuǎn)移電荷包含了飽和串音圖像信息，在最終生成的幀圖像中，相對(duì)位置出現(xiàn)漂移光斑圖像。

實(shí)驗(yàn)中激光重復(fù)頻率為30Hz時(shí)，激光脈沖間隔為33ms，部分幀在20ms成像時(shí)間內(nèi)沒(méi)有激光脈沖射入，則該幀圖像中不會(huì)出現(xiàn)激光光斑，部分幀在20ms內(nèi)有1個(gè)激光脈沖射入，可以看到1個(gè)漂移光斑。根據(jù)脈沖間隔33ms與單幀成像時(shí)間20ms相對(duì)位置關(guān)系，光斑位置會(huì)呈現(xiàn)5幀為一周期循環(huán)出現(xiàn)。激光重復(fù)頻率為60Hz時(shí)，每幀圖像中至少會(huì)進(jìn)入1個(gè)激光脈沖，部分幀會(huì)出現(xiàn)2個(gè)激光脈沖。當(dāng)激光重復(fù)頻率接近100Hz時(shí)，大部分幀進(jìn)入2個(gè)激光脈沖，在圖像上形成2個(gè)漂移光斑，激光重復(fù)頻率為95Hz時(shí)，脈沖間隔約10.5ms，幀間隔時(shí)間40ms后激光脈沖較上一幀延遲約2.1ms，表現(xiàn)在圖像上為漂移光斑向下方移動(dòng)約60行，重復(fù)頻率為99Hz時(shí)，2幀間激光脈沖延遲約0.4ms，圖像上漂移光斑向下方移動(dòng)約12行。上述分析結(jié)果與圖4中所示實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象吻合。

3 小 結(jié)

通過(guò)室外實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在晝間自然照明環(huán)境下，100Hz量級(jí)重復(fù)頻率脈沖激光對(duì)CCD攝像機(jī)成像及視頻信號(hào)的干擾。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)接收到的激光能量水平大于CCD器件飽和串音閾值時(shí)，由于電子快門(mén)作用，除激光器出光口處形成的激光光斑圖像外，脈沖激光會(huì)在激光器出光口豎直方向形成漂移光斑，漂移光斑出現(xiàn)的位置隨幀頻周期變化，變化周期與脈沖激光重復(fù)頻率相關(guān)。利用CCD攝像機(jī)電子快門(mén)作用機(jī)理及圖像信號(hào)轉(zhuǎn)移方式對(duì)該現(xiàn)象做出了解釋。該實(shí)驗(yàn)結(jié)論對(duì)于脈沖激光干擾CCD圖像跟蹤系統(tǒng)、CCD觀瞄系統(tǒng)等應(yīng)用具有參考意義。

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Experimental study on disturbing effect of pulsed laser against array CCD imaging systems

ZHANG Chao1，WANG Bin2，LIAO Zhiye2，YI Xuebin2，WAN Yong2，ZHANG Wei2
（1.Military Representative Office in Chengdu，F(xiàn)ourth Department of the Headquarters of the General Staff，Chinese People's Liberation Army，Chengdu 610036，China；2.Southwest Institute of Technical Physics，Chengdu 610041，China）

In order to study the disturbing effect of pulsed laser against an array CCD，experiment of CCD imaging system disturbed by repeated pulse laser was carried out at short-distance.Crosstalk effect of the CCD was observed and recorded at an energy density of 2.97mJ/cm2

by the CCD detector.When the electric shutter of the CCD vidicon was turned on，the images of excursion laser spots were found in the vertical direction of the laser radiation windows except for laser beam spot image.Operation principle of the electric shutter and the transfer mechanism of the CCD were analyzed.Phenomena of laser spot excursion were explained.Experimental results indicate that CCD images can be disturbed by the spot excursion caused by repeated pulse laser.The result lays the academic foundation and elementary experiment for CCD disturbed by repeated pulsed laser.

laser technique；pulsed laser；CCD imaging system；laser disturbing；beam spot excursion

TN249

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.009

1001-3806（2014）05-0619-04

張 超（1976-），男，工程師，研究方向?yàn)殡娮訉?duì)抗及主動(dòng)干擾。

E-mail：289038404@qq.com

2013-10-15；

2013-10-25