采用APD陣列的共口徑激光成像光學系統(tǒng)設計

于　瀟，姚　園，徐正平

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所航空光學成像與測量中國科學院重點實驗室，吉林 長春 130033)

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采用APD陣列的共口徑激光成像光學系統(tǒng)設計

于瀟*，姚園，徐正平

(中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所航空光學成像與測量中國科學院重點實驗室，吉林 長春 130033)

針對機載平臺激光3D成像系統(tǒng)的輕小型需求，設計了采用APD陣列的共口徑激光收發(fā)光學系統(tǒng)。在分析激光成像系統(tǒng)照明方式及其光學系統(tǒng)結構的基礎上，給出了激光3D成像光學系統(tǒng)結構框圖：激光經(jīng)衍射元件實現(xiàn)分束照明，采用雙工反射鏡實現(xiàn)收發(fā)光路的耦合。該光學系統(tǒng)用于2 km以內(nèi)的目標三維成像，根據(jù)激光測距方程，確定了接收光學系統(tǒng)的參數(shù)以獲得滿足信噪比的回波能量。為避免造成像素之間串擾，設計了5倍擴束比的發(fā)射光學系統(tǒng)。最后，采用偏振片與1/4波片相結合的方式消除雜光，降低了發(fā)射光路對接收光路的影響。設計結果表明：接收光學系統(tǒng)彌散斑直徑小于120 μm，畸變小于0.2%。該光學系統(tǒng)體積小、重量輕，成像質(zhì)量良好，可為同類激光成像光學系統(tǒng)提供借鑒參考。

光學設計；激光3D成像；發(fā)射/接收共光路；消雜光

1　引　言

激光3D成像系統(tǒng)是指通過掃描或凝視有限視場來獲得遠處目標的反射率、光譜、偏振、多普勒頻移以及三維數(shù)據(jù)等信息的系統(tǒng)[1-6]。在二維圖像的基礎上，該系統(tǒng)可以提供距離信息，從而提高從背景中提取目標的能力[7]。因此，激光3D成像系統(tǒng)在軍事領域，如目標識別、定位、追蹤，武器制導、障礙回避等方面有著廣泛的應用[8]。

目前，國外對激光3D成像系統(tǒng)已開展了大量研究[9]。照明方式包括分束照明和泛光照明。與泛光照明系統(tǒng)相比，采用分束照明的系統(tǒng)可以提高單位時間內(nèi)像元接收到的能量并且能有效避免串擾，放寬了像質(zhì)要求，降低了系統(tǒng)尺寸、重量、成本等。其次，根據(jù)發(fā)射和接收過程是否共用一套望遠系統(tǒng)，而光學系統(tǒng)又分為收發(fā)分置和收發(fā)合置兩種結構形式。收發(fā)分置結構可以避免發(fā)射光路對接收光路的干擾，而收發(fā)合置結構則可以大大降低光學系統(tǒng)的重量和尺寸，同時提高收發(fā)對準精度，避免探測盲區(qū)。John等人采用收發(fā)合置的光學系統(tǒng)，整個激光3D成像系統(tǒng)的體積為0.07 m3，重量為33 kg[10]。因此，針對機載平臺的應用，采用APD陣列的共口徑激光3D成像系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢。國內(nèi)在激光成像與共口徑光學系統(tǒng)方面的研究取得了一系列成果[11-16]，但是沒有將二者有效地結合起來進行研究，因此，采用APD陣列共口徑激光3D成像系統(tǒng)光學系統(tǒng)的研究具有一定的實際應用價值。

2　共口徑激光3D成像光學系統(tǒng)

共口徑激光3D成像光學系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　激光發(fā)射/接收系統(tǒng)結構示意圖 Fig.1　Block diagram of laser launching/receiving imaging system

鑒于分束照明方式在小型化激光系統(tǒng)的優(yōu)勢，系統(tǒng)采用Damman光柵作為二維衍射元件，對激光進行分束。激光器輸出的單束脈沖激光通過能量光纖傳輸并經(jīng)過準直鏡準直，入射到光柵上，衍射成多束以不同角度傳播的平行光，經(jīng)過目鏡會聚，在中間像面上形成按陣列分布的亮斑。為使出射光斑的二維分布與成像光纖匹配，在中間像面設置視場光闌，濾除由衍射元件產(chǎn)生的不需要的光線。由于空間尺寸的限制，采用中間開孔的雙工反射鏡來代替棱鏡進行分光，實現(xiàn)發(fā)射光路與接收光路的耦合。將發(fā)射系統(tǒng)的出瞳設置在雙工反射鏡的開孔處，能夠提高能量利用率并且降低激光散斑對成像的影響。投影物鏡將中間像面的亮斑投影出去，照到目標的各個單元面積內(nèi)，由目標反射的光線再通過投影物鏡及雙工反射鏡聚焦到接收像面，經(jīng)成像光纖及耦合鏡組導入到探測器敏感元區(qū)，從而記錄下各個測量單元面積內(nèi)激光束往返的時間，反演出高程，獲得三維圖像。由于雙工反射鏡的開孔很小，并且目標的回波能量較弱，對激光器的影響可以忽略不計。

3　接收光學系統(tǒng)設計

投影物鏡是整個收發(fā)系統(tǒng)的關鍵組件，既作為接收系統(tǒng)，又是發(fā)射光學系統(tǒng)的一部分，決定了整個激光3D成像系統(tǒng)的性能，因此，首先對接收光學系統(tǒng)進行設計。

3.1接收光學系統(tǒng)的設計約束

作用距離是激光3D成像系統(tǒng)的一項重要指標，光學系統(tǒng)的口徑主要受作用距離、激光器發(fā)射功率、探測器性能、光學系統(tǒng)效率等因素的影響。根據(jù)激光測距方程可以確定光學系統(tǒng)的口徑，由于激光光束被分成8×8束，激光測距方程[10]將被修改成如下形式：

(1)

式中，Pr為探測器接收光功率，Pt為激光器發(fā)射功率，ρ為目標反射率，η1為光學系統(tǒng)透過率，η2為分束元件衍射效率，η3為往返大氣透過率，η4為成像光纖效率，D為光學系統(tǒng)口徑，r為激光成像系統(tǒng)作用距離。

從式(1)中可以看出，接收光功率與光學口徑的平方成正比，因此在允許的條件下口徑越大越好。然而受到系統(tǒng)體積尺寸的限制，初步選擇50 mm光學口徑，進一步通過對系統(tǒng)信噪比的計算來驗證口徑尺寸是否合理。

激光3D成像光學系統(tǒng)的參數(shù)包括工作波段、焦距、相對口徑和視場等。焦距取決于系統(tǒng)的空間分辨率，視場由APD探測器的大小和焦距決定。除此之外，在設計光學系統(tǒng)時，要考慮像質(zhì)對3D成像效果的影響。為了使激光3D成像圖像與實際景物之間不失真，就要避免接收光斑同時點亮兩個敏感源，造成敏感元之間的串擾，根據(jù)成像光纖纖芯直徑和中心距離，可以約束彌散圓的尺寸以及最大視場處的畸變值。

根據(jù)以上分析，光學系統(tǒng)的約束如表1所示。

表1　光學設計約束

3.2接收光學系統(tǒng)設計結果

根據(jù)系統(tǒng)設計約束，接收光學系統(tǒng)的結構如圖2所示。為增大系統(tǒng)透過率，盡量減少透鏡的數(shù)量，而若要滿足成像質(zhì)量，每片透鏡的光焦度不宜過大，因此折中選取6片透鏡組合，第1片、第6片為正透鏡，其余為負透鏡。為降低加工檢測難度，鏡面均采用球面。系統(tǒng)采用3種玻璃材料，分別是HLAK2、HZF62和HZK3。

圖2　接收光學系統(tǒng)結構圖 Fig.2　Structure diagram of receiving optical system

對該光學系統(tǒng)進行像質(zhì)分析，結果如圖3、圖4所示。圖3顯示出系統(tǒng)的最大畸變值η<0.2%，由圖4可以看出全視場內(nèi)激光回波的95%能量集中在Φ120 μm彌散圓內(nèi)，滿足探測器成像需求。

圖3　接收光學系統(tǒng)場曲和畸變曲線 Fig.3　Field curves and distortion graph of receiving optical system

圖4　能量集中度曲線 Fig.4　Diffraction encircled energy graph of receiving optical system

為滿足光學系統(tǒng)透過率的要求，每片透鏡表面鍍增透膜，透過率為0.98，接收光學系統(tǒng)的透過率為0.88。

4　發(fā)射光學系統(tǒng)設計

激光發(fā)射光學系統(tǒng)的目的是對光束進行擴束準直，以提高能量集中度，滿足測量要求，其設計結果如圖5所示。發(fā)射光學系統(tǒng)由目鏡和物鏡組成，8×8束激光先經(jīng)過目鏡會聚在中間像面上，再由投影物鏡投射到目標上。由于激光3D成像系統(tǒng)采用的是分束照明方式，為提高系統(tǒng)的能量利用率，避免激光照亮目標時產(chǎn)生混疊，經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)出射的光斑陣列應與探測器具有相同的占空比，因此約束激光束散角與衍射分束角之間的比值小于0.64。根據(jù)系統(tǒng)的空間分辨率要求，可以確定激光束之間的角間距為1 mrad，即激光束散角應小于0.64 mrad。擴束比同時受視場的限制，目鏡的視場為40 mrad，物鏡的視場為8 mrad，確定發(fā)射系統(tǒng)的擴束比為5。激光經(jīng)能量光纖傳輸后的束散角為1 mrad，擴束后束散角為0.2 mrad，滿足上述要求。望遠系統(tǒng)的擴束比可由式(2)表達：

(2)

式中，f物為物鏡焦距，f目為目鏡焦距。已知物鏡焦距為320 mm，得到目鏡的焦距為64 mm。目鏡的口徑小，像差相對容易校正，采用兩片正透鏡組合。擴束后的激光光束口徑為12 mm×12 mm。采用反射鏡將光路進行折疊，整個光學系統(tǒng)的尺寸被壓縮至Φ125 mm×200 mm的圓柱形空間內(nèi)。發(fā)射光學系統(tǒng)包括8片透鏡，1片窗口鏡，5片反射鏡，反射鏡的反射率為0.93，因此發(fā)射系統(tǒng)的透過率為0.59，激光在往返光路的光學系統(tǒng)總透過率為0.52。

圖5　發(fā)射光學系統(tǒng)結構示意圖 Fig.5　Principle diagram of transmitting optical system

本系統(tǒng)選用的脈沖激光器頻率為10 Hz，峰值功率為100 kW，地面目標的反射率取平均值為0.35，光學系統(tǒng)透過率為0.5，Damman光柵的衍射效率取經(jīng)驗值為0.7，成像光纖的傳輸效率為0.8。在作用距離為2 km時，大氣往返總透過率為0.35。系統(tǒng)的噪聲主要包括探測器固有噪聲及背景噪聲，探測器選擇8×8 APD陣列，響應度R為5 A/W，暗電流噪聲σdark為0.3 nA。在日光照射條件下，1 064 nm處目標表面反射的輻亮度為7.039 321×10-7W/(cm2·sr)，等效的背景電流ibackground=0.03 nA。該系統(tǒng)的信噪比由(3)式表達：

(3)

根據(jù)該公式及以上數(shù)據(jù)條件計算得到系統(tǒng)的信噪比為116，基本能夠滿足激光3D成像需求。但是以上計算值是在考慮的理想情況下得到的，在實際情況中，不同的處理電路會帶來不同量級的電路噪聲，信噪比還需要通過實驗來驗證。

5　消雜光設計

在收發(fā)合置的光學系統(tǒng)中，發(fā)射光路會對接收光路產(chǎn)生干擾。接收光路中的噪聲主要來自投影物鏡表面對激光的反射。因此為提高信噪比，減少3D成像系統(tǒng)的測量盲區(qū)，需在系統(tǒng)中加入消除雜光的措施。針對不同的照射目標，消除雜光的方法略有不同。如果目標表面光滑，則反射激光的偏振度基本不變，如果目標表面粗糙，則目標會對激光產(chǎn)生退偏作用。根據(jù)上述偏振效應，采用偏振片與1/4波片相結合，設計了相應的消雜光光路，如圖1中虛線部分所示。激光在經(jīng)光柵衍射之前先經(jīng)過偏振片起偏，通過投影物鏡后的1/4波片后變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)光滑目標反射后再次通過1/4波片變?yōu)榫€偏振光，且方向轉(zhuǎn)過90°，通過檢偏器后入射到像面。而由投影物鏡的內(nèi)反射光偏振方向不變，且與檢偏器方向垂直，即達到消雜光的目的。如果目標表面粗糙，則由目標的反射光為自然光，則去掉1/4波片即可。除了采用偏振原理消除鏡面反射雜光，還要消除來自空間的其他雜散光。激光3D成像光學系統(tǒng)實物圖如圖6所示，用金屬罩罩在鏡頭外部，避免激光在空間的散射給成像帶來影響。在實驗過程中，通過觀察發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)的光斑圖來調(diào)整二者的相對位置，進而實現(xiàn)發(fā)射與接收的配準，如圖7所示。對于表面光滑的目標成像，C10508采集到的目標回波信號，實驗結果如圖8所示，3條曲線分別代表無偏振片、偏振片垂直放置、偏振片傾斜放置時，探測器采集到的回波信號。左側波形代表雜光信號，右側波形代表目標回波信號。從實驗結果可以看出，采用偏振原理可以在一定程度上降低雜光的影響，但是1/4波片需要與光軸成一定角度放置，否則表面反射會給接收光路帶來更大的影響。

圖6　激光3D成像光學系統(tǒng)實物圖 Fig.6　Optical system of laser 3D imaging

圖7　激光照射Damman光柵后和激光照射成像光纖后光斑分布圖 Fig.7　Spot distribution of laser irradiated Damman grating and laser spot distribution of laser fiber after laser irradiation

圖8　鏡頭前無波片、波片垂直放置、波片傾斜放置時，C10508采集到的目標回波信號 Fig.8　Echoing signal in condition of no wave plate, with wave plate vertically placed and wave plate tilted

6　結　論

本文根據(jù)航空機載激光3D成像系統(tǒng)小型化的應用需求，開展了對采用APD陣列的共口徑激光成像光學系統(tǒng)的研究。首先介紹了光學系統(tǒng)的工作原理，提出了激光成像系統(tǒng)的照明方式以及收發(fā)光路的耦合方法。在分析系統(tǒng)作用距離以及空間分辨率的基礎上，分別設計了接收和發(fā)射光學系統(tǒng)。最后，給出了在接收光學系統(tǒng)測量時降低雜光的方法。設計結果表明：接收光學系統(tǒng)彌散斑直徑小于120 μm，畸變小于0.2%。共口徑激光收發(fā)光學系統(tǒng)的外形尺寸是Φ125 mm×200 mm，基本滿足了小型化激光成像系統(tǒng)的測量要求。

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Laser imaging optical system design with a shared aperture employing APD array

YU Xiao*, YAO Yuan, XU Zheng-ping

(Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement,Changchun Institute of OpticsFineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor，E-mail：yuxiaojllove@126.com

To meet the requirements of light and small laser 3D imaging system on airborne platforms, a co-aperture laser transceiver optical system is designed employing APD array. On the basis of a brief analysis of the imaging system illumination pattern and optical system structure, the laser 3D imaging system block diagram is given as following: the laser beam can pass through a diffraction element to achieve beam splitting and the mirror with a hole in the middle is used to achieve coupled launching/transmitting optical path. The optical system is used for three-dimensional imaging within a distance of 2 km, and the receiving optical system parameters are determined according to the laser operating range equation to obtain enough echo energy to satisfy the noise ratio. In order to avoid crosstalk between pixels, beam expander of five times is designed. Finally, the stray light is diminished to reduce the impact of the emitted light path on receiving light path by combining the polaroid and quarter-wave plate. The results indicate that the receiving optics has a diffuse spot diameter less than 120 μm and distortion less than 0.2%. The whole optical system could be an example for the similar design with small size, light weight and fine imaging quality.

optical design;laser 3D imaging;launching/receiving common aperture;stray light elimination

2016-01-26；

2016-02-23

中國科學院國防科技創(chuàng)新基金項目(No.CXJJ-14-S123)；吉林省科技發(fā)展計劃資助項目(20150204022GX)

2095-1531(2016)03-0349-07

TP721.2; TP703

A

10.3788/CO.20160903.0349

于瀟(1990—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實習員，2014年于哈爾濱工業(yè)大學獲碩士學位，主要從事航空光學成像鏈路與光學系統(tǒng)設計方面的研究。E-mail:yuxiaojllove@126.com

Supported by Innovation Fund Project of National Defense Science and Technology, Chinese Academy of Sciences(No.CXJJ-14-S123), Jilin Provincial S&T Development Program Project of China(No.20150204022GX)