復(fù)合式激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布定量測(cè)量技術(shù)研究

黃 偉,馬松山,李曉芹,郭紹禹

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

1 引 言

強(qiáng)激光在大氣傳輸過(guò)程中,受到大氣湍流、熱暈和消光等的影響,遠(yuǎn)場(chǎng)功率密度分布相對(duì)于激光器出口有較大變化,準(zhǔn)確測(cè)量強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑強(qiáng)度時(shí)空分布,是直接獲取激光光斑到靶能量、光束質(zhì)量和質(zhì)心漂移等重要參數(shù)的有效手段,對(duì)于分析強(qiáng)激光的大氣傳輸效應(yīng),評(píng)價(jià)強(qiáng)激光系統(tǒng)的光束控制能力,以及評(píng)估激光武器的作戰(zhàn)效能具有重要意義[1-2]。

目前,遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑的能量分布測(cè)量一般有兩種方法,一種是攝像法,采用漫反射靶板接收遠(yuǎn)場(chǎng)激光照射,由相機(jī)采集漫反射靶板上激光光斑的反射圖像,測(cè)量激光光斑的相對(duì)能量分布；另外一種是陣列探測(cè)方法,即用探測(cè)器陣列靶接收遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑,靶面上激光探測(cè)器按照一定的密度排布,通過(guò)探測(cè)器后端處理電路對(duì)激光探測(cè)器的響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行處理,并采用一定的方法對(duì)探測(cè)陣列的每個(gè)探測(cè)單元進(jìn)行精確標(biāo)定,得到激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑空間的絕對(duì)能量密度分布。攝像法采用非接觸式測(cè)量,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,分辨率較高,但較難實(shí)現(xiàn)激光光斑空間分布的定量測(cè)量,適合于激光光斑相對(duì)空間分布實(shí)時(shí)測(cè)量[3]；陣列探測(cè)方法具有信噪比高、響應(yīng)靈敏、動(dòng)態(tài)范圍寬、時(shí)間分辨率高等特點(diǎn),可以實(shí)時(shí)測(cè)量激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑時(shí)間和空間分布以及靶面的絕對(duì)光強(qiáng),但陣列探測(cè)法空間分辨率低,對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)大光斑測(cè)量需要探測(cè)器數(shù)量巨大,帶來(lái)成本較高[4]。因此,本文采用攝像法與陣列探測(cè)方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的復(fù)合測(cè)量技術(shù)。

2 工作原理及系統(tǒng)組成

2.1 工作原理

攝像法與陣列探測(cè)復(fù)合測(cè)量系統(tǒng)的工作原理是:利用漫反射靶板作為反射界面,通過(guò)調(diào)節(jié)光學(xué)衰減片、相機(jī)積分時(shí)間、光學(xué)鏡頭焦距、光圈大小等參數(shù)獲得清晰的光斑圖像,采集模塊采集漫反射靶板遠(yuǎn)場(chǎng)激光光斑圖像,經(jīng)圖像處理單元進(jìn)行預(yù)處理,得出激光光斑圖像的灰度值送入數(shù)據(jù)處理單元；同時(shí)在漫反射靶面上按一定間隔布置激光探測(cè)器陣列,靶板后面設(shè)置探測(cè)器后端處理電路,當(dāng)強(qiáng)激光照射漫反射靶板時(shí),靶面上的探測(cè)器陣列對(duì)光斑抽樣采集各探測(cè)點(diǎn)的激光能量,并由探測(cè)器的光敏面積處理得到該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的激光能量密度,再根據(jù)各點(diǎn)的能量密度,結(jié)合相機(jī)測(cè)量光斑灰度值,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理,從而給出整個(gè)光斑的能量密度分布。

2.2 系統(tǒng)組成

強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布測(cè)量系統(tǒng)由被測(cè)強(qiáng)激光、漫反射靶板、探測(cè)器陣列、相機(jī)、圖像處理模塊、信號(hào)處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成,其組成框圖如圖1所示。

圖1 強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布測(cè)量系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of far field laser spot of high power laser distributed measurement system

漫反射靶板材質(zhì)采用鋁板,尺寸為500 mm×500 mm,靶面反射率>90%。探測(cè)器陣列選用PIN-Si探測(cè)器,能較好地響應(yīng)1.06 μm波段激光,探測(cè)器陣列通過(guò)采集光纖按照特定的布局排布于漫反射靶板；信號(hào)處理模塊主要完成對(duì)直流電平采集、運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果送出,其組成主要有放大電路、AD數(shù)據(jù)采集、DSP綜合運(yùn)算、通信等幾部分組成。相機(jī)的作用是能拍攝整個(gè)激光光斑,并且保證測(cè)量精度,測(cè)試中前加1.06 μm窄帶濾光片,消除太陽(yáng)光以及雜光干擾,并加適當(dāng)衰減片,使得采集到的光斑圖像不飽和且灰度層次分明,并且根據(jù)相機(jī)的曝光時(shí)間同步探測(cè)器陣列的采集時(shí)間。圖像預(yù)處理模塊主要是對(duì)采集到的圖像進(jìn)行降噪處理,以提高圖像質(zhì)量,根據(jù)圖像的噪聲具有高頻的特性,圖像信號(hào)具有低頻的特性,因此選用低通濾波器,對(duì)圖像進(jìn)行降噪處理。同時(shí),針對(duì)靶板圖像產(chǎn)生的形狀畸變和光強(qiáng)畸變,需要通過(guò)靶板形狀和光強(qiáng)的標(biāo)定,得到畸變校正的對(duì)應(yīng)函數(shù)和消底背景圖像,實(shí)現(xiàn)形狀和光強(qiáng)的校正。數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的圖像和探測(cè)器陣列采集到的各點(diǎn)的功率密度進(jìn)行擬合處理,得到強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑的空間功率密度分布值。

3 漫反射靶板設(shè)計(jì)和系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 漫反射靶板設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)更好的精度,在反射靶板上按照特定布局安置多路光纖束,探測(cè)器陣列通過(guò)光纖束對(duì)特定點(diǎn)的激光能量進(jìn)行采樣,光纖束兩端通過(guò)耦合插芯分別固定于反射靶板相應(yīng)位置和光電探測(cè)器光窗上,光纖采用高損傷閾值雙石英光纖,光纖纖芯和包層都為石英,可有效提高光纖損傷閾值,選取光纖直徑為600 μm,可以有效的降低光纖芯徑對(duì)漫靶面成像帶來(lái)的影響。光纖探測(cè)通道選取25路,中心9路探測(cè)器通道的相鄰?fù)ǖ篱g距1 cm,形成3 cm×3 cm范圍,盡可能的保證光斑中心的探測(cè)器分辨率最高(在實(shí)際使用中,激光發(fā)射系統(tǒng)和光斑檢測(cè)系統(tǒng)需要通過(guò)望遠(yuǎn)鏡來(lái)相互對(duì)準(zhǔn)以確保激光光束垂直入射在靶板中心)。靶板其他范圍通道根據(jù)靶面大小等分排列,光纖布局形式如圖2所示。

圖2 漫反射靶板多路探測(cè)器陣列布局Fig.2 Multi-channel detector array layout of diffuse target board

在解算探測(cè)陣列的功率密度時(shí),對(duì)于第i個(gè)第j個(gè)探測(cè)器Dij,則入射到光電探測(cè)器光敏面的功率密度Pij(t)為:

式中,Vij(t)為t時(shí)刻輸出電壓信號(hào)值,Tt為光學(xué)衰減單元透射率,Aij為該通道放大器電壓放大倍數(shù),Rij為光電探測(cè)器的響應(yīng)率,Rl為光電探測(cè)器的負(fù)載電阻。則靶板上該點(diǎn)的功率密度值Sij(t)為:

式中,AD靶板上導(dǎo)光光纖的芯經(jīng)。

3.2 系統(tǒng)標(biāo)定

3.2.1 單元探測(cè)器功率絕對(duì)值標(biāo)校

在激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑時(shí)空分布測(cè)量過(guò)程中,單個(gè)探測(cè)器功率絕對(duì)值的準(zhǔn)確性是保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。為了校正由于系統(tǒng)裝配和探測(cè)器響應(yīng)線性度的系統(tǒng)性偏差,利用弱激光進(jìn)行靶板探測(cè)器的標(biāo)定,實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 單元探測(cè)器功率絕對(duì)值標(biāo)校原理圖Fig.3 Calibration principle diagram of cell detector absolute value

標(biāo)校光源選用波長(zhǎng)為1064 nm連續(xù)光纖激光器,其輸出功率為100 W,功率穩(wěn)定性為±1%,用標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)和透反比已知的分光鏡監(jiān)測(cè)靶面輸入激光功率,并與靶板探測(cè)器實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比對(duì),確定校準(zhǔn)系數(shù)。分光鏡的透反比在實(shí)驗(yàn)前由兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功率計(jì)進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量給出。為了降低標(biāo)定結(jié)果測(cè)量不確定度,一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)重復(fù)采集10次數(shù)據(jù),取其平均值給出整系統(tǒng)在該功率密度條件下的校準(zhǔn)系數(shù)。調(diào)節(jié)激光功率或光束直徑,改變輸出的功率密度,由此獲取該探測(cè)器全量程范圍內(nèi)的擬合曲線。測(cè)試結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明探測(cè)器陣列的線性動(dòng)態(tài)范圍上限為5000 W/cm2,測(cè)量下限為2W/cm2,圖中直線為數(shù)據(jù)擬合線。

圖4 單通道探測(cè)器線性度和動(dòng)態(tài)范圍Fig.4 Linearity and dynamic range of single channel detector

3.2.2 陣列探測(cè)器功率相對(duì)值標(biāo)校

探測(cè)器陣列靈敏度一致性是保證測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。在標(biāo)定過(guò)程,標(biāo)校激光源發(fā)射一定功率激光,經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直,調(diào)好系統(tǒng)光路,依據(jù)實(shí)際需求,通過(guò)調(diào)整電流值和衰減片對(duì)功率進(jìn)行衰減,探測(cè)器探測(cè)激光信號(hào),并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的幅值電壓,電壓信號(hào)由數(shù)字示波器采集并顯示,記錄該幅值電壓,完成一個(gè)探測(cè)器的標(biāo)校,在保證激光器輸出光功率及入射角度不變的情況下,重復(fù)上述步驟逐個(gè)依次完成25個(gè)探測(cè)器的標(biāo)校,形成曲線如圖5所示,實(shí)測(cè)結(jié)果表明探測(cè)器陣列靈敏度不一致性小于5%。

圖5 探測(cè)器陣列靈敏度一致性測(cè)量結(jié)果Fig.5 Coherence measurement result of detector array sensitivity

3.2.3 系統(tǒng)誤差分析

強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精度主要受以下幾個(gè)方面影響:

(1)探測(cè)模塊靜態(tài)誤差

探測(cè)模塊是測(cè)試靶面的基本組成單元,單個(gè)模塊的精度是測(cè)試系統(tǒng)精度的保證,主要受探測(cè)器、放大電路、運(yùn)算電路等方面的影響,本設(shè)備運(yùn)用了高穩(wěn)定模塊化設(shè)計(jì)思路,硬件進(jìn)行了固化,通過(guò)高速數(shù)字電路補(bǔ)償,消除各模塊的固有誤差,大大降低了引入誤差。

(2)探測(cè)模塊安裝誤差

探測(cè)模塊是通過(guò)安裝接口安裝于靶板上,原則上與入射光垂直,但是受靶板定位精度、安裝精度的影響,將引入外部安裝誤差,影響測(cè)量精度。

(3)激光入射角度引入誤差

本系統(tǒng)測(cè)量值為垂直入射到靶面的激光能量,標(biāo)定的激光功率均為激光垂直入射到檢測(cè)面的量,檢測(cè)單元設(shè)計(jì)為小視場(chǎng)(±5°),因此,在外場(chǎng)測(cè)試時(shí),由于入射角度很難達(dá)到垂直入射條件,因此會(huì)影響測(cè)量結(jié)果的精度。

(4)標(biāo)校誤差

單個(gè)探測(cè)器在標(biāo)校過(guò)程中,標(biāo)校光源輸出功率的穩(wěn)定度、功率計(jì)的標(biāo)較精度以及分光鏡的標(biāo)較精度對(duì)探測(cè)器絕對(duì)值的標(biāo)校影響較大,因此在標(biāo)校中盡量選用穩(wěn)定度高的光源,激光功率計(jì)選用中國(guó)計(jì)量院標(biāo)校過(guò)的功率計(jì),同時(shí)對(duì)單個(gè)探測(cè)器進(jìn)行多次標(biāo)定,為模塊單獨(dú)建立分段擬合曲線和數(shù)據(jù)庫(kù)。此外,探測(cè)陣列靶中探測(cè)器的一致性對(duì)測(cè)試結(jié)果精度影響較大,系統(tǒng)通過(guò)標(biāo)校單個(gè)探測(cè)器,盡量選用一致性高的探測(cè)器進(jìn)行測(cè)試。

(5)模型誤差

探測(cè)陣列采用米字排布結(jié)合激光高斯分布進(jìn)行建模,在建模過(guò)程中,實(shí)測(cè)點(diǎn)精度會(huì)很高,虛擬點(diǎn)只能反映其變化趨勢(shì)和相對(duì)功率,模型引入誤差較大,因此實(shí)際采樣點(diǎn)(探測(cè)單元)分布密度越大測(cè)量誤差越小,密度越小測(cè)量誤差越大,具體情況根據(jù)實(shí)際布局和模型引入有關(guān)。

(6)圖像處理誤差

相機(jī)曝光時(shí)間與探測(cè)器采集時(shí)間要求精確同步,并且相機(jī)背景圖像需要對(duì)通過(guò)與標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行對(duì)比,軟件進(jìn)行均值處理,實(shí)現(xiàn)了不超過(guò)10%的系統(tǒng)測(cè)量誤差。

4 系統(tǒng)遠(yuǎn)場(chǎng)光斑測(cè)量試驗(yàn)與結(jié)果分析

基于本測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)展了萬(wàn)瓦級(jí)強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布測(cè)量系統(tǒng)試驗(yàn)。原始激光通過(guò)自適應(yīng)光學(xué)矯正后采用離軸反射鏡擴(kuò)束輸出。在大氣能見(jiàn)度約5 km,測(cè)量激光器距離靶板780 m條件下,試驗(yàn)測(cè)量強(qiáng)激光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布,結(jié)果如圖6所示,圖6(a)為采集模塊采集到的第38幀瞬間光斑灰度分布圖像,(b)為第139幀瞬間光斑灰度分布圖像,(c)為連續(xù)150幀瞬間光斑灰度分布圖像的灰度分布合成圖像。探測(cè)器陣列測(cè)量采集到的各點(diǎn)的功率密度與圖(c)進(jìn)行擬合的結(jié)果如圖7所示。設(shè)定e-1光強(qiáng)分布,通過(guò)迭代計(jì)算出光斑面積、激光功率和平均功率密度如圖8～10所示。

圖6 短曝光和合成光斑灰度分布圖像Fig.6 Power density distribution of far-field laser spot after synthesis

圖7 合成后的強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑功率密度分布Fig.7 Result curve of spot area measurement for 31 consecutive frames of short exposure

圖8 連續(xù)31幀短曝光光斑面積測(cè)量結(jié)果曲線Fig.8 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

圖9 連續(xù)31幀短曝光光斑功率測(cè)量結(jié)果曲線Fig.9 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

圖10 連續(xù)31幀短曝光光斑平均功率密度測(cè)量結(jié)果曲線Fig.10 Result curve of mean power density measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

5 結(jié) 論

采用攝像和陣列探測(cè)復(fù)合測(cè)量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑空間分布的測(cè)量,獲得了較為詳細(xì)的激光遠(yuǎn)場(chǎng)光斑時(shí)空分布特性,為激光武器系統(tǒng)毀傷效能評(píng)估、強(qiáng)激光大氣傳輸效率、激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)提供重要依據(jù)。該系統(tǒng)具有探測(cè)光斑面積大,測(cè)量誤差小等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對(duì)波長(zhǎng)為1064±10 nm、功率密度動(dòng)態(tài)范圍為2～5000 W/cm2激光的遠(yuǎn)場(chǎng)光斑分布實(shí)時(shí)測(cè)量。