便攜式遠(yuǎn)距離激光選通成像系統(tǒng)研究

王書宇，艾 磊，陶聲祥，顧國華

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230031)

隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)以及光電探測技術(shù)的發(fā)展，促使激光主動(dòng)成像技術(shù)不斷發(fā)展。由于該技術(shù)具有探測距離遠(yuǎn)、可夜間成像等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對(duì)雨雪、霧有一定穿透能力，近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。目前，加拿大Obzerv公司，瑞典國防研究中心(FOI)，英國BAE公司，美國INTEVAC公司、麻省理工學(xué)院(MIT)，德國陸軍大學(xué)等單位紛紛投入巨資進(jìn)行開發(fā)[1-5]，已研制成功多種基于激光距離選通成像系統(tǒng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。國內(nèi)相關(guān)研究開展相對(duì)較晚，哈爾濱大學(xué)張繁輝等[6]構(gòu)建了一套激光距離選通系統(tǒng)，并在夜間對(duì)700 m的樓體進(jìn)行了成像。裝備學(xué)院[7]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了532 nm和860 nm兩個(gè)波長的選通成像系統(tǒng)，成功對(duì)距離5 m到約20 km范圍的目標(biāo)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[8]解決了一系列激光主動(dòng)成像的技術(shù)難點(diǎn)，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。另外在水下和三維成像方面，也都取得了一定的成果[9-11]。以上這些激光成像系統(tǒng)大都體積龐大、使用困難。為此，本文在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像的同時(shí)對(duì)系統(tǒng)小型化進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使其方便攜帶，并對(duì)系統(tǒng)成像的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，進(jìn)一步提高了成像的質(zhì)量。

1 激光距離選通系統(tǒng)

激光距離選通成像系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，激光照明系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行照射，在激光脈沖傳輸?shù)倪^程中，部分激光能量可能會(huì)被空氣中的散射介質(zhì)散射或者中間場景反射，這時(shí)接收器的選通門處于關(guān)閉狀態(tài)，拒絕了大氣后向反射及背景雜波；而當(dāng)目標(biāo)區(qū)域反射回的激光信號(hào)到達(dá)接收器時(shí)候，系統(tǒng)選通門打開，對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像，之后選通門重新關(guān)閉[12]。

為使系統(tǒng)成像距離遠(yuǎn)，首先需要選擇合適功率的激光發(fā)射器和感光能力強(qiáng)的成像器件。當(dāng)遠(yuǎn)距離選通成像時(shí)，容易出現(xiàn)激光照射能量和照射范圍過大或過小，激光能量分散不均，因此需要考慮激光發(fā)散角、發(fā)射脈沖功率等參數(shù)與選通距離的關(guān)系，以獲得最佳的成像效果。同時(shí)，為了使該系統(tǒng)體積小、方便攜帶，在激光器和光學(xué)系統(tǒng)的選用和結(jié)構(gòu)上需要專門設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的小型化需求。

本文設(shè)計(jì)的激光距離選通系統(tǒng)主要由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、脈沖激光器模塊、激光驅(qū)動(dòng)模塊、同步控制模塊、ICCD成像模塊和接收光學(xué)鏡頭等組成，如圖2。其中激光驅(qū)動(dòng)電路、脈沖激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成激光照明系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制與調(diào)節(jié)激光。同步控制模塊、ICCD成像模塊、接收光學(xué)系統(tǒng)組成選通成像系統(tǒng)，負(fù)責(zé)選通控制并成像。電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)變焦位置，實(shí)現(xiàn)激光照射范圍與視場范圍同步。

2 小型化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大功率半導(dǎo)體激光器小型化技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀測距離為4 km，其激光功率計(jì)算公式[13]如下：

(1)

其中Ed、Sg為攝像機(jī)CCD參數(shù)，Ed為攝像機(jī)光電陰極平均照度的靈敏度閾值，Sg為光電陰極面積；ε、τ、D以及θ、Ω為光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)，ε為光源發(fā)射系統(tǒng)透過率，τ為接收系統(tǒng)光學(xué)透過率，D為接收系統(tǒng)鏡頭直徑，Ω為接收視場，θ為發(fā)射視場；K、a、η為與光源有關(guān)的參數(shù)，K為光源的光視效能，a為激光脈沖的占空比，η為電源調(diào)制效率；μ為大氣消光系數(shù)；R為成像距離。根據(jù)計(jì)算，激光的理論功率需要達(dá)到30 W，而目前市場上大功率激光器的體積龐大，笨重復(fù)雜。為滿足小型化和重復(fù)頻率的要求，特選擇體積小重復(fù)頻率高的半導(dǎo)體激光器。目前市場上半導(dǎo)體激光器單體最大功率一般為10 W，封裝體積最小的是C-mount封裝。這種封裝的散熱塊與半導(dǎo)體激光器的陽極相連，由于半導(dǎo)體激光器正向耐壓只有2 V左右，這樣從散熱外殼所引入的干擾信號(hào)或者靜電很容易造成激光器擊穿損壞，所以隔離激光器的散熱殼體與安裝外殼相對(duì)困難。因此，本系統(tǒng)選用4個(gè)8 W的單體激光器集成，采用陰極接散熱塊的F-mount封裝，以解決因功率較大帶來的激光器損壞問題。

電路有兩種集成方式：激光器串聯(lián)或激光器并聯(lián)。由于半導(dǎo)體激光器輸出的光功率直接取決于流過激光器的電流，若采取并聯(lián)方式不容易控制電流平衡，容易造成各單體之間光功率輸出的差異變大，影響激光器的壽命和激光照明時(shí)光功率的穩(wěn)定性。因此本系統(tǒng)采取4個(gè)單體激光器以串聯(lián)方式集成。其整體驅(qū)動(dòng)電壓在8 V左右，電流在10 A左右，此時(shí)，流過4個(gè)激光器的電流一致，同時(shí)激光器的光功率輸出也比較穩(wěn)定。既使有電壓波動(dòng)，4個(gè)激光器的電流也是同步變化，驅(qū)動(dòng)電源只需控制10 A的恒流輸出。

為滿足小光束發(fā)散角及光斑均勻性的設(shè)計(jì)要求，4個(gè)激光器的出光光束需要耦合成一根光纖。其耦合方式一般分為兩種：分離透鏡耦合和光纖直接耦合。為盡可能減小光纖耦合過程中的光能損耗，減小激光器的體積，采用錐端球面微透鏡直接耦合的方式。如圖3所示，其制作方法是先將光纖端部制成錐形，以減小端面半徑；然后在錐端形成微透鏡，這樣的耦合效率一般可達(dá)50%～60%，最大可達(dá)80%。

2.2 大功率激光脈沖驅(qū)動(dòng)小型化技術(shù)

在激光電源驅(qū)動(dòng)方面，由于大功率激光器驅(qū)動(dòng)電流大，驅(qū)動(dòng)過程中發(fā)熱量大，很容易損壞，如何在高頻率脈沖輸出的情況下快速的穩(wěn)定電流，也就是說既要滿足在每個(gè)脈沖輸出時(shí)電流的穩(wěn)定速度要快又要防止在脈沖的上升沿電壓沖擊過大，這是重點(diǎn)需要解決的問題。

為解決此問題，驅(qū)動(dòng)電源采用集成式電源驅(qū)動(dòng)模塊LMZ13610進(jìn)行恒流源驅(qū)動(dòng)，它的輸出電流可以達(dá)到10 A，輸入電壓最大可以達(dá)到36 V，電源在電流控制模式下輸出電壓最大可以達(dá)到輸入電壓，PWM調(diào)制頻率最高可達(dá)600 kHz，符合激光器驅(qū)動(dòng)的要求，同時(shí)為解決脈沖電流穩(wěn)定性和脈沖上升沿電壓沖擊問題，增加了一個(gè)電流負(fù)反饋回路，電流負(fù)反饋電路采取電阻串聯(lián)的方式取樣負(fù)載電流，為了降低取樣電阻上的功率消耗，采用1 W、2 mΩ的精密電流測量電阻，激光驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，這樣不但在驅(qū)動(dòng)負(fù)載時(shí)穩(wěn)定電流也可以快速抑制電流脈沖上升時(shí)的電壓沖擊，實(shí)現(xiàn)激光器驅(qū)動(dòng)電壓和電流的控制和保護(hù)。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)小型化技術(shù)

本系統(tǒng)的光學(xué)部分主要包括激光發(fā)射端和成像接收端。由于光學(xué)鏡頭、像增強(qiáng)器以及CCD攝像機(jī)的尺寸各不相同，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用中繼組投影鏡組作為轉(zhuǎn)像裝置對(duì)三者進(jìn)行連接。通過選擇合適的有效孔徑、焦距等參數(shù)，使選通物鏡、像增強(qiáng)器、中繼組投影鏡與CCD攝像機(jī)在尺寸及外形上合理匹配，既提高了系統(tǒng)的分辨力，又減輕了重量，滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)距離、小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

如圖5所示，中繼組投影鏡組由投影鏡框、隔圈和透鏡組成。其功能是將像增強(qiáng)器熒光屏圖像投影在低照度CCD模組靶面上，將光學(xué)圖像通過CCD模組轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。由于像增強(qiáng)器的熒光屏尺寸和CCD的靶面尺寸存在一定差別，所以投影鏡組起到“聚光”的效果，即通過一系列透鏡的會(huì)聚作用，將熒光屏的出射光斑縮小到適應(yīng)CCD成像靶面的大小。因此，為了盡可能減少光束能量的損失，需要合理選取投影鏡組的有效通過孔徑、焦距等參數(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過專用儀器(平行光管等)調(diào)試，調(diào)節(jié)各透鏡之間的間隔，保證理論設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3 其他關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)間同步控制技術(shù)

時(shí)間同步控制技術(shù)就是激光器輸出與ICCD攝像機(jī)選通快門的時(shí)間同步控制，如圖6所示。

本系統(tǒng)中，激光器輸出與ICCD攝像機(jī)快門開關(guān)的時(shí)間同步控制選用MICROCHIP公司的dspic33ep512mc806處理器。該處理器主頻為120 MHz，時(shí)鐘周期為8.3 ns，內(nèi)部帶有高速可編程的PWM輸出口，PWM輸出的頻率、占空比可調(diào)，PWM口的PWMH和PWML口線輸出連續(xù)脈沖模式和相位可以自由設(shè)定。電路通過PWMH和PWML分別控制激光輸出和選通像增強(qiáng)器光輸入。因此，系統(tǒng)中只需通過程序控制PWM的占空比和PWMH與PWML的相位差就可以控制選通成像的距離和景深?？刂圃砣鐖D7所示。

3.2 電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

激光照明光斑的大小取決于激光照明鏡頭焦距，攝像機(jī)成像視場大小取決于攝像機(jī)鏡頭焦距。因此，只要控制這兩個(gè)焦距同步就可以控制激光照明光斑與成像視場重合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視場同步控制。為使激光光斑與選通成像視場相匹配，系統(tǒng)采用焦距連續(xù)可調(diào)的激光發(fā)射鏡頭和攝像機(jī)鏡頭，并針對(duì)這兩種鏡頭設(shè)計(jì)了一種電動(dòng)變焦機(jī)構(gòu)。主要包括兩個(gè)部分：智能化電路控制部分和具有變焦位置信號(hào)反饋的機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)部分。

智能化電路控制部分由微處理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和驅(qū)動(dòng)芯片組成，目的是為了智能化處理和控制變焦位置。當(dāng)選通距離發(fā)生變化時(shí)，激光鏡頭和攝像機(jī)鏡頭的焦距位置信號(hào)反饋進(jìn)入微處理器，根據(jù)微處理器中預(yù)先測量后設(shè)定的邏輯數(shù)據(jù)，判斷兩者的變焦位置是否達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)，然后自動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)焦。

機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)由1個(gè)直流電機(jī)通過齒輪傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)1組變倍透鏡的軸向運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)焦距位置的變化，從而改變激光器發(fā)射角大小，達(dá)到激光光斑和選通成像視場同步。

電動(dòng)調(diào)焦機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是去除了人為調(diào)焦的方式，實(shí)現(xiàn)微處理器驅(qū)動(dòng)自動(dòng)調(diào)焦，使系統(tǒng)選通過程更迅速高效。微處理內(nèi)部的既定邏輯數(shù)據(jù)是通過大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)得到，代表最佳的變焦位置。其中激光器里電動(dòng)變焦控制流程圖如圖8。

微處理器內(nèi)部的邏輯判斷數(shù)據(jù)獲取方法如下：首先將位置測量程序?qū)懭胛⑻幚砥髦?，接著通過重復(fù)多次手動(dòng)調(diào)節(jié)鏡頭焦距和激光照明器焦距，得到最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)激光照明光斑和鏡頭視場的范圍匹配，達(dá)到最佳的變焦位置。然后通過計(jì)算機(jī)串行接口傳輸相應(yīng)的鏡頭和照明器變焦位置數(shù)據(jù)，記錄下來，按照該辦法順序改變選通距離，最終得到一組不同選通距離的邏輯判斷數(shù)據(jù)。由于微控制器內(nèi)部的判斷邏輯數(shù)據(jù)是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到的，因此在保證變焦傳動(dòng)精度的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)觀測距離和激光器功率、觀測視場和激光光斑的最優(yōu)匹配。

通過上述方法得到邏輯數(shù)據(jù)作為參數(shù)寫入控制程序，內(nèi)部邏輯控制數(shù)據(jù)如下：

鏡頭數(shù)據(jù):

{0x8e，0x8b，0x88，0x82，0x7d，0x79，0x74，0x6a，0x63，0x5f，0x5a，0x57，0x53，0x4e，0x4c，0x48，0x46，0x44，0x43，0x40，0x3f，0x3d，0x3b，0x38，0x36，0x33，0x31，0x2f，0x2e，0x2c，0x2a，0x29，0x28，0x24，0x22，0x21，0xlf，0xle，0xld，0xlc，0xlb，0xla，0x19}。

激光照明數(shù)據(jù)：

{0x2a，0x2b，0x2e，0x32，0x35，0x38，0x3b，0x3f，0x45，0x48，0x4a，0x4e，0x50，0x52，0x55，0x57，0x59，0x5b，0x5e，0x5f，0x65，0x67，0x69，0x6e，0x74，0x79，0x7b，0x7e，0x86，0x8a，0x8e，0x92，0x95，0x9d，0xa7，0xaf，0xbf，0xc8，0xdo，0xdf，0xec，0xee}。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)的便攜式遠(yuǎn)距離激光距離選通樣機(jī)如圖9所示，該系統(tǒng)樣機(jī)長寬高約為30 cm×20 cm×10 cm，其中物鏡的口徑為9 cm。在夜間，照度為1×10-3lx，使用樣機(jī)分別對(duì)4 km處的城市大樓和郊區(qū)的塔吊進(jìn)行距離選通成像，成像效果如圖10所示。

使用改進(jìn)前后的系統(tǒng)分別對(duì)選通距離為1 000～4 000 m，間隔距離為500 m的目標(biāo)區(qū)域成像，并使用Matlab軟件進(jìn)行信噪比的對(duì)比分析，采用國際通用圖像信噪比計(jì)算方法，如式(2)所示：

(2)

式(2)中:μ(DN)為距離選通圖像灰度均值;σ(DN)為灰度值標(biāo)準(zhǔn)偏差[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

從圖11看，在不同選通距離上，系統(tǒng)改進(jìn)后的距離選通圖像信噪比雖隨選通距離的增大而下降，但穩(wěn)定在8以上，符合目標(biāo)識(shí)別要求。同時(shí)與改進(jìn)前的距離選通系統(tǒng)相比，信噪比平均提升1.37。從4 km處目標(biāo)成像對(duì)比圖來看，采用電動(dòng)變焦機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)在獲取遠(yuǎn)距離的成像目標(biāo)時(shí)，能夠很好的抑制后向散射光，成像清晰，可辨識(shí)度更強(qiáng)。其激光脈沖頻率、激光散射角可隨選通距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)，較好地抑制了過度曝光和曝光不足的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文對(duì)便攜式遠(yuǎn)距離激光選通成像系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了脈沖激光器小型化技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)小型化技術(shù)和激光驅(qū)動(dòng)電源小型化技術(shù)，提出了一種電機(jī)變焦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激光照明光斑與攝像機(jī)成像視場同步的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的小型化系統(tǒng)成本較低，可以精確實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離選通成像，同時(shí)成像的亮度和清晰度有很大提升，實(shí)現(xiàn)了激光脈沖頻率、激光散射角隨選通距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能，避免了出現(xiàn)過度曝光和曝光不足，采集后的圖像信息信噪比高，可實(shí)際用于安防監(jiān)控便攜式軍事偵察等場合，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。