高速飛行器紅外/激光復(fù)合凝視成像設(shè)計與約束條件分析

王海偉

(1.中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所 空間主動光電技術(shù)實驗室， 上海 200083;2.中國科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

0 引言

紅外探測體制為傳統(tǒng)光學(xué)探測體制，在各類平臺中都有廣泛的應(yīng)用。紅外探測體制具有高靈敏度、高空間分辨率和作用距離遠(yuǎn)等優(yōu)點，同時隱蔽性好適于復(fù)雜場景下的應(yīng)用。激光探測技術(shù)由于具有較高距離、角度和速度分辨率，能同時獲取目標(biāo)距離與強度等圖像，以及強抗干擾性等特點，已廣泛應(yīng)用于森林調(diào)查、地貌測繪、武器制導(dǎo)等領(lǐng)域的圖像繪制與目標(biāo)識別[1]。

采用紅外與激光雷達復(fù)合成像的方式系統(tǒng)可靠性和目標(biāo)檢測概率相對單模工作得到有效提升。針對高速飛行器應(yīng)用，激光雷達與紅外被動探測采用復(fù)合集成式設(shè)計，功耗和體積得以消減，同時作用距離延長，全天候使用條件得到擴展。紅外成像探測獲得場景紅外輻射灰度像，主動激光雷達探測信息受環(huán)境影響小，可以獲得三維點云距離圖像和回波強度像[2-3]。

圖1中上圖為Raytheon公布的針對相同的掩體目標(biāo)利用激光雷達、紅外成像儀以及毫米波雷達所成的圖像。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，毫米波雷達難以獲取目標(biāo)的形貌全面信息。而激光雷達圖像能夠清晰表達目標(biāo)的外形特征。在結(jié)合紅外圖像提供的目標(biāo)溫度特征就可以大大增加目標(biāo)識別的概率。圖1表示了激光雷達圖像與地物灰度圖像多模式圖像融合的效果。

從圖像融合的角度，紅外前視凝視成像探測與激光雷達復(fù)合，同時獲目標(biāo)區(qū)域的紅外/激光多維圖像，可以同時描繪目標(biāo)場景溫度分布、反射率特性以及三維精細(xì)形貌特征。多種圖像相融合可以多維度表達復(fù)雜背景下特定軍事目標(biāo)的特征，通過多樣特征對目標(biāo)進行匹配識別，可以大大增加系統(tǒng)可靠性，提高目標(biāo)識別概率，降低虛警概率[4]。

1 紅外/激光復(fù)合成像系統(tǒng)工作體制選擇

對于超音速飛機、高速導(dǎo)彈等高速飛行器，飛行馬赫數(shù)達到1～10，在對地目標(biāo)末制導(dǎo)應(yīng)用中，需要完成針對地面復(fù)雜場景下目標(biāo)快速捕獲、識別與跟蹤。為避免掃描成像系統(tǒng)因平臺運動引起的圖像模糊和畸變問題，紅外和激光成像系統(tǒng)采用非掃描凝視成像工作體制是最佳選擇。

熱紅外成像與一般的可見光、近紅外不同，它記錄的是目標(biāo)自身的紅外輻射，通過目標(biāo)與背景間的熱輻射差異來識別目標(biāo)，因而具有識別特定輻射特性目標(biāo)的能力。如能發(fā)現(xiàn)隱藏在樹林和草叢中的人員和車輛；探測出偽裝或誘餌環(huán)境下的軍事目標(biāo)；識別復(fù)雜場景下的特定工業(yè)設(shè)施。同時長波穿透能力較中波更強，對于煙、霧的極限條件，長波紅外也具有更好的適應(yīng)性，所以紅外凝視成像系統(tǒng)適于選用長波紅外焦平面陣列探測器(8 μm～14 μm)。

紅外探測器是決定紅外凝視成像系統(tǒng)技術(shù)性能指標(biāo)的關(guān)鍵所在。目前，國際上長波紅外焦平面陣列朝著多波段、高靈敏度和大面陣等方向發(fā)展，國內(nèi)近年來在這方面已經(jīng)取得了較大的進步，目前圖像規(guī)模達到640×512的制冷型高性能長波紅外焦平面探測器已經(jīng)開始廣泛使用。

以規(guī)模為640×512面陣長波器件進行分析，根據(jù)經(jīng)典Johnson判則[5]，為準(zhǔn)確識別目標(biāo)，目標(biāo)周數(shù)要求大于3.5，即覆蓋像素數(shù)達到7，如圖2所示。

計算式為

(1)

式中：D為目標(biāo)截面尺寸；R為工作距離；φ為瞬時視場。以建筑、橋梁等典型地物目標(biāo)為例,目標(biāo)尺度以7 m量級分析。因高速平臺的輕小型化要求，以紅外成像系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡口徑為120 mm計算，為滿足衍射極限要求，瞬時視場不低于0.2 mrad，由此計算紅外系統(tǒng)最遠(yuǎn)工作距離約5 km，全視場約7.3°×5.8°。

根據(jù)典型紅外系統(tǒng)噪聲等效溫差(NETD)計算方法，基于以上條件，以目標(biāo)背景溫度區(qū)分度為2 K考慮，應(yīng)用制冷型高性能長波焦平面器件，系統(tǒng)NETD不超過50 mK。信噪比計算式為

(2)

式中：?為衰減系數(shù)，典型值選取0.25/km。依據(jù)以上作用距離評估模型[5]，為滿足熱紅外信號信噪比大于10，估算出熱紅外成像系統(tǒng)作用距離不超過5.5 km，綜合考慮目標(biāo)識別空間分辨的分析結(jié)果，熱紅外成像系統(tǒng)作用距離設(shè)計為5 km。

凝視成像激光雷達中大面陣APD陣列探測器為核心部件, 從體制上分為線性APD和蓋革模式APD兩類。以普林斯頓大學(xué)、雷聲公司和ASC公司為代表，國外在2000年之后就紛紛開展大面陣APD陣列探測器的研制，已經(jīng)研制成功規(guī)模達到256×256面陣的探測器[6]。國內(nèi)相關(guān)單位也積極開展類似研究并取得了一定的進展。

針對面目標(biāo)的激光雷達方程為

(3)

基于高速飛行器平臺的激光雷達設(shè)計難點集中于探測器規(guī)模過小和激光器能量需求較大兩方面。應(yīng)用256×256焦平面探測器，以作用距離5 km、瞬時視場兩倍于紅外瞬時視場、目標(biāo)反射率0.1、光學(xué)收發(fā)效率0.5、大氣單程衰減0.6作為工作條件，按照最小回波信號為1×10-7W計算，得出激光器單脈沖能量需求超出1 J(激光脈寬2 ns)，顯然這是輕小型平臺無法承受的。

相比于線性體制，蓋革模式APD陣列探測器則具有以下優(yōu)點：a)各像元一致性高，增益一致性好，各象元間的噪聲差異不大；b)高靈敏度，理論上單光子即可觸發(fā)GmAPD工作；c)高重頻，圖像刷新率可以達到千幀量級。

綜合以上考慮,蓋革模式APD陣列探測器更適合于高速飛行器平臺應(yīng)用。激光雷達全視場達到6°×6°左右，與紅外全視場接近，有利于后期雙模圖像融合處理。同樣為滿足Johnson判據(jù)，要求系統(tǒng)作用距離不超過2.5 km。而以蓋革APD量子效率0.2、以及以4個光電子數(shù)為接收回波閾值[7]，計算得出激光器單脈沖能量需求不超過10 mJ，此量級激光器更容易實現(xiàn)小型化。

在激光雷達系統(tǒng)中可通過空間濾波抑制背景光(加超窄帶濾光片)和時間濾波(多幀累積相關(guān)濾波)濾除隨機光子事件[8]，為了進一步抑制背景光干擾，激光器工作波長可選擇背景輻射水平遠(yuǎn)低于可見光波段的1 550 nm工作波長。本方案能夠?qū)崿F(xiàn)高幀頻、遠(yuǎn)距離、高分辨率等需要，同時也降低了激光器以及光機系統(tǒng)的設(shè)計壓力。

結(jié)合紅外和激光雷達凝視成像系統(tǒng)的各自特點，在高速飛行器末制導(dǎo)對地尋的應(yīng)用中，紅外/激光復(fù)合凝視成像系統(tǒng)工作過程可以規(guī)劃為：遠(yuǎn)界時紅外凝視成像系統(tǒng)開機進入紅外成像階段，近界時激光雷達開機，進入紅外/激光復(fù)合成像階段，獲取目標(biāo)多維融合精細(xì)圖像，實現(xiàn)精確制導(dǎo)。

2 紅外/激光復(fù)合成像探測系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)高速飛行器平臺應(yīng)用，紅外/激光復(fù)合探測系統(tǒng)設(shè)計需要重點解決:

a) 合理利用平臺約束空間，實現(xiàn)最優(yōu)化、小型化、緊湊型設(shè)計；

b) 光機系統(tǒng)高可靠性設(shè)計，抗力學(xué)環(huán)境設(shè)計；

c) 根據(jù)背景需求，合理設(shè)計二維轉(zhuǎn)動機構(gòu)；

d) 在上述基礎(chǔ)上實現(xiàn)輕量化、低功耗設(shè)計。

圖3(a)為一種紅外/激光復(fù)合成像系統(tǒng)望遠(yuǎn)鏡共口徑接收方案，紅外/激光采用共卡式望遠(yuǎn)鏡接收，紅外和激光在望遠(yuǎn)鏡后光路分光，分別被紅外探測組件和激光探測組件接收，圖4為該技術(shù)方案光學(xué)望遠(yuǎn)鏡分光示意圖。紅外、激光探測組件和激光器放置于頭部內(nèi)，激光通過高能光纖中繼，采用擴束鏡旁軸發(fā)射。紅外和激光探測器組件輸出原始圖像信息通過電纜與后電子系統(tǒng)相連，完成目標(biāo)識別和跟蹤等圖像處理和控制工作。

（三）創(chuàng)新小學(xué)英語教師的培訓(xùn)模式。首先，要創(chuàng)新教師培訓(xùn)方法。《意見》要求各級師范院校、教師進修院校、中小學(xué)教研室在當(dāng)?shù)亟逃姓块T的規(guī)劃和指導(dǎo)下對在職小學(xué)教師進行培訓(xùn)。壯民族地區(qū)小學(xué)應(yīng)給予教師成長方面的支持，主動加強與高等院校的聯(lián)系，邀請高等院校的教師到本校給予教師專業(yè)知識和教學(xué)水平方面的支持。

該布局結(jié)構(gòu)緊湊，空間利用率高，可實現(xiàn)大光學(xué)口徑設(shè)計，同軸反射式望遠(yuǎn)鏡單視場最大為3.5°左右，視場略顯不足，但仍能適應(yīng)部分場合應(yīng)用。而圖3(b)的構(gòu)型，熱紅外與激光雷達采取分立視場，僅在結(jié)構(gòu)上復(fù)合，設(shè)計優(yōu)點是充分滿足紅外/激光各自設(shè)計需求，但在體積重量上有明顯的劣勢。根據(jù)不同的實際需求，可以具體選擇何種復(fù)合布局形式。

圖3所示為典型紅外/激光探測系統(tǒng)安裝于伺服框架機構(gòu)上采用共形頭罩，具體設(shè)計與應(yīng)用場景和戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)相關(guān)。如大氣層內(nèi)應(yīng)用中當(dāng)飛行器馬赫數(shù)低于3時可采用球形頭罩，復(fù)合探測系統(tǒng)安裝于二維伺服框架上，采取兩軸四框架結(jié)構(gòu)，可在俯仰和偏航方向?qū)崿F(xiàn)大角度轉(zhuǎn)動。當(dāng)飛行器馬赫數(shù)高于3時，平臺運動引起的熱效應(yīng)會降低紅外系統(tǒng)作用距離甚至導(dǎo)致紅外系統(tǒng)無法工作，所以一般采用錐形頭罩設(shè)計并開側(cè)窗，同時還需考慮窗口制冷措施，此時為考慮輕小型化往往選擇二維伺服鏡的方案，而紅外/激光探測系統(tǒng)安裝于固定結(jié)構(gòu)中，通過反射鏡和伺服鏡構(gòu)成緊湊的折疊光路，并最終透過側(cè)窗進行探測，采用這種方案的伺服角度相對較小，如圖4所示。

受到空間、功耗和散熱等條件的限制，激光器技術(shù)也是高速飛行器平臺紅外/激光復(fù)合成像系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)。目前比較成熟的大功率激光器技術(shù)路線有：

a) 尾纖LD端面泵浦的被動調(diào)Q激光器經(jīng)過復(fù)合調(diào)制后放大輸出；

b) 采用種子注入光纖放大的全光纖路線；

c) 采用大功率LD側(cè)面泵浦的電光調(diào)Q激光器；

針對光纖激光器體制，由于其結(jié)構(gòu)緊湊、體積小外形尺寸可以靈活排布、光束質(zhì)量高、發(fā)熱量低等優(yōu)點以及可以彎曲盤旋在有限的空間內(nèi)。所以在激光輸出能量要求不高的應(yīng)用背景下(低于1 mJ)，光纖激光器是優(yōu)選方案。當(dāng)能量更高時則需采取多級輸出，且需要采用芯徑80 μm以上的粗光纖，因此整機重量難以降低，此時光纖激光器就沒有優(yōu)勢了。

采用尾纖LD端面泵浦的被動調(diào)Q激光器，需要考慮尾纖LD的結(jié)構(gòu)排布問題，體積難以縮減。如果不希望增加放大級，則必須采用高功率的尾纖LD，轉(zhuǎn)彎半徑和LD自身的重量增加。

采用VCSEL陣列的方式，可以采用單級振蕩輸出，由于泵浦光斑較大，適于大能量的脈沖輸出。整機結(jié)構(gòu)較緊湊，重量上有優(yōu)勢。其原理示意圖如圖5所示。

激光器由種子源LD陣列、晶體以及驅(qū)動電路等構(gòu)成。激光輸出后，經(jīng)激光發(fā)射光學(xué)完成光學(xué)擴束和整形后輸出。

紅外/激光復(fù)合成像系統(tǒng)還需要考慮共用窗口頭罩的材料選取問題。紅外探測系統(tǒng)波長屬于長波波段，而激光探測一般采用近紅外短波波長。所以長波和短波光學(xué)復(fù)合時就要考慮光學(xué)材料的透射特性問題，需要選用投射波段較寬的材料。如硒化鋅(ZnSe)材料，具有可見光到24 μm紅外的透明區(qū)間。

光學(xué)伺服機構(gòu)、激光器、紅外制冷系統(tǒng)功耗較大，特別是激光器峰值功耗可能高于200 W(大于10 mJ輸出)，需要根據(jù)具體飛行器平臺特殊考慮，重點開展激光驅(qū)動電路和散熱的優(yōu)化設(shè)計。

高速飛行器對凝視成像提出了高實時性要求，一般要超過20 Fps，長波紅外系統(tǒng)積分時間較短，非掃描激光雷達工作于近界距離，成像時間也較短(≤50 us)，所以紅外/激光探測體制對平臺振動、速度和加速度敏感度不高。

3 紅外/激光復(fù)合成像約束條件分析

紅外/激光復(fù)合成像系統(tǒng)中紅外系統(tǒng)作為被動探測系統(tǒng)，依賴于目標(biāo)的輻射特性(目標(biāo)輻射率和溫度)，目標(biāo)紅外輻射特性的變化最終會導(dǎo)致系統(tǒng)最終作用距離以及圖像信噪比的變化，關(guān)系到目標(biāo)識別概率，直接影響最終的戰(zhàn)術(shù)使用。受天時和季節(jié)性因素影響較大。激光探測系統(tǒng)為主動探測體制，因目標(biāo)激光反射特性不隨時間和季節(jié)發(fā)生明顯變化，基本不受上述因素的影響。

針對不同的應(yīng)用背景，需要重點開展紅外目標(biāo)特性研究。例如攻擊目標(biāo)為地物目標(biāo)時，需要重點分析車輛、土壤、巖石和植被等在不同時間段和不同季節(jié)內(nèi)的紅外輻射特性，為紅外系統(tǒng)工作參數(shù)選擇提供輸入，留有設(shè)計余度以擴展天時適用性，并為將來戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用提供依據(jù)。

在紅外/激光復(fù)合探測成像系統(tǒng)中，大氣對探測影響主要包括大氣分子吸收；大氣中氣溶膠質(zhì)粒、微粒的散射; 云霧產(chǎn)生的影響；雨產(chǎn)生的衰減。

大氣因素對紅外探測系統(tǒng)與激光探測系統(tǒng)約束性相近。針對大氣效應(yīng),被動探測體制只要考慮單程大氣衰減問題，而激光主動探測體制需要研究發(fā)射和接收雙程的影響。在一般的條件下(能見度大于9 km)，紅外系統(tǒng)工作距離不超過10 km時大氣衰減趨勢不明顯，超過10 km后大氣衰減加劇[9]。紅外/激光復(fù)合系統(tǒng)在能見度良好是受大氣影響較弱。

在特殊天氣條件下，如大霧、霾，能見度較差時，紅外/激光的作用距離會成倍衰減。受雨水的影響就更為嚴(yán)重。按照相關(guān)文獻的計算方法[10],在能見度降低為2 km的惡劣條件下，紅外/激光復(fù)合系統(tǒng)中紅外系統(tǒng)作用距離會衰減到3.5 km以內(nèi)，而激光雷達受雙程路徑影響衰減會更嚴(yán)重會降低到1.6 km以內(nèi)。而雨天時根據(jù)相關(guān)文獻給出的計算方法[11]，在小雨天氣時(2.5 mm/h)，紅外系統(tǒng)作用距離會衰減到2 km以內(nèi)，而激光雷達作用距離會衰減至0.5 km以內(nèi)，中雨及以上紅外/激光復(fù)合系統(tǒng)不能正常工作。

綜合以上天氣條件約束分析，紅外系統(tǒng)作用距離遠(yuǎn)，但對天時條件較為敏感、而激光不受天時季節(jié)性因素影響，適應(yīng)性和抗干擾能力強。紅外和激光復(fù)合可使得高速飛行器在天氣適用性上得到擴展，作用距離和其他工作參數(shù)的也得到優(yōu)化和提升。而特殊天氣條件下紅外和激光均受到限制，在戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用上需要合理考慮。

對于高速飛行器大氣層內(nèi)應(yīng)用來說，因飛行器高速飛行引起的氣動光學(xué)效應(yīng)與大氣湍流效應(yīng)較嚴(yán)重，會帶來光學(xué)像差等問題。大氣湍流和氣動光學(xué)效應(yīng)主要帶來了圖像失真和光束漂移和擴展等問題，影響的結(jié)果為圖像模糊和圖像畸變。由于飛行器空間有限，限制了采取如自適應(yīng)光學(xué)手段解決湍流問題。從設(shè)計上最有效的方法是降低器件的積分時間。對于紅外積分器件，積分時間越長湍流的影響會長時累加，所以一般積分越長，圖像模糊，積分時間越短圖像越清晰，還可以通過飛行器氣動結(jié)構(gòu)的設(shè)計上來減小影響，如加入氣流分隔板修正控制整彈的湍流場減少光學(xué)擾動，這些設(shè)計可以改善對圖像影響但不能完全消除[12]。

針對激光探測系統(tǒng)，激光光束漂移和偏差是影響激光探測瞄準(zhǔn)精度和圖像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。激光光束漂移是指激光經(jīng)過湍流后光束偏折而引起指向誤差，而光束擴展則降低了光束質(zhì)量引起能量損失并進一步導(dǎo)致激光成像質(zhì)量下降。實際設(shè)計中，減小激光脈沖寬度可以有效減少該問題。

4 結(jié)論

紅外和激光圖像信息的融合可以從目標(biāo)三維形貌和輻射特性等多維度表達目標(biāo)特性，適合復(fù)雜背景下的導(dǎo)航和目標(biāo)識別。針對高速飛行器高實時探測需求和嚴(yán)格資源約束條件的特殊應(yīng)用背景，提出了凝視長波紅外焦平面和單光子面陣激光雷達的復(fù)合高速成像工作體制。紅外成像系統(tǒng)面陣器件成熟、作用距離遠(yuǎn)，從使用流程規(guī)劃上先期開機，進入近界時激光雷達開機紅外/激光復(fù)合工作。文中給出了紅外/激光光學(xué)共口徑以及光學(xué)分立結(jié)構(gòu)復(fù)合兩種構(gòu)型結(jié)構(gòu)可以實際應(yīng)用中參考，也分析了適應(yīng)輕小型平臺應(yīng)用的基于VCSEL泵浦大功率激光器的關(guān)鍵技術(shù)。

最后，惡劣的天氣條件會限制紅外/激光復(fù)合系統(tǒng)的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在作用距離衰減和信噪比降低。此外，大氣湍流和氣動效應(yīng)對紅外/激光復(fù)合探測系統(tǒng)造成的影響仍需要進一步的開展研究。

本文對高速飛行器中紅外/激光復(fù)合成像探測通用設(shè)計方面提供了一些參考，同時對使用約束條件也進行了簡要的分析，但本文并未針對特定應(yīng)用場景進行針對性分析，仍需結(jié)合實際具體情況開展深入分析。同時在復(fù)合系統(tǒng)輕小型化設(shè)計方面也需要進一步開展工作，才能真正滿足實際需求。