單光子激光與中波紅外共口徑探測光學(xué)系統(tǒng)

吳洪波，張 新，王靈杰，閆 磊，史廣維*

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學(xué)院大學(xué)，北京100049）

1 引 言

近年來，遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)的探測與監(jiān)視在軍事防御領(lǐng)域備受關(guān)注。隨著光學(xué)探測技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)代化對抗手段日益多樣化，偵察偽裝等技術(shù)水平不斷發(fā)展，使用環(huán)境及應(yīng)用范圍日益復(fù)雜，目標(biāo)探測和識別的難度也越來越高，武器系統(tǒng)對遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)的幾何形狀、方位、距離和運(yùn)動形態(tài)信息的需求也更加迫切。

單一探測模式無法提供目標(biāo)的全方位信息，新一代多模式復(fù)合探測體制應(yīng)運(yùn)而生，并成為國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。ZHANG等設(shè)計了可見光和長波紅外的雙波段成像系統(tǒng)［1］，MA等設(shè)計了共口徑的可見紅外雙波段探測系統(tǒng)［2］，陳國強(qiáng)等設(shè)計了紅外、激光和毫米波3波段共孔徑光學(xué)系統(tǒng)［3］。紅外成像具有探測距離遠(yuǎn)、精度高、靈敏度高的特點，能直觀獲取豐富的目標(biāo)外形和基本結(jié)構(gòu)等目標(biāo)信息，因此紅外與激光的復(fù)合探測體制已廣泛應(yīng)用于對遠(yuǎn)距離暗弱目標(biāo)的探測系統(tǒng)中。系統(tǒng)根據(jù)紅外圖像獲取的目標(biāo)方位信息，利用激光測距獲取目標(biāo)的距離信息，二者結(jié)合即可有效獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)的外形、距離、方位及運(yùn)動形態(tài)信息。為了達(dá)到更遠(yuǎn)的探測距離和更大的數(shù)據(jù)采樣率，國內(nèi)外紛紛展開了單光子激光測距技術(shù)的研究工作。單光子激光測距技術(shù)具備靈敏度高、功耗低、探測效率高等特點，在100 km以上的遠(yuǎn)程測距方面優(yōu)勢顯著［4］，但其測距能力受背景噪聲的影響較大。宋盛、王哲等開展了紅外與激光復(fù)合探測技術(shù)的研究［5-6］。國內(nèi)外諸多學(xué)者采用共口徑的設(shè)計實現(xiàn)了激光與紅外的復(fù)合探測［7-12］，通過激光/紅外共口徑接收后，在后端平行光路或準(zhǔn)平行光路進(jìn)行激光和紅外的分色設(shè)計，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜且不利于激光通道雜波和紅外通道背景輻射的抑制，不適用于單光子激光探測。

為了能夠在遠(yuǎn)程測距中獲得較高的探測靈敏度和測距性能，針對民航飛機(jī)目標(biāo)，本文采用中波紅外成像與單光子激光測距復(fù)合的探測體制，討論了系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理，通過共口徑探測方式，采用匯聚光路分色方法和小孔消雜光技術(shù)，設(shè)計了大口徑激光與紅外復(fù)合探測系統(tǒng)，并利用寬波段共視軸標(biāo)定技術(shù)，完成了激光/紅外復(fù)合探測系統(tǒng)的裝調(diào)。該復(fù)合探測系統(tǒng)成像質(zhì)量好、探測距離遠(yuǎn)、共軸精度高，可廣泛應(yīng)用于航空、航天及地面的預(yù)警探測中。

2 系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

2.1 系統(tǒng)工作原理

激光與紅外共口徑探測系統(tǒng)由主系統(tǒng)、紅外組件和激光組件組成。系統(tǒng)的工作原理是：通過主系統(tǒng)的大口徑主鏡接收目標(biāo)的中波紅外輻射能量和激光回波信號，并在次鏡第一表面的會聚光路中分色，將中波能量反射到紅外組件中，同時將激光透射到激光組件中。圖1為單光子激光與紅外共口徑探測系統(tǒng)原理。

圖1 共口徑探測系統(tǒng)原理Fig.1 Principle diagram of co-aperture detection system

中波紅外成像光路與主系統(tǒng)保持同軸，而激光接收光路在經(jīng)分色后，利用折轉(zhuǎn)鏡將光路兩次折疊，最終的接收端位于主系統(tǒng)的上方，使得激光接收光路不產(chǎn)生中心遮攔。

2.2 單光子遠(yuǎn)距離測距工作原理

單光子激光測距采用高靈敏單光子探測技術(shù)和基于數(shù)學(xué)統(tǒng)計理論的時間相關(guān)單光子計數(shù)技術(shù)實現(xiàn)測距。測距時，系統(tǒng)首先探測并存儲各激光脈沖對應(yīng)的回波光子，然后將上述多個脈沖的采樣結(jié)果進(jìn)行累加處理，再根據(jù)累加的結(jié)果判斷回波信號具體與哪個時間窗內(nèi)的脈沖信號相對應(yīng)。由于累加后不同時間窗內(nèi)的光子數(shù)各不相同，因此，利用有關(guān)的距離提取算法準(zhǔn)確計算得到激光脈沖回波的到達(dá)時刻，即可獲得待測距離信息［13-14］。

2.3 目標(biāo)輻射特性及作用距離分析

民航飛機(jī)在中波（3.7~4.8μm）波段的主要輻射主要來自位于機(jī)頭、發(fā)動機(jī)和羽流3個部分。飛行過程中，目標(biāo)溫度水平在260~390 K。根據(jù)斯蒂芬玻爾茲曼定律，按目標(biāo)溫度為300 K計算得到飛機(jī)目標(biāo)的輻射強(qiáng)度約為8 W/sr［15-17］。

利用點目標(biāo)作用距離公式計算系統(tǒng)口徑［18］得到：

式中：R為作用距離；ΔI為目標(biāo)與背景輻射強(qiáng)度之差；Ao為光學(xué)系統(tǒng)的入瞳面積；SNR為信噪比閾值；Dp*為探測器的平均比探測率；τao，τo分別為大氣和光學(xué)系統(tǒng)的透過率；Nt為目標(biāo)在探測器上彌散后的像元數(shù)；Δf為探測器的噪聲等效帶寬；Ad為探測器的像元面積；σ為大氣消光系數(shù)。

為實現(xiàn)對民航飛機(jī)遠(yuǎn)距離（不小于200 km）的高信噪比（SNR≥15）被動探測，考慮中心遮攔、系統(tǒng)效率和大氣吸收等因素，系統(tǒng)口徑不小于275 mm。

3 激光/紅外共口徑探測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 設(shè)計參數(shù)

紅外系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）波段：3.7~4.8μm；

（2）口徑：280 mm；

（3）F/#：2；

（4）MTF（@20 lp/mm）≥0.25；

（5）探測器規(guī)模：640×512，25μm。

激光接收系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為：

（1）接收口徑：280 mm；

（2）激光波長：1 064 nm；

（3）激光接收視場>0.28 mrad；

（4）接收光纖芯徑：200μm；

（5）光纖數(shù)值孔徑：NA=0.2；

（6）紅外與激光共軸標(biāo)校精度＜50μrad。

3.2 紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

為實現(xiàn)激光及中波波段的分色設(shè)計，同時控制系統(tǒng)體積，主系統(tǒng)采用R-C光學(xué)系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計［19~22］。系統(tǒng)利用次鏡進(jìn)行激光與紅外分色，解決了雙波段的高效分色問題，同時實現(xiàn)了系統(tǒng)的小型化設(shè)計。在設(shè)計過程中，將紅外光路的一次像面控制在主鏡頂點前，既可以減小主鏡中心孔對系統(tǒng)效率的影響，同時提升系統(tǒng)雜散輻射的抑制能力。紅外成像組件由主鏡、次鏡及4片透鏡組成，主鏡為鋁合金材料，次鏡為石英材料，透鏡材料分別為硅、鍺、硅、硅。其中，鍺透鏡的前表面設(shè)計為非球面，用于校正軸外像差。圖2所示為優(yōu)化后的紅外光學(xué)系統(tǒng)光路。

圖2 中波紅外光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Layout of MWIR optical system

圖3 ~圖6為紅外光學(xué)系統(tǒng)的像質(zhì)設(shè)計結(jié)果。其中，MTF接近衍射極限，全視場相對畸變優(yōu)于5%，幾何點斑尺寸均小于艾里斑，全視場單像元的能量集中度優(yōu)于71%，可滿足遠(yuǎn)距離目標(biāo)的高靈敏度探測需求。

圖3 MTF曲線Fig.3 Curves of MTF

圖4 球差、場曲和畸變曲線Fig.4 Curves of spherical aberration，field and distortion

圖5 光學(xué)系統(tǒng)點斑圖Fig.5 Spot diagram of optical system

圖6 能量集中度曲線Fig.6 Curves of encircled energy

3.3 激光光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計

激光接收光學(xué)系統(tǒng)采用同軸折反式結(jié)構(gòu)形式，如圖7所示。由于單光子探測器對系統(tǒng)雜光抑制的要求高，因此后端激光接收透鏡組前設(shè)計二次成像像面，并在二次像面處設(shè)置小孔光闌。小孔光闌不遮擋主系統(tǒng)光路，且在不影響主系統(tǒng)探測能力的前提下可實現(xiàn)對激光光路雜光的高效抑制。

圖7 激光接收光學(xué)系統(tǒng)光路Fig.7 Optical layout of laser receiving system

圖8 ~圖10分別為激光接收光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線、能量集中度曲線和點斑圖。激光接收系統(tǒng)的中心視場像質(zhì)達(dá)到衍射極限，可用于單光子激光能量的高效率接收。

圖8 激光接收光學(xué)系統(tǒng)的MTF曲線Fig.8 MTF curves of laser receiving optical system

圖10 激光接收光學(xué)系統(tǒng)點斑圖Fig.10 Spot diagram of laser receiving optical system

3.4 激光接收系統(tǒng)雜光分析

圖9 能量集中度曲線Fig.9 Curves of encircled energy

對激光接收系統(tǒng)的雜光抑制能力進(jìn)行了仿真分析，采用點源透射比（Point Source Trans?mittance，PST）作為評價指標(biāo)，系統(tǒng)雜光仿真模型如圖11所示。不同入射角θ下的仿真結(jié)果見表1，PST-1和PST-2分別為無小孔光闌和有小孔光闌時激光接收系統(tǒng)的PST。可見，由于采用了小孔光闌抑制雜光，激光接收系統(tǒng)的PST提升了4個數(shù)量級，達(dá)到10-9的水平，有效保證了單光子激光接收系統(tǒng)的高靈敏度。

圖11 激光/紅外光學(xué)系統(tǒng)雜光仿真Fig.11 Stray light simulation of laser/MWIR optical sys?tem

表1 系統(tǒng)雜光仿真結(jié)果Tab.1 Results of stray light simulation

3.5 公差及溫度適應(yīng)性分析

3.5.1 公差分析結(jié)果

對共口徑光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行公差分析，各元件的公差情況見表2，MTF概率曲線如圖12所示，系統(tǒng)公差具備工程可實現(xiàn)性。

圖12 公差分析MTF概率曲線Fig.12 Probability density curves of MTF by tolerance analysis

表2 公差分配Tab.2 Tolerance allocation

3.5.2 溫度適應(yīng)性分析結(jié)果

紅外系統(tǒng)成像質(zhì)量受溫度的影響嚴(yán)重，本文通過調(diào)焦方式來補(bǔ)償熱離焦。在不同溫度時中波紅外系統(tǒng)的熱離焦情況如表3所示。利用調(diào)焦組沿著光軸方向的移動實現(xiàn)調(diào)焦，在-30℃和65℃調(diào)焦后系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)如圖13所示，調(diào)焦后光學(xué)傳遞函數(shù)仍然接近衍射極限。

表3 中波紅外系統(tǒng)不同溫度時的調(diào)焦量Tab.3 Focusing distance of MWIR system at different temperatures

圖13 中波紅外系統(tǒng)溫度調(diào)焦后的光學(xué)傳遞函數(shù)Fig.13 MTF of MWIR system after focusing

3.6 系統(tǒng)裝調(diào)與視軸標(biāo)定

在裝調(diào)時采用主鏡作為裝調(diào)基準(zhǔn)，為保證中波與激光的共軸精度采用定心裝調(diào)方法完成分色鏡和透鏡的裝調(diào)，利用大口徑反射式平行光管進(jìn)行系統(tǒng)標(biāo)定和測試，采用“十字”靶作為系統(tǒng)光軸標(biāo)定的基準(zhǔn)。紅外光路將靶標(biāo)成像到紅外探測器上，通過監(jiān)視器顯示；激光光路利用光纖接收靶標(biāo)能量或發(fā)射測試激光。系統(tǒng)同視軸標(biāo)定包括兩個步驟：

（1）粗對準(zhǔn)

通過調(diào)整探測器三個維度的位移量使得靶標(biāo)成像到探測器的靶面中心，調(diào)整反射鏡使得在光纖接收端發(fā)射激光時，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)和平行光管后，激光光斑位于光管“十字”靶標(biāo)的中心，完成激光和紅外光路的光軸粗對準(zhǔn)。圖14所示為靶標(biāo)的紅外成像圖，圖15所示為靶標(biāo)處的激光光斑圖。

圖14 靶標(biāo)紅外成像Fig.14 MWIR image of target

圖15 靶標(biāo)處的激光光斑Fig.15 Laser spot on target

（2）精對準(zhǔn)

在平行光管的靶標(biāo)處放置可見光光源，在激光接收端采用光纖對激光光路收集的能量進(jìn)行接收，微調(diào)折轉(zhuǎn)鏡角度，使得光纖另一端接收的能量最大后固定反射鏡，并記錄紅外系統(tǒng)靶標(biāo)像的中心像素位置，實現(xiàn)像素級精度的視軸標(biāo)定。

4 測量實驗與結(jié)果分析

4.1 MTF測試

采用傳函儀對中波MTF進(jìn)行測試，在20 lp/mm處系統(tǒng)的平均MTF為0.28，MTF測試曲線如圖16所示。

圖16 MTF測試曲線Fig.16 Measured curves of MTF

4.2 近距離目標(biāo)成像實驗

為驗證紅外系統(tǒng)的成像能力，開展了近距離成像實驗，對5 km遠(yuǎn)的目標(biāo)進(jìn)行成像，實驗系統(tǒng)如圖17所示。圖18為實驗采集的圖像，可清晰分辨目標(biāo)細(xì)節(jié)，驗證了系統(tǒng)的成像分辨率和非均勻性。

圖17 激光與中波紅外共口徑探測實驗系統(tǒng)Fig.17 Experiment system for laser-MWIR co-aperture detection

圖18 5 km距離成像實驗圖像Fig.18 Test image of target at 5 km

4.3 遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測實驗

遠(yuǎn)距離目標(biāo)探測是本系統(tǒng)的主要工作模式，在外場開展民航飛機(jī)的探測與跟蹤實驗，實驗結(jié)果如圖19所示。實驗結(jié)果表明，激光/紅外共口徑探測光學(xué)系統(tǒng)的視軸穩(wěn)定，探測距離達(dá)225 km以上，可實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離民航飛機(jī)的有效探測。

圖19 民航飛機(jī)探測實驗圖像（225 km）Fig.19 T est image of civil aircraft at 225 km

5 結(jié) 論

本文針對遠(yuǎn)距離民航飛機(jī)目標(biāo)的探測、跟蹤和測距需求，提出了單光子激光測距與中波紅外成像復(fù)合的探測體制，設(shè)計了單光子激光與中波共口徑探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用次鏡作為分色元件，實現(xiàn)了系統(tǒng)的雙波段會聚光路的分色設(shè)計；利用小孔光闌消雜光，將單光子激光接收系統(tǒng)的雜光抑制水平提升了4個數(shù)量級。最后，完成了原理樣機(jī)的視軸標(biāo)定、性能測試、近距離成像和遠(yuǎn)距離探測實驗。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對遠(yuǎn)距離民航飛機(jī)的有效探測和跟蹤，探測距離達(dá)225 km以上，可滿足航空、航天及地面探測領(lǐng)域?qū)h(yuǎn)距離目標(biāo)的預(yù)警探測和測距需求。