光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”目標(biāo)回波特征研究

李旭東,王立平,米建軍,李雙全

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.32381部隊(duì),北京 100072)

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中,大量的光電偵察、瞄準(zhǔn)、火控、制導(dǎo)儀器等光電成像系統(tǒng)裝備得到普遍應(yīng)用,光電對(duì)抗也逐漸提上日程。借助光學(xué)、光電觀瞄裝置對(duì)照明激光的光路可逆原理(貓眼效應(yīng)),采取相應(yīng)的激光主動(dòng)探測方式,在復(fù)雜背景中找出敵方隱蔽偵察的觀瞄裝置成為光電對(duì)抗的研究重點(diǎn)[1-5]。

自發(fā)現(xiàn)“貓眼效應(yīng)”開始,大量專家學(xué)者對(duì)基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)偵察技術(shù)、迎面觀瞄光電成像系統(tǒng)的“貓眼效應(yīng)”原理、光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”影響因素及模擬“貓眼效應(yīng)”的方法等進(jìn)行了詳盡研究[6-16]。發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)迎面觀瞄光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”的主要參數(shù)是反光指數(shù),是迎面觀察光電成像系統(tǒng)的內(nèi)部固有特性,主要由光電傳感器封裝結(jié)構(gòu)形式及材料反射率、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光電系統(tǒng)裝調(diào)產(chǎn)生,實(shí)質(zhì)上的表現(xiàn)是激光主動(dòng)探測波長與被探測光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”之間的關(guān)系,但卻很少有作者對(duì)其進(jìn)行研究。

2 光電傳感器焦距調(diào)?；驹?/h2>

可見光光電成像傳感器焦距調(diào)校通常在平行光管上進(jìn)行,如圖1(a)所示,照明光源位于平行光管焦點(diǎn)上,透射式靶標(biāo)位于平行光管焦面上,靶標(biāo)經(jīng)凹面鏡反射后形成無窮遠(yuǎn)處的靶標(biāo)圖像。待調(diào)光電成像傳感器位于平行光管焦點(diǎn)處,通過調(diào)節(jié)光電成像傳感器光學(xué)元件之間的間隔,將無窮遠(yuǎn)處的靶標(biāo)圖像清晰聚焦在傳感器焦平面上,其目標(biāo)及背景反射的光子信號(hào)經(jīng)過傳感器光電轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過顯示器的電光轉(zhuǎn)換,形成清晰的圖像供人眼觀察。

圖1 光電成像系統(tǒng)與激光主動(dòng)探測系統(tǒng)焦距調(diào)校原理圖Fig.1 Schematic diagram of focal length adjustment of photoelectric imaging system and laser active detection system

激光主動(dòng)探測系統(tǒng)接收組件焦距調(diào)校原理如圖1(b)所示,由于激光主動(dòng)探測系統(tǒng)接收組件為裝有帶寬不大于20 nm的窄帶濾光片元件,其焦距調(diào)校時(shí),為保證接收組件對(duì)目標(biāo)及背景的清晰成像,必須將可見光光源更換為包含近紅外波段(800～910 nm)光源或發(fā)光強(qiáng)度更高的光源,或激光主動(dòng)照明光源作為照明光源,然后按可見光光電成像傳感器的焦距調(diào)校方式,對(duì)激光主動(dòng)探測系統(tǒng)接收組件進(jìn)行焦距調(diào)校。

兩種光電傳感器焦距調(diào)校方式的不同,會(huì)造成激光主動(dòng)探測系統(tǒng)對(duì)光電成像傳感器進(jìn)行探測時(shí),在光電成像傳感器上形成一定的離焦,會(huì)造成理論計(jì)算距離與實(shí)際探測距離之間存在較大差異,兩者之間的差異關(guān)系亟待研究。

3 基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測數(shù)學(xué)模型建立

3.1 與入射波長相關(guān)的反光指數(shù)模型建立

可見光光電傳感器按照成像效果可分為黑白傳感器與彩色傳感器兩種,其窗口都為玻璃或彩色濾光片,可見光傳感器光學(xué)系統(tǒng)多為多片球面鏡或非球面鏡耦合組成,對(duì)不同波長入射光會(huì)存在不同程度色散；當(dāng)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后的入射光與光電傳感器窗口不垂直時(shí),對(duì)不同波長入射光也會(huì)存在不同程度的色散,且彩色傳感器色散更為嚴(yán)重；光電系統(tǒng)裝調(diào)時(shí),由于光學(xué)元件裝配的不平行對(duì)入射光也會(huì)帶來一定程度的色散等。色散外在表現(xiàn)形式為:對(duì)有激光照明時(shí),目標(biāo)及背景的回波信號(hào)存在一定的離焦,因此,其光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”特征會(huì)大大減弱,有必要對(duì)其目標(biāo)回波特征進(jìn)行研究,建立迎面觀察光電裝置反光指數(shù)模型,其數(shù)學(xué)模型[17]修正后如下式所示:

(1)

式中,τ為接收組件光學(xué)系統(tǒng)透過率;ρ為焦面上探測器元件的反射率或保護(hù)窗口的反射率;DCB為被探測組件(迎面觀瞄光電傳感器)圓形通光孔徑直徑;λ為入射激光波長。從式(1)中可知,一旦光電傳感器選定且光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及裝調(diào)完成,其被探測目標(biāo)“貓眼效應(yīng)”特征就嚴(yán)格與入射激光波長相關(guān)。

可見光光電成像系統(tǒng)焦面調(diào)校通常在平行光管上進(jìn)行,校準(zhǔn)光源通常為可見光光源,其波長范圍集中在380～760 nm,能量峰值集中在500～600 nm之間,這里為計(jì)算簡便,假定光源中心波長及傳感器響應(yīng)峰值波長為550 nm,而激光主動(dòng)探測系統(tǒng)為減小暴露,通常應(yīng)用800～910 nm近紅外某個(gè)波段激光作為照明光源,光軸校準(zhǔn)時(shí)通常將光源替換為近紅外光源,波長中心范圍控制在760～950 nm之間,因此,對(duì)于可見光光電傳感器的探測,就必須對(duì)文獻(xiàn)[17]建立的探測距離模型進(jìn)行修正。

3.2 與入射波長相關(guān)的探測距離模型建立

將公式(1)代入文獻(xiàn)[17]中的探測距離數(shù)學(xué)模型,修正后,其表達(dá)式如下式所示:

(2)

式中,l為激光主動(dòng)探測模塊最小探測距離;B為激光發(fā)射組件光束整形系統(tǒng)脈沖功率損耗率;P為激光器的單脈沖功率;ρ為焦面上探測器元件的反射率;Dd為激光探測組件通光孔徑直徑;DCB為被探測組件(迎面觀瞄光電傳感器)圓形通光孔徑直徑;τa為大氣透過率;τ為被探測組件光學(xué)系統(tǒng)透過率;t為探測組件探測器設(shè)定積分時(shí)間;N為接收組件探測器對(duì)應(yīng)激光探測波段的相對(duì)光譜響應(yīng)度;C為探測組件探測器靈敏度;θh為照射源組件水平方向上光束束散角;θv為照射源組件垂直方向上光束束散角;Vs為探測組件探測器輸出飽和電壓;Sp為探測組件探測器像元面積;K為探測器的動(dòng)態(tài)范圍;λ為探測光電組件照明激光波長。

4 數(shù)值模擬

4.1 反光指數(shù)與照明激光波長數(shù)值關(guān)系模擬

根據(jù)公式(1),選用某型光電成像裝置為探測目標(biāo),其迎面觀瞄光電裝置反射靶面反射率ρ為0.02,被探測光電成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)可見光光學(xué)透過率95 %,近紅外波段光學(xué)透過率90 %,被探測光電成像系統(tǒng)通光孔徑直徑DCB取50 mm,則迎面觀瞄光電裝置反光指數(shù)與照明激光波長間的數(shù)值模擬曲線如圖2所示。

圖2 反光指數(shù)與照明激光波長關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between reflectance index and illuminating laser wavelength

從圖2中可看出,隨激光主動(dòng)探測光源組件照明波長增加,其反光指數(shù)逐漸降低,即被探測光電成像系統(tǒng)表現(xiàn)出的“貓眼效應(yīng)”特征逐步減弱,因此激光主動(dòng)探測裝置選用照明激光波段時(shí)必須在照明激光紅曝和探測距離之間做折中選擇。

4.2 最大探測距離與照明激光波長數(shù)值關(guān)系模擬

根據(jù)公式(2),選用LDH-808-1000-BQ205型激光器作為照明光源,經(jīng)光束整形后,其光束整形系統(tǒng)脈沖功率損耗率B=0.3,激光器的單脈沖功率P=1000 W,照射源水平方向發(fā)散角θh=8°,照射源垂直方向發(fā)散角θv=5.5°,光學(xué)系統(tǒng)透過率τo=0.9的激光發(fā)射組件；選用WHG1024型CMOS光電探測器作為接收組件,其在0.8 μm波段激光探測波段,探測器的相對(duì)光譜響應(yīng)度N=0.3,光譜靈敏度C=2.74×104V·m2·W-1·s-1,飽和電壓Vs=3 V,像元面積Ss=9 μm×9 μm=0.81×10-10m2,動(dòng)態(tài)范圍K=0.5,且探測器積分時(shí)間設(shè)定為t=1×10-3s；接收組件光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑Dd=30 mm。

選用某型光電成像裝置為探測目標(biāo),其通光孔徑DCB=50×10-3m,大氣透過率τa=0.8,迎面觀瞄光電裝置反射靶面反射率ρ=0.02,最大探測距離與探測激光波長間的數(shù)值模擬曲線如圖3所示。

圖3 最大探測距離與探測激光波長數(shù)值模擬曲線Fig.3 Numerical simulation curve of maximum detection distance and detection laser wavelength

從圖3中可看出,隨激光主動(dòng)探測系統(tǒng)照明激光逐漸紅移,其對(duì)應(yīng)面觀瞄光電傳感器的最大探測距離逐漸變小,與4.1節(jié)得出結(jié)論一致,探測激光波長仍是最大探測距離的重要影響因素。

5 實(shí) 驗(yàn)

鑒于該類型變波長照明激光光源組件難于研制,且必須研制與照明激光光源波長相對(duì)應(yīng)的接收組件,難于采用正向方法驗(yàn)證建立數(shù)學(xué)模型的正確性,因此,選擇滿足4.2節(jié)條件的激光發(fā)射組件和激光接收組件組裝為如圖4所示的基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測裝置,選擇有效通光孔徑50 mm,光學(xué)系統(tǒng)焦距可調(diào)的如圖4所示的被探測光電成像系統(tǒng),采用逆向方法驗(yàn)證建立數(shù)學(xué)模型的正確性,即首先在可見光條件下對(duì)無窮遠(yuǎn)目標(biāo)將被探測光電成像系統(tǒng)調(diào)至圖像清晰,記錄激光主動(dòng)探測系統(tǒng)的最大探測距離,然后將被探測光電成像系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離激光主動(dòng)探測系統(tǒng),并將被探測光電成像系統(tǒng)逐漸離焦,記錄被探測光電成像系統(tǒng)離焦后,激光主動(dòng)探測系統(tǒng)對(duì)迎面觀瞄光電傳感器的最大探測距離,實(shí)驗(yàn)條件如表1所示,最大探測距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Testing condition

圖4 激光主動(dòng)探測系統(tǒng)與被探測光電成像系統(tǒng)Fig.4 Laser active detection system and detected photoelectric imaging system

表2 離焦前后最大探測距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Testing result of the maximal detecting range

6 結(jié) 論

通過可見光光電成像傳感器“貓眼效應(yīng)”影響因素,及兩種光電傳感器焦距調(diào)校方法異同分析,建立了與入射波長相關(guān)的最大探測距離數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)照明激光波長與被探測光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”密切相關(guān),隨照明波長逐漸紅移,其激光主動(dòng)探測系統(tǒng)最大探測距離逐漸下降,隨被探測光電成像探測系統(tǒng)焦距逐漸變虛,當(dāng)能對(duì)照明激光波段精確聚焦時(shí),激光主動(dòng)探測系統(tǒng)最大探測距離反而會(huì)達(dá)到最大。建議:(1)激光主動(dòng)探測系統(tǒng)照明激光波長在810 nm附近選?。?2)針對(duì)可見光光電成像傳感器“貓眼效應(yīng)”對(duì)主動(dòng)照明激光波長的不確定性,靶場最大探測距離定量試驗(yàn)時(shí),選用目標(biāo)特性較為穩(wěn)定的角反射器作為最大探測距離驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)器。