多波長激光探測微小攝像頭機理研究

屈嘉惠，張海洋，范 瑜，汪 林，王鶴穎，趙長明

（1.北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081；3.光電對抗測試評估技術(shù)重點實驗室，河南 洛陽 471003）

引言

小型成像系統(tǒng)，如微小攝像頭、激光瞄準鏡、微光夜視儀等，具有隱蔽、高效探測目標的功能，具有重要的軍事和民用價值。由于這些設(shè)備自身不輻射或發(fā)射任何可探測信息，且大多工作于隱蔽環(huán)境中，通常在軍事對抗中難以通過被動檢測的方式檢測出來[1-2]，部分微小攝像頭被非法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，嚴重威脅了人們的隱私安全。目前檢測微小攝像頭的裝置主要應(yīng)用貓眼效應(yīng)，通過主動發(fā)射特定波長的激光，接收回波信號并檢測衍射光斑圖樣進行判斷[3-7]，但其檢測方法仍存在不足：進入目標的激光能量低，回波較弱，光斑對比度差；易對形狀相近的干擾物進行誤判；可見光與近紅外光、短波紅外光同時成像，對后續(xù)目標識別造成干擾。當(dāng)前，針對前2 種問題各學(xué)者已提出一些解決方案，如光斑的壓縮感知與特征提取[8-11]、震動識別技術(shù)[12]、波動光學(xué)建模法[13]、光學(xué)截面色差識別[14]、高光譜探測法[15]、光斑周期性識別算法[16-17]等。

多波長激光檢測系統(tǒng)發(fā)射3 種類型激光，包括可見光、近紅外激光和短波紅外激光。實驗利用多波長激光探測目標并接收對應(yīng)的回波光斑圖樣，通過對比高亮光斑對目標進行位置識別。利用幾何光學(xué)和波動光學(xué)理論，對目標與探測系統(tǒng)的物象關(guān)系進行計算并估計可探測范圍。仿真3 種波段激光的探測距離與探測面接收輻照度之間的關(guān)系，并對其衰減趨勢進行分析。

1 系統(tǒng)理論模型及探測原理分析

1.1 主動探測模型

由于具有微小攝像頭的光電設(shè)備存在“貓眼效應(yīng)”，即接收到探測器發(fā)出的激光后，經(jīng)設(shè)備內(nèi)部探測器或分劃板反射，光線按原路返回（光線無離焦）或大致按照原路返回（光線有微小離焦量），光功率比周圍漫反射高2～4 個數(shù)量級[18-21]。以探測激光正入射為例，由面陣CMOS 探測器接收回波衍射圖樣信息，如圖1 所示。

基于Huygens-Fresnel 衍射和角譜衍射理論，分析激光的傳輸過程。由于發(fā)射系統(tǒng)與目標之間的距離遠大于目標尺寸，傍軸近似下，發(fā)射激光目標前的入射光場可寫作：

圖 1 “貓眼目標”激光主動探測模型Fig.1 Laser active detection model of cat-eye target

式中：A為常數(shù)；L為發(fā)射系統(tǒng)與微小目標的間距。

從波面變換的觀點看，透鏡1 將發(fā)散球面波變換成一個會聚球面波，考慮透鏡孔徑的有限大小，將透鏡1 的孔徑函數(shù)表述為

式中，r0為透鏡1 的孔徑半徑。以平面波角譜方法討論激光傳輸衍射問題，微小鏡頭目標光敏面/分劃板處的光場角譜分布可寫作：

式中，f1為透鏡1 的焦距。經(jīng)微小鏡頭目標光敏面/分劃板反射后，設(shè)均勻反射率為ρ(fx,fy)，透鏡2 前的光場分布為

探測相機的前置表面光場分布為

式中，L為探測距離。工業(yè)相機COMS 面陣模塊的接收光場分布為

式中，d為成像系統(tǒng)中探測面與成像透鏡的距離。探測面上的輻照強度可表示為

1.2 微小攝像頭回波特性分析

由于設(shè)備制造安裝、使用環(huán)境、操作方法的差異，非理想情況下焦平面與光敏面之間存在一定的誤差，即產(chǎn)生一定范圍內(nèi)的離焦量，從而影響回波激光發(fā)散角和接收系統(tǒng)的景深范圍。已知工業(yè)相機成像系統(tǒng)的焦距f和光圈F，由于景深的存在，成像系統(tǒng)的焦平面處存在容許彌散圓，設(shè)該彌散圓的直徑為δ，對焦點物距、像距分別為l和l′，前景深物距、像距分別為l1和，后景深物距、像距分別為l2和l′2，景深范圍為 ΔL，前、后景深分別為ΔL1和ΔL2，如圖2 所示。

圖 2 成像系統(tǒng)景深原理圖Fig.2 Schematic diagram of depth of field of imaging system

在目標參數(shù)已知的情況下，該系統(tǒng)前景深為

同理可得，后景深為

實驗成像系統(tǒng)采用面陣工業(yè)相機和短波紅外相機，其規(guī)格參數(shù)如表1 所示。

表 1 工業(yè)相機規(guī)格參數(shù)表Table 1 Specification parameters of industrial camera

由表1 可知面陣工業(yè)相機的結(jié)構(gòu)參數(shù)，設(shè)對焦點物距l(xiāng)=2 m，成像系統(tǒng)D=25.6 mm，焦距f=200 mm，將參數(shù)代入（8）式、（9）式得：

同理，由表1 可知短波紅外相機結(jié)構(gòu)參數(shù)，其他參數(shù)與上述系統(tǒng)一致，將參數(shù)代入（8）式、（9）式得：

1.3 多波長激光特征

微小攝像頭設(shè)備一般采用CCD 或CMOS 成像。由于近紅外、短波紅外光存在與可見光相似的反射光成像特性，為防止目標多次成像降低探測識別精確度，可見光成像系統(tǒng)一般會加入紅外截止濾光片（IR-cut filter，IRCF）消除干擾[22]。采用寬帶可調(diào)諧激光器在一定范圍內(nèi)改變激光輸出波長，在各波段選取幾種常用激光波長：532 nm、852 nm、1 064 nm、1 550 nm。

IRCF 按工作原理分為反射式和吸收式，兩者的主要區(qū)別在于基底玻璃材料不同，反射式IRCF采用普通白玻璃表面鍍膜，系統(tǒng)接收的回波成像受未攜帶目標信息的反射紅外光干擾；吸收式IRCF采用藍玻璃表面鍍膜，藍玻璃中的銅離子對紅外光有較強吸收作用，成像效果好，因此多數(shù)攝像頭采用吸收式IRCF。

短波紅外波長大于紅外截止濾光片的截止波長，以高透過率進入微小攝像頭目標，其與物體相互作用的方式與可見光類似，即短波紅外光可作為反射光成像。短波紅外具有可見光、近紅外、中波紅外和長波紅外無法傳遞的信息源，填補了目前紅外激光探測的空缺。同時，由于1 550 nm 激光處于人眼安全波段，該設(shè)計系統(tǒng)的使用場景幾乎不會受到限制，具有較大的研究價值和應(yīng)用前景。

2 實驗與分析

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖3 所示，包括可調(diào)諧激光器、偏振分束器、1/4 波片、長焦透鏡，工業(yè)相機和計算機。其中，為觀察不同波段的探測情況，工業(yè)相機分別選擇面陣工業(yè)相機和短波紅外相機，具體參數(shù)如上表1 所示?？烧{(diào)諧激光器發(fā)射設(shè)定波長激光，調(diào)整激光發(fā)射角度，令微小攝像頭處于探測范圍內(nèi)，反射激光經(jīng)長焦透鏡整形、通過1/4 波片和偏振分束器后進入工業(yè)相機，利用計算機進行回波圖像的識別、處理及顯示。選定手機后置攝像頭作為微小攝像頭目標，光圈數(shù)為F/1.8，包含吸收型IRCF，可見光、短波紅外部分透過率高，近紅外部分吸收率高。

圖 3 實驗裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of experimental device

2.2 仿真與數(shù)據(jù)分析

基于（5）式、（6）式仿真多波長激光的回波光斑及探測面輻照強度分布，分析可見光、近紅外和短波紅外3 個波段激光的微小攝像頭探測能力，在各波段選取幾種常用激光波長，如表2 所示。

探測相機前置透鏡組焦距為200 mm，相機對焦距離為2 m，成像系統(tǒng)探測面與成像透鏡的距離為250 mm。上述1.1 激光主動探測模型從夫朗禾費角譜衍射理論的角度分析回波傳輸過程及探測相機傳感器光強分布的內(nèi)部機理。為觀察較為清晰的回波光斑變化趨勢，定性分析各激光波長下的回波光斑圖樣并定量討論其回波輻照強度，設(shè)定微小攝像頭探測距離L依次為0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，目標處于成像系統(tǒng)景深可探測范圍內(nèi)?；趫D1 理論模型及其傳輸特性分析，在探測面及各透鏡傳輸面采樣計算，仿真532 nm、852 nm、1 064 nm 和1 550 nm 激光在系統(tǒng)探測面的貓眼目標回波，如圖4、圖5、圖6、圖7 所示。

可見光532 nm 在相機探測面處的回波光斑及強度分布曲線如圖4 所示。隨著探測距離的增加，光斑條紋間距變小、密集度更高，回波能量向圓環(huán)中心聚集。L=2 m 處為光斑聚焦點，此時貓眼目標回波中心光強為極大值；當(dāng)L＞2 m 時，回波圓環(huán)出現(xiàn)明顯的向外擴散趨勢，這些特征在各波段表現(xiàn)一致。微小攝像頭內(nèi)吸收型紅外截止濾光片的存在使得近紅外波段激光852 nm、1 064 nm 回波效率大幅降低，導(dǎo)致探測距離近、系統(tǒng)誤判率高等問題。

表 2 常用探測激光說明Table 2 Description of commonly-used detection laser

圖 4 532 nm 激光回波光斑及強度分布曲線Fig.4 532 nm laser echo spot and intensity distribution curve

圖 5 852 nm 激光回波光斑及強度分布曲線Fig.5 852 nm laser echo spot and intensity distribution curve

圖 6 1 064 nm 激光回波光斑及強度分布曲線Fig.6 1 064 nm laser echo spot and intensity distribution curve

不同波段的激光在探測距離上具有相似的變化趨勢，不同的是，近紅外波段852 nm、1 064 nm激光回波中心輻照強度與可見光波段相比明顯下降，短波紅外1 550 nm 激光在各探測距離上中心輻照強度與532 nm 可見光近似，為定量分析各波段的探測能力，對不同波長、探測距離下的總輻照強度和光斑半徑進行最小二乘法的曲線擬合，結(jié)果如圖8、圖9 所示。

如圖8 所示，4 個波長均在聚焦點2 m 處存在探測面最大總輻照強度，其中，532 nm 為3.502 0 W/mm2，1 550 nm 的探測面總輻照強度為6.467 7 W/mm2，回波能量比532 nm 高出1 倍。1 064 nm和852 nm 的探測面總輻照強度相比于可見光532 nm 依次減小，可探測能力較差。將上述最小二乘法擬合曲線在探測距離0.5 m～3 m 處以步長0.5 m進行曲線斜率分析，結(jié)果如表3 所示。

圖 7 1 550 nm 激光回波光斑及強度分布曲線Fig.7 1 550 nm laser echo spot and intensity distribution curve

圖 8 探測面總輻照強度與探測距離關(guān)系曲線Fig.8 Relation curves of total irradiation intensity of detection surface and detection distance

圖 9 光斑半徑與探測距離關(guān)系曲線Fig.9 Relation curves of spot radius and detection distance

由表3 可知，532 nm 的總輻照強度在0.5 m～1 m緩慢下降，斜率接近0，曲線較為穩(wěn)定。1 m～1.5 m和1.5 m～2 m 處呈上升趨勢，其中在1.5 m～2 m處快速上升，以2 m 為臨界點，在2 m～2.5 m 曲線快速下降，探測面接收輻照強度發(fā)生突變，2.5 m后，曲線趨于平穩(wěn)。852 nm、1 064 nm 和1 550 nm波段的曲線變化趨勢與532 nm 近似，不同的是，由于紅外截止濾光片的存在，852 nm 和1 064 nm 在1.5 m～2 m、2 m～2.5 m 范圍內(nèi)曲線變化較為緩慢，回波光強能量聚焦程度低，可探測范圍較小。1 550 nm 與532 nm 相比，中心光斑處的輻照強度較低，但在突變距離范圍1.5 m～2 m、2 m～2.5 m內(nèi)的總光斑輻照強度遠高于532 nm，且該范圍內(nèi)斜率近似為532 nm 的2 倍，在此標準下，1 550 nm的探測性能優(yōu)于532 nm。

表 3 探測面總輻照強度與探測距離關(guān)系曲線分段斜率Table 3 Segmentation slope of relation curves of total irradiation intensity of detection surface and detection distance（×10-3 W/mm3）

由于探測面總輻照強度曲線近似高斯型分布，輻照強度從探測面中心（x=y=0）向邊緣平滑降落，為簡化計算，規(guī)定輻照強度降落為最大強度的1/e 時，該點與中心點的距離為光斑尺寸。

如圖9 所示，4 個波段的探測面光斑半徑隨探測距離的增加呈下降趨勢，至2 m 處光斑半徑最小，當(dāng)探測距離大于2 m 時，光斑以極小斜率緩慢上升。截取1 m、2 m、3 m 處的光斑半徑進行對比，在1 m 處，532 nm 的光斑半徑最大，值為0.936 mm；在2 m 處，532 nm 的光斑半徑小于1 064 nm 的光斑半徑，值為0.012 mm；在3 m 處，532 nm 的光斑半徑最小，值為0.18 mm，表明532 nm 激光的光斑聚焦程度高，在相同的探測發(fā)射功率下，532 nm 的衍射光斑特征明顯且可探測距離遠。1 550 nm 的探測面光斑半徑在1 m 和2 m 處均為最小光斑半徑，當(dāng)探測距離大于3 m 時，該光斑半徑大于532 nm，與532 nm 激光相比，1 550 nm 的光斑聚焦程度較低，長距離探測性能較差。852 nm 和1 064 nm 的光斑半徑變化特征與1 550 nm 相似，但長距離探測情況下，由于光孔限度與光波長之比直接決定衍射光斑的聚焦程度，1 550 nm 的衍射效果更明顯，光斑聚焦程度更低，衍射光斑特征不明顯，識別困難。

2.3 實驗結(jié)果及分析

如圖3 所示搭建實驗裝置圖，主要參數(shù)與仿真實驗參數(shù)一致。使用可調(diào)諧激光器分別發(fā)射4 個波長的激光，垂直進入偏振分束器，調(diào)整裝置角度，保證視場位于目標可探測范圍，反射的s 偏振光經(jīng)1/4 波片后變?yōu)閳A偏振光照射探測區(qū)域，被探測區(qū)域目標反射后不改變偏振方向，回波再次經(jīng)過1/4 波片轉(zhuǎn)變?yōu)閜 偏振光經(jīng)偏振分束器透射，工業(yè)相機接收微小攝像頭貓眼效應(yīng)產(chǎn)生的衍射光斑圖樣，由計算機顯示目標圖樣信息和處理結(jié)果。室內(nèi)、自然光照射條件下532 nm、852 nm、1 064 nm和1 550 nm 激光的實驗結(jié)果如圖10、圖11、圖12、圖13 所示。

如圖10 所示，L=0.5 m 處光斑條紋明顯，中心光斑外衍射環(huán)密集，且半徑越大條紋越稀疏。由于系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)元件間、微小攝像頭存在鏡面反射，強反射圖樣位于探測面目標光斑附近。L=2 m處為光斑聚焦點，此時貓眼目標回波中心光強為極大值，隨著探測距離的增加，532 nm 回波光斑條紋間距變小，回波能量向圓環(huán)中心聚集，中心能量峰值達到最大。當(dāng)L＞2 m 時，回波圓環(huán)再次出現(xiàn)明顯的向外擴散趨勢，光斑衍射特征明顯，但光束能量在傳播過程中存在光學(xué)系統(tǒng)、大氣等方面的衰減，探測面輻照強度降低，識別目標光斑難度較高。

圖 10 532 nm 激光回波光斑實驗圖Fig.10 Experimental diagram of 532 nm laser echo spot

圖 11 852 nm 激光回波光斑實驗圖Fig.11 Experimental diagram of 852 nm laser echo spot

圖 12 1 064 nm 激光回波光斑實驗圖Fig.12 Experimental diagram of 1 064 nm laser echo spot

圖 13 1 550 nm 激光回波光斑實驗圖Fig.13 Experimental diagram of 1 550 nm laser echo spot

如圖11 所示，L=0.5 m 處光斑級數(shù)較少，與可見光532 nm 相比，各級條紋的間距增大，探測面目標輻照強度降低，且視場受系統(tǒng)內(nèi)部光學(xué)元件間、微小攝像頭的鏡面反射干擾嚴重，后向散射圖樣與目標光斑存在空間重合，系統(tǒng)探測效果差。L=2 m處為光斑聚焦點，此時貓眼目標回波中心輻照強度為極大值，除中心光斑外，各衍射級次能量迅速降低。當(dāng)L＞2 m 時，回波光斑條紋間距增大，回波衍射環(huán)再次出現(xiàn)明顯的向外擴散趨勢。

如圖12 所示，由于目標內(nèi)部存在紅外截止濾光片，探測面接收光斑整體輻照強度降低，光斑變化趨勢與上述波段近似，但由于回波能量較弱，系統(tǒng)探測器接收信號困難。當(dāng)L＞2 m 時，幾乎無法捕捉目標光斑，探測距離受限，實際應(yīng)用困難。

如圖13 所示，與可見光波段相比，由于波長較長，1 550 nm 回波光束衍射特征明顯。由于1 550 nm處于紅外截止濾光片的截止波段外，幾乎不受其吸收/反射的影響，激光能量利用率高，具有較遠的可探測距離。L=0.5 m 時，目標與探測對焦點距離較遠，可以清晰觀察到5 級衍射環(huán)，隨著光斑半徑的增大，外側(cè)衍射環(huán)的寬度增加但輻照強度降低。L=2 m 時，光束被聚焦為中心亮斑，由于工業(yè)相機前透鏡的鏡面反射和內(nèi)置濾光片的反射，中心光斑周圍存在衍射圓環(huán)，且隨著距離L的增加，接收屏的總輻照強度減弱。

852 nm 和1 064 nm 受紅外截止濾光片的干擾嚴重，能量在短距離內(nèi)迅速衰減，無法進行長距離探測。1 550 nm 與可見光532 nm 探測特性接近，在0.5 m～3 m 的測試范圍內(nèi)衍射環(huán)識別特征明顯，上述532 nm、852 nm、1 064 nm 和1 550 nm 4 個波長在探測距離0.5 m～3 m 處的衍射特征如表4 所示。上述實驗結(jié)果與仿真模擬結(jié)果一致，驗證了短波紅外1 550 nm 激光應(yīng)用于微小攝像頭探測的可行性。

表 4 不同波長激光在部分探測距離處的光斑特征Table 4 Spot characteristics of different-wavelength lasers at partial detection distances

3 結(jié)論

針對可見光探測微小目標的波段單一性、缺乏隱蔽性和人眼安全性等問題，對近紅外、短波紅外激光探測微小攝像頭的機理進行研究。建立激光主動探測模型，在系統(tǒng)景深允許范圍內(nèi)，采集多波長激光回波光斑及其探測面輻照強度特征，分析了包含吸收型紅外截止濾光片的微小攝像頭的有效探測波長。微小攝像頭對近紅外波段吸收率高，對短波紅外透過率高，1 550 nm 幾乎不受紅外截止濾光片的影響。實驗仿真數(shù)據(jù)及最小二乘法擬合曲線表明，從探測面總輻照強度和回波光斑半徑分析，1 550 nm 激光的探測面總輻照強度高于可見光532 nm，但回波光斑聚焦程度較低，852 nm和1 064 nm 激光位于紅外截止濾光片的工作波段，探測效果差，只能進行短距離探測。仿真和實驗結(jié)果與原理分析一致，紅外波段的探測機理研究為拓寬微小攝像頭的可探測波長范圍提供了可能性。