基于中紅外波段的烷烴濃度遙測光學系統(tǒng)

殷 亮，邢志明，朱 科，苗 玉，姜 萌，單新治，2*，高秀敏

（1.上海理工大學 光電信息與計算機工程學院，上海 200093；2.上海理工大學 健康科學與工程學院，上海 100080）3.北京航天控制儀器研究所，北京 100080）

1 引言

國內外研究吸收光譜氣體遙測技術已有幾十年的歷史，檢測方法包括傳統(tǒng)的電化學法、火焰光度法、氣相色譜法以及激光吸收光譜法［1］。傳統(tǒng)的電化學法、火焰光度法和氣相色譜法等手段只能在近距離對氣體進行檢測，使用不方便、耗費時間長，在探測腐蝕性和爆炸性氣體時更加困難，測量人員面臨著較高的危險。相比較而言，激光吸收光譜法通過使用激光束沿光路傳輸后的強度變化，或基于激光對目標氣體的輻射吸收而產生的吸收譜線來測量氣體濃度［2］，能夠在遠距離對氣體進行遙測，使用方便、測量迅速，測量人員面對的風險很低，目前已經成為最具發(fā)展前景的氣體檢測技術。

吸收光譜氣體檢測技術主要分為兩類：不通過外差而直接根據(jù)接收信號獲取吸收線的直接檢測技術，以及通過外差先獲取外差信號再進行處理獲取吸收線的外差檢測技術［3］。外差檢測技術能夠對返回信號進行放大，面對較弱反射光能夠實現(xiàn)更長的檢測距離及更低的檢測限［4］。相對于外差光譜技術，直接檢測技術雖然光譜分辨率較低、探測靈敏度不高，但其結構相對簡單，成本低，可以在幾米到幾十米的范圍內通過非合作目標反射對氣體進行遙測［5］，適合設備體積小、低成本的氣體被動檢測系統(tǒng)。

紅外遙測遙感是近幾年興起的一種高技術手段［6］，它可以在事故現(xiàn)場遠距離、快速給出危險、有毒、有害云團的各種相關化學和物理信息［7］。本文采用激光打到目標背景（墻體、地面、管道等）后形成的回波反射信號進行泄漏氣體遙測技術方案，設計反射式大口徑光學系統(tǒng)。通過合理選取光學器件，成功研制大口徑、輕量型中紅外望遠收發(fā)光學系統(tǒng)，實現(xiàn)對25～100 m 內目標的成像。

2 系統(tǒng)工作原理與指標

2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體設計結構如圖1 所示。中紅外ICL激光器發(fā)出波長為3 400 nm 的光束（功率為15 mW，散射面W×H=9 μm×3 μm），經擴束準直系統(tǒng)處理陸續(xù)到達反射鏡1 和反射鏡2，經反射鏡2 偏折的光束到達遠處，隨后攜帶烷烴氣體信息通過卡塞格林系統(tǒng)依次到達主鏡和次鏡，最終由探測模塊接收。

圖1 烷烴濃度遙測光學系統(tǒng)的總體結構Fig.1 Optical overall structure of alkane concentration remote sensing measurment system

2.2 技術指標

本文利用激光照射目標背景后產生的回波反射信號來實現(xiàn)泄漏氣體的遙測，設計的反射式大口徑光學系統(tǒng)全部采用國產化設備，成本可控。通過合理選擇光學器件，實現(xiàn)了大口徑、輕量型的中紅外望遠收發(fā)光學系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術指標如下：（1）鏡頭口徑≥25 cm；（2）發(fā)散角≤1.5 mrad；（3）遙測設計距離為25～110 m；（4）濾波片在3 400～3 500 nm 內的透過率≥90%；（5）帶外通過率≤0.3%；（6）鏡頭接收效率≥87%；（7）質量≤7.5 kg。

3 烷烴檢測系統(tǒng)設計

3.1 硬件構成

光學系統(tǒng)主要分為發(fā)射模塊、接收模塊和探測模塊3 大模塊。該系統(tǒng)采用透射式非球面準直鏡實現(xiàn)對發(fā)射模塊的設計，采用卡塞格林望遠系統(tǒng)實現(xiàn)對接收模塊的設計。

3.2 系統(tǒng)發(fā)射模塊

3.2.1 系統(tǒng)發(fā)射模塊原理

激光擴束準直系統(tǒng)［8］用于將光束從一個較大的角度限制到一個較小的角度范圍內，需要采用透鏡、反射鏡或光學棱鏡等光學元件來控制光束的傳播方向和角度。透射式非球面準直透鏡及調節(jié)結構如圖2 所示。

圖2 透射式非球面準直透鏡及調節(jié)結構Fig.2 Transmission aspheric collimator lens and adjustment structure

激光是由一束高度相干的光波組成的，發(fā)散角度較小。準直透鏡是一種具有透鏡形狀的光學器件，其表面曲率能夠使光線發(fā)生折射。激光束通過準直透鏡時發(fā)生折射，使激光束的傳輸方向調整為平行光束。

在擴束準直系統(tǒng)中［9］，激光通過一個透鏡或反射鏡將這個點上的光束重新發(fā)散成一個較小的角度，從而將光束從一個較大的角度限制到一個更小的角度范圍內。

準直透鏡的曲率可以根據(jù)式（1）進行選擇，以實現(xiàn)準直效果。調整后的平行光束可以更好地傳輸和聚焦，提高激光系統(tǒng)的效率和性能。

其中：L為準直鏡口徑，F(xiàn)為準直徑焦距，θ為發(fā)散角。

3.2.2 系統(tǒng)發(fā)射模塊設計

準直透鏡安裝在一個鋁基座上，鋁基座由4根銦鋼棒做導向。計算準直透鏡因溫度的變化導致的離焦量，由此設計銦鋼棒和鋁基座的尺寸，使二者隨溫度的變化正好補償準直透鏡的離焦，保證發(fā)射組件的環(huán)境適應性。

透射式非球面準直透鏡及調節(jié)結構如圖3 所示，準直光束經過反射鏡1、反射鏡2 反射后進入待測氣體區(qū)域。其中，反射鏡1、反射鏡2 為鍍有增強金膜的高反射透鏡。兩個反射鏡的鏡架均在同一條軸線上，并且兩鏡片具有相同的傾斜角度。反射鏡1 粘接在一個緊湊型的不銹鋼撓性調整架上，此調整架采用撓性樞軸和精密調節(jié)螺釘，保證反射鏡的機械穩(wěn)定性，使用內六角扳手調節(jié)球形驅動器可實現(xiàn)輕松的調節(jié)。

圖3 透射式非球面準直透鏡及調節(jié)結構Fig.3 Transmission aspheric collimator lens and adjustment structure

反射鏡2 粘接在一個固定底座上，如圖4 所示。底座固定在主光學系統(tǒng)的次鏡基座上。為了降低次鏡基座的質量，反射鏡2 沒有設置調節(jié)機構，裝配時通過機械公差定位，殘余的角度誤差通過反射鏡1 的調節(jié)架進行補償。

圖4 反射鏡2 及其固定結構Fig.4 Reflector 2 and its fixed structure

所選擇的激光二極管的發(fā)光尺寸為9 μm×3 μm，慢軸發(fā)散角（FWHM）為35°，快軸發(fā)散角（FWHM）為55°。發(fā)散角為半高全寬，激光按高斯分布，其實際發(fā)散角要大得多，因此應盡量提高發(fā)射鏡的尺寸，否則會導致截光問題。

發(fā)射鏡的焦距為20 mm，通光孔徑為30 mm，代入式（1）得到激光光斑尺寸引起的發(fā)散角約為0.45 mrad。再考慮衍射產生的發(fā)散角約為0.35 mrad，則總發(fā)散角在0.8 mrad 左右，滿足指標＜1.5 mrad 的要求。

圖5 為發(fā)射鏡設計，其材料選用對溫度相對不敏感的硒化鋅［10］，其中一個面為非球面，采用單點金剛石加工工藝制造。硒化鋅對可見光也有一定的透過率，給裝調過程增加一定的便利性。

圖5 發(fā)射鏡設計Fig.5 Design of emission mirror

激光準直系統(tǒng)發(fā)射鏡的發(fā)射效率達97%，反射鏡1 和反射鏡2 分別鍍有增強金膜，發(fā)射效率達98%，高斯光束通過率達93%，整個系統(tǒng)的發(fā)射效率為86%，滿足指標的光學接收要求。

3.3 系統(tǒng)接收模塊

3.3.1 工作原理

卡塞格林系統(tǒng)是一個反射式兩鏡系統(tǒng)［11］，如圖6 所示，它由主鏡和次鏡組成。主鏡為中心開有一個通孔的凹面反射鏡，次鏡為凸面反射鏡。主鏡反射面曲面為拋物面，次鏡反射面曲面為雙曲面。根據(jù)幾何原理［12］，主鏡拋物面的焦點應與次鏡雙曲面的虛焦點重合于圖中F'點，成像于雙曲面的實焦點F處。被觀測物體的光線從左側射入，入射光線首先照射在主鏡反射面上，經主鏡反射到達次鏡，再經次鏡二次反射，光束聚焦，并從主鏡中心通孔處穿過，成像于主鏡背面的F點處［13］。

圖6 經典的卡塞格林系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of classic Cassegrain system

卡塞格林光學系統(tǒng)的初步設計如下：根據(jù)系統(tǒng)所要求的焦距f '、次鏡的放大倍率β（等于系統(tǒng)焦距f '與主鏡焦距f1'之比）、系統(tǒng)的中心遮攔比α和焦點的伸出量Δ（即主鏡頂點到系統(tǒng)總焦點的距離）來確定主鏡與次鏡的頂點曲率半徑R1，R2，以及它們之間的距離d［14］。

系統(tǒng)焦距f '、焦點的伸出量Δ由總體設計提出，次鏡放大倍率β與系統(tǒng)遮攔比α的關系如下：

確定α，β后，主鏡與次鏡的頂點曲率半徑R1，R2，以及它們之間的距離d如下：

卡塞格林光學系統(tǒng)的優(yōu)點在于沒有色差，適用光譜范圍寬，且利用主次鏡拋物面和雙曲面的幾何原理，可避免系統(tǒng)球差，并能使利用該系統(tǒng)設計的鏡頭結構更加緊湊。

3.3.2 系統(tǒng)接收模塊設計

針對卡塞格林望遠系統(tǒng)焦距較長、應用的波段較寬以及視場較小等特點［15］，本設計采用卡塞格林望遠系統(tǒng)加透鏡組來構成折反射式望遠系統(tǒng)。

為達到250 mm 主鏡鏡頭口徑和1.5 mrad 的發(fā)散角要求，本系統(tǒng)采用常規(guī)的卡塞格林光路；為減少背景雜散光，接收系統(tǒng)的視場應該稍大于發(fā)射視場。發(fā)射光束的發(fā)散角在0.8 mrad 左右，因此接收設備1 mrad 較為合適。根據(jù)探測器直徑為1 mm，則接收鏡的焦距為1 000 mm。

探測器前面已經集成一片砷化鎵超半球透鏡［16］，其接收面積相對于1 mm2的感光面會增大，從而可以增大視場，需在最終裝調時測試。設計時可以在探測器前端設計一個可更換的光闌（1 mm2左右），根據(jù)接收信號大小及背景噪聲優(yōu)化光闌的尺寸。根據(jù)探測器直徑1 mm 計算，則接收鏡的焦距為1 000 mm。

圖7 為接收模塊的設計圖紙，以鋁合金作為材料基底，其中S1 為拋物面，S2 為雙曲面。給每個鏡面鍍增強型金反射膜，反射率大于98%。經過主鏡次鏡后系統(tǒng)鏡頭的接收效率達89%，滿足指標的光學接收要求。

圖7 接收光路Fig.7 Receiving optical path

4 系統(tǒng)測試分析

基于烷烴遙測系統(tǒng)，對激光準直系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)進行仿真分析及測試。

4.1 發(fā)射系統(tǒng)分析

發(fā)射部分系統(tǒng)結構如圖8 所示，系統(tǒng)點列圖如圖9 所示。各個視場下的斑RMS 半徑已經在艾里斑之內，說明彌散斑的參數(shù)已經達到衍射極限。

圖8 激光準直系統(tǒng)結構Fig.8 Structure of laser collimation system

圖9 發(fā)射系統(tǒng)點列圖Fig.9 Spot diagram of launch system

對發(fā)射部分的激光準直系統(tǒng)進行測試，得到不同位置的發(fā)射光斑示意圖，如圖10 所示。表1 為發(fā)射系統(tǒng)不同調焦距離時目標的光斑尺寸，由表可知，發(fā)射模塊滿足系統(tǒng)指標發(fā)散角＜1.5 mrad。

表1 不同調焦距離目標上的光斑尺寸Tab.1 Spot size on targets with different focusing distances

圖10 不同位置的發(fā)射光斑示意圖Fig.10 Schematic diagram of emission spot at different positions

4.2 接收系統(tǒng)熱力分析

接收系統(tǒng)的雙反鏡片和總體機械框架均采用6061 鋁合金材料，實現(xiàn)消熱設計［17］，以保證系統(tǒng)在總體溫度變化時，不會引起光學系統(tǒng)的離焦現(xiàn)象，從而保證光學成像質量和光學系統(tǒng)性能穩(wěn)定。但當系統(tǒng)總體出現(xiàn)溫度梯度時，還是會影響光束聚焦性能，如溫度劇烈變化或太陽輻照等情況。

太陽輻照的模擬條件如下：太陽輻射功率為1 000 W/m2，照射方向為正上方，環(huán)境溫度為30 ℃。由圖11 可以看出，由于太陽直接照射鏡筒，整個系統(tǒng)產生了較大的溫度梯度［18］，主鏡上的溫度梯度約為0.7 ℃；而由于次鏡的支撐結構較薄，傳導能力弱，次鏡的溫度最低為39.29 ℃。

圖11 太陽輻照模擬分析Fig.11 Simulation analysis of solar irradiation

圖12 為根據(jù)上述所給出的溫度和位移變化模擬得到的聚焦光斑尺寸。由圖可以看出：加載溫度變化后，聚焦光斑尺寸略有增加（約增加20 μm 左右），與1 mm 的光電探測器感光面尺寸相比可以忽略。

圖12 理想情況下及加載溫度變化后光學系統(tǒng)的點列圖Fig.12 Focus point column diagram of optical system under ideal conditions and after loading temperature changes

4.3 系統(tǒng)應力分析

本系統(tǒng)屬于收光系統(tǒng)，裝夾精度的要求較低，但仍然采取一定措施，降低安裝應力。

主鏡采用單點金剛石車削方式制造，采用背部三點柔性支撐結構方式。圖13 為加載重力前后主鏡的變形圖，由圖可以看出，主鏡的大部分形變由小角度傾斜引起（0.3 μm），而像散、球差一類的變形可以忽略。

圖13 主鏡受力分析Fig.13 Force analysis of primary mirror

4.4 系統(tǒng)測試結果

對系統(tǒng)指標進行測試，首先在實驗室采用大電流驅動與控制系統(tǒng)（Newport），與高精度鎖相檢測設備（蘇黎世MFLI-500）和平行光管，對不同距離信號的檢測精度進行對比，用于對鏡頭指標的驗收以及后續(xù)測試自研高精度解調電路和自研激光驅動模塊的指標水平，如圖14 所示。

圖14 采用平行光管的實驗室指標測試Fig.14 Laboratory indicator testing using collimator

測試平行光管模擬像點距離100 m 時的指標，圖15 所示為甲烷吸收信號和諧波信號，采用鎖相參數(shù)為500 Hz-3 倍放大-AC-Diff-3dB700，噪聲為72，信號為800 μV，信噪比為11.1，甲烷檢測限為45 μm/m。圖16 所示為乙烷吸收信號和諧波信號，采用鎖相參數(shù)為-500 Hz-3 倍放大-AC-Diff-3 dB700，噪聲為73，信號為950 μV，信噪比13，檢測限為39 μm/m。

圖15 甲烷吸收信號和諧波信號Fig.15 Methane absorption signal and harmonic signal

圖16 乙烷吸收信號和諧波信號Fig.16 Ethane absorption signal and harmonic signal

為提升遙測距離并且不降低檢測限，測試末端采用空心反射器實現(xiàn)了戶外135.4 m 遙測距離的多組分測量。反射器實物如圖17 所示，其精度為0.02 mrad，可以確保返回光偏差在鏡頭口徑內，經過驗收測試，遙測鏡頭的指標滿足課題要求，最終實現(xiàn)了遙測距離＞100 m。驗收目標分為兩種場景，一種是鋁箔作為反射面，距離達到100.5 m；一種是空芯反射器作為反射面，在確保甲烷和乙烷的檢測精度≤50 μm/m，遙測距離為134.5 m。

圖17 末端采用空心反射器Fig.17 Hollow reflector at terminal

5 結論

為了實現(xiàn)烷烴氣體濃度的大范圍靈活檢測要求，本文提出了一種基于透射式非球面準直鏡和卡塞格林系統(tǒng)的中紅外遙測遙感方法，完成對烷烴濃度遙測遙感光學系統(tǒng)的設計。主鏡和次鏡鍍有中紅外增強金膜，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著提升。實驗結果表明：本方案充分考慮系統(tǒng)所需的各項技術指標以及工程穩(wěn)定性要求，經過測試，系統(tǒng)總體發(fā)射效率為86%，接收效率為75.8%，能夠實現(xiàn)25～100 m 大范圍內的烷烴氣體濃度遙測。該裝置具有使用方便、測量迅速和風險低等優(yōu)勢，能夠保證整體光學系統(tǒng)的穩(wěn)定性及作業(yè)檢測的安全性。