激光探潛系統(tǒng)中雜散光抑制措施分析

李海燕，胡云安，王連生

（海軍航空工程學院 a.控制工程系；b.新裝備培訓中心，山東 煙臺 264001）

0 引言

光學系統(tǒng)成像時，到達像面上的光線除了按正常光路進行的成像光線外，還有一部分是不參加成像的非成像光線在像面上的擴散，這部分非成像光線稱為雜散光[1-3]。激光探潛系統(tǒng)的紅外光（IR）和藍綠光（GR）光學系統(tǒng)中雜散光的存在，使得目標的信噪比降低，影響了整個系統(tǒng)的探測和識別能力。嚴重時因像面雜散光分布不均勻，在系統(tǒng)探測器上形成虛假信號，致使系統(tǒng)探測到偽目標，甚至導致整個系統(tǒng)失效，所以必須予以抑制和消除。

本文針對立式布局、IR/GR 分離光學系統(tǒng)的激光探潛系統(tǒng)，對IR系統(tǒng)中雜散輻射和GR系統(tǒng)中雜散光的來源進行了詳細的分析，并給出了相應的抑制措施，展望了未來消雜光技術的發(fā)展趨勢。

1 激光探潛系統(tǒng)的光學系統(tǒng)結構

激光探潛系統(tǒng)中的光學系統(tǒng)，按照紅外光和藍綠光光學系統(tǒng)的布局不同可分為兩類[4]：一類是IR接收和GR接收共享一主物鏡的光學系統(tǒng)，如加拿大的LARSEN500系統(tǒng)；另一類是IR接收和GR接收截然分開的光學系統(tǒng)，如澳大利亞的WRELADSⅡ系統(tǒng)。按照光接收系統(tǒng)主物鏡的形式，也可分為兩類：一類是反射式（或折反式）望遠鏡系統(tǒng)，如澳大利亞和加拿大方案；另一類是透射式望遠鏡系統(tǒng)，如美國的ABS系統(tǒng)。

采用立式結構，光發(fā)射和接收系統(tǒng)分離的光學系統(tǒng)結構如圖1所示。此種結構下，激光器和光電探測器均垂直安置，且IR和GR的發(fā)射和接收光學系統(tǒng)都是分離的獨立光學系統(tǒng)，縮小了占地體積，裝配校正方便[4]。

圖1 IR/GR接收分離的光學系統(tǒng)

脈沖激光器發(fā)射的紅外激光束透過GR/IR 分光鏡，經過紅外光發(fā)射系統(tǒng)擴束后，垂直向下射出，到達海平面后返回的第一激光脈沖作為時間基線被紅外光接收系統(tǒng)接收；藍綠激光束被GR/IR 分光鏡反射后，經過藍綠光發(fā)射系統(tǒng)射向掃描反射鏡，經過大氣信道、海水界面和海水信道到達水下目標，從水下目標反射的激光脈沖信號沿著相反方向返回到藍綠光接收系統(tǒng)，此時作為第二次激光脈沖達到時間。

2 IR系統(tǒng)雜散輻射抑制技術

2.1 IR系統(tǒng)雜散輻射分析

紅外系統(tǒng)在激光探潛系統(tǒng)中的主要作用是定高和確定時間基線。IR接收系統(tǒng)由紅外接收望遠鏡、紅外窄帶濾波器和紅外探測透鏡組成。其中，紅外接收望遠鏡包括2個固定透鏡和2個可動透鏡，焦距可變[4]。整個系統(tǒng)垂直向下安置，探測紅外光從水面返回的反射信號。

2.1.1 IR系統(tǒng)雜散輻射來源

對于IR接收系統(tǒng)而言，雜散輻射主要來自光學系統(tǒng)外部環(huán)境紅外輻射和光機內部熱輻射兩種紅外雜散光源。前者包括視場外海面紅外輻射和反射太陽光中的紅外波段輻射，后者主要指電機、溫控熱源等光機內部產生的紅外輻射。

激光探潛系統(tǒng)中IR 光學系統(tǒng)的雜散光背景為海面大氣背景，包括海水紅外輻射、海平面對太陽光反射的紅外波段[5]。其中，海面對太陽光的反射是大氣散射、海水表面和云層對太陽輻射反射的共同結果。

內部熱輻射是光學系統(tǒng)內輻射源（如溫度較高的光學元件和其他表面）產生的紅外輻射經反射、折射或衍射到達焦平面的輻射能，包括鏡筒輻射和鏡組輻射。外部環(huán)境入射的輻射被壁面吸收，提高了壁面的溫度，促使光學元件自身輻射的雜散光對焦平面信號形成很強的干擾。內壁面反射率的提高增大了雜散光在光學系統(tǒng)內部的反射次數(shù)，增強了到達焦平面的雜散輻射通量[1]。

2.1.2 內部熱輻射分析原理與過程

內部熱輻射是紅外光學系統(tǒng)中雜散輻射的主要來源，成為影響系統(tǒng)成像質量的重要因素。因此，必須研究光學系統(tǒng)中各像面接收內部熱輻射量級大小。

輻射出射度是指輻射源表面單位面積上發(fā)射的輻射通量總和，它是輻射源上位置的函數(shù)，與波長、溫度有直接的聯(lián)系，表示為M (λ,T)。

由普朗克定律可知，在一定的溫度與波長下，黑體的輻射出射度與波長、溫度的關系為[6]：

式中：h是普朗克常數(shù)，h=6.63×10-34J?s；k是玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23J?K；c是光速，c=2.99×108m/s；c1=2πhc2，稱為第一輻射常數(shù)；c2=ch/k，稱為第二輻射常數(shù)。

為求得光學系統(tǒng)中某發(fā)射面在單位時間內，單位面積上發(fā)射的λ1～λ2波段的輻射能，可將M (λ,T)在相應波段范圍內進行積分，即：

式中：ε是表面的發(fā)射率，代表在同一溫度下，物體的輻射出射度與黑體的輻射出射度之比。

確定系統(tǒng)的工作溫度及各光學系統(tǒng)表面的發(fā)射率，取得與紅外探測器相匹配的波段，利用式(1)、(2)，通過分布計算累計求和的方法，即可計算出光學系統(tǒng)內部各主要輻射表面的輻射能量。

2.2 IR系統(tǒng)雜散輻射抑制措施

首先，根據(jù)式(2)，降低光機系統(tǒng)內部各表面的發(fā)射率可有效抑制雜散輻射，具體可采取的措施有：① 采用特殊的消雜光表面工藝消除光學元件表面對雜散輻射的反射與散射，如金屬表面陽極氧化以后用染料染黑，磨砂以后進行酸蝕處理和等離子噴被等[3]；② 利用紅外消雜光涂料的表面粗糙度和多孔性來散射和吸收雜散光，也可降低IR系統(tǒng)的雜散輻射[7]。選擇涂料顆粒尺寸接近紅外探測器響應波段的涂料，消光效果最佳。

其次，由式(2)可知，物體表面輻射的能量與溫度有直接的聯(lián)系，故降低IR系統(tǒng)工作溫度也可抑制IR系統(tǒng)雜散輻射。可采用制冷劑進行冷卻、在主鏡后加冷板、溫闌和冷光闌相匹配以消除鏡座輻射和小入射角背景輻射[3]等措施。

此外，可從優(yōu)化激光探潛系統(tǒng)中IR系統(tǒng)的光學結構入手來抑制和消除雜散輻射。由于遮光罩可以減弱大部分照射在鏡筒之上的雜光，而在鏡筒內部設置的擋光環(huán)可以有效衰減到達像面的雜散光能量。所以可采用遮光罩阻擋直接到達光學系統(tǒng)表面的非成像光線，利用罩內擋光環(huán)來阻擋和散射大入射角入射的雜散輻射，改變鏡筒表面的散射特征。正在研制的反射式擋光環(huán)可把大多數(shù)入射輻射直接反射到鏡筒外，從而可減輕鏡筒熱負荷。另外，可將孔徑光闌、視場光闌等進行組合減小關鍵表面的數(shù)目和被照射表面的面積，進而減小光學系統(tǒng)中的雜散輻射[7，8]。

3 GR系統(tǒng)雜散光抑制技術

3.1 GR系統(tǒng)雜散光分析

藍綠激光系統(tǒng)是激光探潛系統(tǒng)的核心部分，主要起到探測潛艇目標的作用。GR接收系統(tǒng)包括掃描反射鏡、卡塞格林望遠鏡、可變視場光闌、藍綠光窄帶濾波器、藍綠光探測透鏡和光電探測器。藍綠激光（波長532 nm）垂直向下發(fā)射，經過大氣、海水界面和水下到達潛艇后，從潛艇返回的激光脈沖信號沿著相反方向，被GR接收系統(tǒng)探測[4]。

3.1.1 GR系統(tǒng)雜散光來源

對于GR接收系統(tǒng)而言，雜散光主要包括外部雜散光和成像雜散光[9]。由于激光探潛系統(tǒng)不直接面對太陽，外部雜散光的主要來源為背景光的干擾，如海水表面的散射、漫射光及大氣漫射光等進入系統(tǒng)，經系統(tǒng)內部構件的多次反射、折射或衍射到達探測器[10]。成像雜散光指成像光線經非光路表面散射、或經光路表面的非正常傳播而進入探測器的輻射能量。

從圖1可以看出，GR接收系統(tǒng)采用的是折反式的卡塞格林系統(tǒng)，這種系統(tǒng)經常會出現(xiàn)3種雜散光[9]：一是不經主鏡，次鏡由物空間直接射到或經過校正鏡和場鏡后射到像面的雜光，又稱為漏光雜散光；二是視場內的不按成像光路，經鏡面來回反射到像面的雜光；三是視場外的光線經筒壁漫反射進入系統(tǒng)而射到像面的雜光。此外光學系統(tǒng)透射面殘余反射的雜散光也不容忽視[5]。

3.1.2 GR雜散光分析原理與過程

以兩個表面間照度公式為理論基礎，可定性地研究抑制雜光的方法。兩個表面間照度公式為[3]：

式中：ФT、ФS分別為入射在目標物體的元面積（如像面）和入射在源物體的元面積（如鏡筒）上的能量輻射；BRDFS為源物體表面單元的雙向散射分布函數(shù)；GCFS-T為形狀系數(shù)。

BRDFS的值隨著入射和出射角度的變化而變化，且從來不會減小到0；GCFS-T的值通過改變兩個表面的方向可以減小，甚至使其為0。所以應主要從光學系統(tǒng)的散射路徑出發(fā)進行消雜光結構的設計。

在雜光分析中，首先，應從像面出發(fā)來研究那些能夠在像面或者中間像面處看到的表面（關鍵表面）的雜散輻射。如圖1中次鏡的遮光罩內表面是一個關鍵表面，為減小其在像面的投影面積，一般將其設計為接近于圓柱的錐面。其次，研究被照射的表面，減小其面積或將其從被照射的路徑上移出。對于那些既是被照射表面又是關鍵表面的表面，應盡最大努力阻擋或移除。再次，應采用阻擋的方法或者更改設計來消除所有連接被照射表面和關鍵表面的散射路徑。最后，決定采用何種涂料或是否要采用擋光環(huán)結構，以降低BRDFS值。

為了徹底消除漏光雜散光和殘余反射雜散光，同時又要保證正常光束的通過，需要對雜散光進行非常精確地分析，目前國內外廣泛應用的雜散光分析軟件主要有Zemax、TracePro、LightTools、ASAP、OptiCAD 等，利用MonteCarlo法進行光線追跡計算各階鬼像雜散光和各種衍射雜散光。

3.2 GR系統(tǒng)雜散光抑制措施

針對激光探潛系統(tǒng)GR接收系統(tǒng)的折反式卡塞格林光學系統(tǒng)，應系統(tǒng)地按照從外至內的順序，逐層抑制和消除系統(tǒng)雜散光。

首先，在系統(tǒng)的最前方加外遮光罩，既可防止來自視場外的雜光，也可抑制直射雜光。來自視場外的部分光線經過外遮光罩內壁的多次反射可衰減，進而消除筒壁漫反射雜光。其次，在系統(tǒng)中加內遮光筒和在次鏡上加遮光罩來消除漏光雜散光，如果內遮光筒的加入導致邊緣視場的傳函過低，此時可只用外遮光筒或用外遮光筒加次鏡遮光罩的方法消除雜散光[9]，也可在主次鏡上加上專門的筒形消雜光光闌。再次，同時在鏡筒壁和透鏡邊緣涂消光涂料，并在鏡筒內壁和內遮光筒的內壁加擋光環(huán)來抑制和消除雜散光[9]，并采用鍍增透膜和提高鏡面光潔度的方法抑制視場內來回反射至像面的雜散光。如果采取了上述措施后，仍然不能滿足系統(tǒng)雜散光消除的要求，還可以采用諸如將孔徑光闌放置在次鏡上，鏡筒內部安裝葉片，并且涂黑以降低衍射系數(shù)。視場光闌放置在二次成像面上，并且嚴格控制尺寸等手段來進一步抑制和消除雜散光[11]。

4 展望

對于消雜光技術，應該打破傳統(tǒng)的圍繞各種光闌設計和涂層設計的局限，把系統(tǒng)的光、機、熱及雜光分析技術結合起來，通過建立各種物理模型和數(shù)學模型，利用大型的雜光分析軟件確定初步設計方案。經過計算機的模擬測試、評估方案，并不斷完善、優(yōu)化。最終設計的加工初樣應進行系統(tǒng)雜光測試，依據(jù)結果來判定分析設計的可靠性。這對于降低成本、縮短研制周期和提高分析精度是非常重要的。

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