激光測距機接收光學系統視場光闌的設計研究

王 剛

（海軍駐中國電子科技集團第二十研究所軍代室，西安710000）

激光測距機接收光學系統視場光闌的設計研究

王 剛

（海軍駐中國電子科技集團第二十研究所軍代室，西安710000）

為了提高激光測距機對背景雜散光的抑制能力和對漫反射小目標的探測能力，采用了在激光測距機接收光學系統中加入與視場匹配的視場光闌的方法。經過理論分析和實驗驗證，此種設計可取得較好的實驗效果。結果表明，在相同的背景和能見度下，對同一目標測距，視場光闌對抑制雜散光、降低噪聲、提高探測靈敏度起到較好的作用。激光測距機加視場光闌后測距能力能提高到原來的約1.18倍，具有更好的測距能力。

激光技術；激光測距機；視場光闌；測距能力

引 言

隨著各國作戰能力的不斷加強，面對日趨嚴重的地空導彈和空空導彈的威脅［1］，未來反導形勢愈加嚴峻。在此基礎上提出了我國未來空、地、海一體化的反導體系架構設想，同時對激光測距的高精度、快速、實時、遠距離測距技術的要求也在不斷提高。

從提高激光測距機的性能來看，提高對目標回波的接收靈敏度比提高射向目標的激光功率更有效，因為提高接收靈敏度不會增加激光測距機的體積、質量和功耗，而提高發射功率將使它們大大增加。激光測距機的小型化、微型化固然與激光技術的發展有關（比如低閾值、被動調Q技術等），但起決定性作用的還是接收技術的迅速發展，它使系統的接收靈敏度提高了兩個數量級［2］。接收系統設計時既要考慮提高對小目標的測距能力，增大接收視場，又要兼顧限制背景（特別是近距離背景）雜散光，傳統技術是采用光學濾光片或依靠調節增益來降低背景噪聲，本文中提出在接收光學系統中加入視場光闌來更好地提高測距能力。

為了實現對被測距目標背景雜散光的有效抑制，提高對小目標的測距能力，在激光測距機接收光學結構內加入視場光闌，通過設計與接收視場相應匹配的視場光闌，充分利用視場光闌對成像范圍的限定特性，可減少進入光電探測器探測面的雜散光、抑制噪聲、提高探測靈敏度，對遠距離小目標光信號的提取、提高測距能力有較深遠意義的影響，屬于提高固體脈沖激光測距機測距能力的一種有效接收光學設計改進。

1 探測靈敏度對激光測距能力的影響

根據激光對小目標（非合作目標）的測距方程［3］可知，激光測距的最大作用距離，與激光發射功率、發散角、光學透過率、接收靈敏度等諸多因素有關，測距方程如下式：

式中，R為測距距離；Pt為發射峰值功率；τt為發射光學透過率；τr為接收光學透過率；Ar為探測系統接收光學面積；As為目標反射截面積；ρ為目標反射率；τ為激光雙程水平透過率；θt為激光發散角；Pr為接收靈敏度。

2 接收光學系統視場光闌的設計

接收光學系統的功能是盡可能多地收集目標反射的激光能量、抑制雜光背景干擾，保證一定的成像像質，完成光學增益調節，滿足探測視場要求［4］。光學系統能夠清晰成像的視場范圍是有限的，視場的大小可用相對應的光闌加以限定，這種光闌稱為視場光闌［5］。

2.1 接收光學系統組成

對非合作目標的直接探測系統而言，接收光學所能收集到的目標回波光功率是正比于接收系統的有效接收面積，但任何激光測距機都有嚴格的體積、質量限制，因此接收系統的有效接收面積不可能很大，于是就出現了這樣的問題：如何使有限的接收面積能更有效地接收目標回波光脈沖功率？所以接收光學設計的重要性不言而喻［2］。

加入視場光闌的激光測距機接收光學系統由物鏡、視場光闌、目鏡［6］、濾光片、匯聚鏡及探測器六部分組成，如圖1所示，其3維模型如圖2所示。

2.2 視場光闌的參量設計

視場光闌設計的關鍵因素是參量設計，即視場光闌要與接收視場相匹配，才能將接收視場外的雜散光抑制掉［7］。視場光闌直徑d的大小與接收視場ω的關系［6］如下式所示：

式中，d為視場光闌直徑，單位mm；f為物鏡焦距；ω為接收視場。

由（2）式可知，當接收光學物鏡焦距f和接收視場ω確定后，視場光闌直徑d的大小就確定了。但實際工程設計時還要考慮每個課題的應用背景、特點、加工能力等其它因素［8］。

2.3 接收光學系統視場光闌的實現方式

加入視場光闌的接收光學系統實現方式如下：（1）無論對現有設備改造還是設計新的接收光學系統，都需在接收光學系統物鏡焦面處加入合適視場的視場光闌，并設計為軸向距離可調（徑向距離由結構件加工精度直接保證）；（2）軸向調節視場光闌時，必須按照設計要求選取與設計光源一致的光源照明小孔，并采用無視差瞄準鏡輔助調整視場光闌的軸向位置，軸向位置到位后用緊定螺釘固定；（3）注意：調校時如不采用設計要求的光源時，需加入補償片進行光路補償，補償片設計時按照調校用光源的波長進行補償設計。在調整過程中，補償片能在接收物鏡的調校過程中使光焦點移至與設計波長焦點位置一致處。補償片的材料折射率為n、厚度為t，則加入補償片所引起的焦點位置差L由計算公式L=（n-1）t/n確定。調校完畢后，即可拿去補償片。

3 視場光闌對激光測距機的性能影響

為了檢測視場光闌對激光測距機性能，特別是接收通道信號的影響，專門設計增加視場光闌的接收光學試驗件，與不加視場光闌的接收光學系統進行專題對比試驗。試驗中采用同一臺激光測距機對同一目標在相同背景下進行測試，檢測兩種接收光學系統對雜散光的抑制、探測器雪崩高壓和接收通道噪聲信號的影響。

3.1 視場光闌對雜散光的抑制作用

加入視場光闌的接收光學試驗件組成見圖3，試驗示意圖見圖4。光源采用白熾燈（40W），故光學系統中需加入補償片，視場光闌調校至物鏡組焦平面處。光源距接收光學系統物鏡組第1片透鏡表面15cm，照射接收鏡筒。試驗中通過改變視場光闌孔徑大小，觀察不同孔徑大小的視場光闌對雜散光的抑制能力，試驗數據見表1。

試驗設計值為：物鏡焦距f=157mm，試驗在同一臺激光測距機上分別安裝4mrad，3mrad，2.5mrad視場相對應的視場光闌，視場光闌尺寸根據（2）式可求出孔徑大小分別對應為0.6mm，0.5mm，0.4mm。實驗室內使用同一平行光管測試，視場光闌對雜散光的抑制實驗數據見表1。

根據表1可知：同一接收視場，加視場光闌的光電流比不加視場光闌的光電流小；利用視場光闌對成像范圍的限定特性來減小接收視場，當接收視場由大減小時，則光電流也從大變小，說明進入光電探測器的雜散光光功率減少，故視場光闌能起到限制雜散光的作用。

3.2 視場光闌對探測器雪崩高壓的影響

激光測距機設計了噪聲增益控制電路，即用噪聲信號自動控制調節探測器雪崩偏置高壓，使輸出信噪比最優化。使用同一臺激光測距機對同一漫反射目標、同背景測距，試驗中只改變接收光學，觀察加與不加視場光闌的兩種接收光學對接收探測器雪崩高壓的影響。試驗先后改變背景，測量探測器雪崩高壓的變化。試驗數據見表2。

從表2可知：在相同目標、背景下，加入視場光闌的激光測距機雪崩高壓比不加視場光闌的激光測距機雪崩高壓高很多。由于在相同條件下，探測器雪崩高壓越大，探測靈敏度越高，越有利于提高測距能力。這說明加入視場光闌的接收光學系統對背景噪聲的抑制和探測靈敏度都優于不加視場光闌的接收光學系統。

3.3 視場光闌對背景噪聲的抑制作用

用同一臺激光測距機分別加入2.5mrad視場光闌和不加視場光闌，先后對目標8.5km處煙囪測距，用示波器分別記錄接收通道噪聲波形，如圖5所示（圖中通道2波形中幅度最大的信號為目標8.5km對煙囪的回波信號，其余為噪聲信號）。

從圖5波形可知，同一臺激光測距機不加視場光闌時，接收通道噪聲最大幅度約為1V，而加入視場光闌后噪聲最大幅度僅為0.5V，噪聲幅度降低1倍，說明視場光闌能較好地抑制噪聲，同時接收電路設計時回波閾值也可降低1倍。根據接收靈敏度Pr∝電壓幅度閾值可知，當電壓幅度閾值降低1倍時，Pr也降低1倍。根據（1）式可知，當其它參量不變、而靈敏度提高1倍時，測距距離為原來的1.18倍，即激光測距距離能提高到原來的1.18倍。

4 結 論

根據現有試驗數據，在相同背景、能見度下，對同一目標測距，激光測距機接收系統中加入匹配的視場光闌后，接收通道噪聲得到有效抑制；相對于不加視場光闌的系統，太陽光直接輻射影響更小。因此，可以提高接收靈敏度，增強激光測距機的測距能力。

［1］ YU Y H，WANG W S.Optical design of diffractive refractive hybrid ultraviolet warning systems［J］.Laser Technology，2012，36（3）：421-423（in Chinese）.

［2］ WEI G H.The application of laser technology in the weapons［M］.Beijing：Weapon Industry Press，1995：45-46（in Chinese）.

［3］ MA H Z.Laser active detection technology［M］.Xi'an：Xidian University Press，2002：6（in Chinese）.

［4］ XIONG H F.Laser ladar［M］.Beijing：Aerospace Press，1994：161（in Chinese）.

［5］ HU Y X，AN L S.Applied optics［M］.Hefei：University of Science and Technology of China Press，2006：103（in Chinese）.

［6］ SHI S X，ZHANG H X.Physical optics and applied optics［M］.Xi'an：Xidian University Press，2006：330-379（in Chinese）.

［7］ HU J S.Introduction to optical engineering［M］.Dalian：Dalian University of Technology Press，2005：130-137（in Chinese）.

［8］ XIAO Z X.Optical design engineering［M］.Beijing：Electronic Industry Press，2008：172-174（in Chinese）.

Design and study about field diaphragm of receiving optical system in a laser rangefinder

WANG Gang
（Navy's Representative Agency Positioned in China Electronics Technology Group Corporation 20 Institute，Xi'an 710000，China）

To improve the suppression capability of the background stray light and the small-target detection capability of a laser rangefinder，a field diaphragm matching with the field was added in the receiving optical system of the laser rangefinder.Good results were obtained by the theoretical analysis and the experimental verification.The results show that the field diaphragm has better effect on the stray light suppression，the noise reduction and the detection sensitivity improvement.The ability of laser rangefinder with the field diaphragm was improved to about 1.18 times than that without the field diaphragm.The new laser rangefinder has better ranging capability than before.

laser technique；laser rangefinder；field diaphragm；ranging ability

TN247

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2014.05.015

1001-3806（2014）05-0647-04

王 剛（1977-），男，碩士，主要從事光學工程方面的研究。

E-mail：289038404@qq.com

2013-09-06；

2013-11-25