1．06μm脈沖激光對TDI-CCD的干擾實驗研究

李曉龍，趙 威，2，張雷雷，張啟鵬，2，康華超，2，劉 偉

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心，洛陽471003;2.光電對抗測試評估技術重點實驗室，洛陽471003)

引 言

時間延遲積分電荷耦合器件(time delayed and integration charge coupled device，TDI-CCD)是近年發展起來的新型圖像傳感器，相比一般線陣CCD，具有響應度高、動態范圍寬等優點，在探測、識別、照相、遙感和偵察等民用及國防領域發揮了重大作用［1-2］。激光是對抗CCD的有效干擾手段，在激光輻照CCD時，會產生激光致眩效應，導致其圖像傳感性能暫時下降或喪失［3-4］。脈沖激光具有脈沖寬度窄，峰值功率高特點，能夠有效破壞光電成像探測器［5-6］，目前關于脈沖激光對TDI-CCD的致眩效應研究報道較少，因此，發掘脈沖激光對TDI-CCD的干擾現象并深入剖析其機理具有重要研究意義。

本文中開展了1.06μm脈沖激光對TDI-CCD的干擾實驗研究，檢驗了脈沖激光對TDI-CCD的干擾效果，分析了干擾機理，測量了飽和干擾閾值，豐富了激光對TDI-CCD的干擾理論與成果。

1 激光對TDI-CCD的干擾實驗

1．1 實驗系統簡介

本實驗中利用TDI-CCD作為被干擾對象;1.06μm YAG脈沖激光器作為干擾激光源，實施飽和干擾;濾光片用于去除雜散光干擾;分光片把激光按比例一分為二，一部分輻照TDI-CCD，一部分照射激光功率/能量計;衰減片組合用于衰減激光能量;激光功率/能量計用于實時監測激光能量;利用圖像采集系統存儲和分析CCD輸出圖像。實驗框圖如圖1所示。

Fig.1 Experimental layout

主要實驗設備參量如表1所示。

Table 1 Primary parameters of experimental devices

1．2 實驗過程及結果

為減少室外背景光對實驗的影響，在實驗開始前，遮蔽室內窗戶。由于室內大氣環境受室外影響很小，因此，室內大氣湍流和大氣衰減對TDI-CCD成像的影響可以忽略不計。

實驗步驟如下:(1)按照圖1布置實驗設備，設置TDI-CCD與激光器間距7.3m，調整TDI-CCD鏡頭焦距和光圈大小等參量，使其恰能對目標清晰成像;(2)調整光路，使干擾激光與TDI-CCD光學系統鏡頭準直，設置脈沖激光器輸出參量，放置衰減片組，設備開機，逐步減小衰減量，轉臺帶動TDI-CCD對目標區域進行掃描成像，關閉室內燈光，脈沖激光器發射干擾激光對TDI-CCD干擾，激光能量計測量激光平均能量，圖像采集設備采集和存儲圖像;(3)將圖1中的激光信號源改為1.06μm、功率為0.2356W、12.2kHz的高重頻激光，重復步驟(2)。

Fig.2 Typical phenomenon of pulsed laser interference experimenta—single pulse，decrement 38.4dB，aperture 32 b，c—single pulse，decrement 36.1dB，aperture 32 d— pulse repetition rate 10Hz，decrement 32.4dB，aperture 32 e— pulse repetition rate 20Hz，decrement 32.4dB，aperture 32 f—pulse repetition rate 40Hz，decrement 32.4dB，aperture 32

1.06μm脈沖激光輻照TDI-CCD的典型實驗現象如圖2所示。從圖2b開始出現6個飽和像素(灰度值255)，表明在圖2b狀態下，探測器開始進入飽和狀態，此時的能量閾值即為飽和閾值。經實驗測算得到激光平均能量為2.33μJ，光斑面積為1.75×10-3cm2，飽和閾值為1.33mJ/cm2。

1.06μm高重頻激光輻照TDI-CCD的典型實驗現象如圖3所示。

Fig.3 Tgpical phenomenon of high frequency laser interference experimenta—drcrement 32.8dB b—decrement 30.1dB c—decrement 26.8dB d—decrement 17.4dB

2 理論分析

CCD探測器是CCD相機或攝像機的核心器件，以電荷為基本處理信號，具有對信號電荷的產生、收集、傳輸和檢測功能。CCD探測器作為圖像傳感器，其像素有面陣、線陣兩種基本排列方式。TDI-CCD是一種面陣CCD，具有累加積分功能，通過掃描景物輸出圖像。

CCD的品種型號很多，參量各異，但其結構和原理基本相同，都是由光敏區、轉移存儲區和驅動電路組成［7］。激光對CCD飽和干擾后，探測器仍有信號輸出，但會出現功能性退化或暫時失效，信噪比會大大下降。強激光輻照CCD產生的飽和現象是由CCD器件結構決定的［8］。CCD探測器的每個像元可等效為一個電容，CCD像元在受到光照后，能夠形成電子勢阱。由于電子勢阱存儲和處理的最大電子電荷數是一定的，當照射在CCD光敏面上的光強增大到一定程度時，將產生足夠多的光生電荷充滿勢阱，導致CCD像元出現勢阱飽和。而后繼續增大光強，光生電荷將向相鄰的探測單元及傳輸勢阱溢出，形成CCD光飽和串音［9-10］。CCD的飽和閾值表征CCD的抗干擾能力，表現了器件所能承受的破壞能力，是CCD的重要性能指標。脈沖激光對CCD的飽和干擾閾值與CCD勢阱容量、積分時間、激光輻照面積、輻照時間、波長、靶面像素數等因素有關，與重頻無關。

由于脈沖激光的重頻遠低于1kHz，CCD積分時間一般為毫秒量級，相鄰的兩個脈沖間隔遠大于CCD積分時間，即CCD的被干擾時間遠小于脈沖激光輻照時間，因此在脈沖激光連續輻照CCD的過程中，在CCD積分時間內進入探測器并干擾其成像的脈沖個數極少，絕大多數脈沖激光僅作用在探測器表面，而未對后端處理電路產生影響，因而也就不會對相機成像產生干擾。顯然，提高激光重頻，在CCD積分時間內入射到靶面更多的激光脈沖，可對CCD產生累積干擾效應，從而增強干擾效果。

由實驗結果可知，脈沖激光對TDI-CCD的干擾現象與普通CCD是不盡相同的。

單脈沖激光干擾TDI-CCD輸出圖像中的每個干擾條紋的寬度均為32pixel，恰為TDI-CCD的設置積分級數，且對其它成像區域沒有串擾。分析現象原因是TDI-CCD成像過程采用時間延時積分，輸出圖像為各個積分級成像效果的累加，只要任一級達到飽和，該處圖像即達到飽和，寬度為積分級數×像素寬度。實驗中采用的TDI-CCD是由多塊相互獨立的512pixel×32pixel探測器拼接而成，最終所成的圖像也由這多塊探測器分別輸出的圖像拼接而成。其中每塊探測器單獨成像，光電轉換信號不會產生耦合串擾，因此，在其中一塊探測器產生的飽和干擾信號不會影響其余幾塊探測器的成像。

實驗時設置激光器在圖像中的左上區域，但在該區域并未出現干擾條紋。分析現象原因是脈沖激光重頻遠小于TDI-CCD掃描頻率，當相機掃過激光器位置時，激光器總是未發射激光，或是在相機積分時間內，恰好沒有激光進入探測器，因此在圖像中的激光器位置總是沒有干擾條紋。鑒于此，通過提高實驗中使用的脈沖激光的重頻，顯著增加了圖像中的干擾條紋數量(如圖2c～圖2f所示)，而且相鄰干擾條紋間距為3500/f個像素(其中，3500Hz為 TDI-CCD掃描頻率值，f為激光頻率值)。因此，提高脈沖激光重頻，能夠增加干擾條紋數量，增強干擾效果，而且當激光重頻不小于fmax/32kHz時(其中fmax為TDI-CCD的最大設計掃描頻率)，會對TDI-CCD產生全屏干擾，使目標信息完全喪失。顯然，由于脈沖激光重頻遠小于1kHz，因此，采用高重頻激光或連續激光干擾TDI-CCD，能夠實現更理想的干擾效果。如圖3所示，當衰減26.8dB時，圖像中的光斑彌散面積顯著增大，在光斑中心出現了黑點，表明探測器達到了過飽和狀態。高重頻激光相比重頻低的脈沖激光能夠取得更理想的干擾效果。

3 結論

通過開展脈寬為10ns、波長為1.06μm的脈沖激光輻照 TDI-CCD的干擾實驗研究，測得當閾值為1.33mJ/cm2時，TDI-CCD達到像元飽和。分析實驗現象表明，由于TDI-CCD與普通CCD成像機制不同，脈沖激光對二者的干擾效果也不盡相同。重頻較低的脈沖激光對TDI-CCD的干擾效果有限，使用高重頻激光實施干擾可顯著提高干擾效果。

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