近紅外激光主動夜視照明系統總體設計的方法

艾 磊

(陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室，安徽 合肥 230031)

引言

激光主動成像技術的激光主要在近紅外波段，具有成像距離遠，成像清晰，可以抑制背景干擾，識別目標及要害，并且還可以測距等特點，可作為被動成像的有益補充，因而受到國內外各個政府和軍隊的高度重視，其中激光距離選通技術更是研究的熱點[1-7]。眾所周知，對于激光主動成像系統而言，激光照明系統的性能指標，對整個系統設計至關重要，這將直接影響主動夜視系統的成像效果和成像距離。目前，激光器發展迅速，光學元器件的制造工藝也越來越先進精密，這極大地推動了主動夜視系統的發展。目前，人們主要研究了大氣的傳輸效應對光源的影響[8]，激光器發射功率的計算以及近紅外距離選通作用距離模型[9-13]，激光器的光斑整形、均勻化以及光纖耦合方法[14，15]，大功率半導體激光的驅動電路設計[16-19]，紅外LED光源的照明系統[20]，而很少提及激光照明系統總體設計的方法。因此，本文提出了近紅外激光照明系統總體設計的方法，這對實際主動夜視系統的照明系統設計具有一定的參考價值。

1 大氣的傳輸效應對光源的影響

由于大氣中存在各種氣體和微粒，將對激光產生吸收和散射，因此造成激光能量損失，導致探測器接收信號減弱，這就是所謂的大氣衰減[21，22]。激光大氣衰減的主要因素有大氣分子的吸收和散射，以及大氣氣溶膠的吸收和散射。 根據文獻[23]，在近紅外波段，激光傳輸衰減主要包括大氣分子吸收和瑞利散射，大氣氣溶膠的米氏散射，其具體原因就不再贅述。

我們將激光透過率較高的波段稱為“大氣窗口”，激光照明使用的激光器通常使用近紅外半導體激光器，其波段也都在窗口之內，波長有808、830、850、915、940 nm和980 nm等，其中808 nm半導體激光器工藝最成熟，使用也做廣泛，一個主要原因是普通CCD/CMOS圖像傳感器在近紅外波段量子效率隨著波長的延伸逐步降低，所以為了獲得最好的照明效果，通常選用808 nm半導體激光器。

由于大氣分子直徑遠小于激光波長的粒子，激光還會發生瑞利散射，瑞利散射系數的經驗公式為

(1)

式中σm為瑞利系數；N為單位體積中的分子數；A為分子的散射截面；λ為光波波長。由此可知瑞利散射系數與分子密度成正比，與波長的四次方成反比。波長越長，散射越弱；波長越短，散射越強烈。因此應該選擇A很小激光器，這樣瑞利散射的衰減可以忽略不計。

大氣氣溶膠衰減一般用大氣能見度來估算。大氣能見度定義為：在白日水平天空背景下，對于0.55 μm的光，可分辨足夠大的絕對黑體的最遠視程。氣溶膠的衰減系數為

(2)

式中V為大氣能見度；λ為激光波長；q為與波長和能見度密切相關的常數。

對于近紅外光有：

晴朗的天氣下，取V=15 km，q=1.3。對于808 nm激光，可由式(2)求得氣溶膠衰減系數為

2 總體設計方法

激光照明系統主要包括半導體激光器、恒流激光驅動、光束整形及光斑調節光學鏡頭組成。其工作過程主要是由恒流激光驅動電路控制驅動近紅外半導體激光器發出近紅外波段的激光，再由光束整形、光斑調節光學鏡頭調整激光束的發散角以及形狀，使其成圓形或者方形輸出。

針對激光照明系統的各個組成部分，本文通過查閱收集資料，提出了激光照明系統的總體設計方法，實踐證明將該方法用于激光主動照明系統設計效果顯著，對成像的清晰度 和距離有一定提高。

2.1 近紅外激光器

近紅外激光器設計主要包括近紅外激光波長選擇，作用距離方程的研究，激光功率的計算。

1)激光的波長。在夜間，為了避免可見光的暴露，選擇的激光波長最好大于0.76 μm，還需要考慮激光在大氣中的傳輸特性，普通圖像傳感器在近紅外區域量子效率隨著波長的延伸逐步降低。同時為了使激光功率與探測距離達到最優配置，提高整個系統的性價比，盡可能使用激光波長處于“大氣窗口”中。

2)激光作用距離方程。根據文獻[12,24]的詳細推導，激光照明的作用距離和激光功率的關系方程可表示為

(3)

式(3)稱為使反射率為ρ的朗伯體成像所需的最小激光發射功率，也稱為激光的平均功率。其中Ed為攝像機光電陰極平均照度的靈敏度閾值；Sg為光電陰極面積；K為光源的光視效能；D為接收系統鏡頭直徑，Ω為接收視場；θ為發射視場；ε為光源發射系統透過率，τ為接收系統光學透過率；μ為大氣消光系數，R為成像距離；τa=exp(-2μR)為大氣透過率。

假設激光脈沖的占空比為a，激光峰值功率Pc，電源調制效率為η，則P=Pcaη，故

(4)

式(4)中η取決于調制電壓的質量和調制頻率，根據文獻[25]中提到的一種電壓調制方法，當調制頻率在(25 ～100) kHz，η取0.8～0.2。式(4)充分闡明了及激光功率和攝像機參數，以及成像距離和視場之間的關系。

3)激光功率計算。根據式(4)可知，激光的峰值功率涉及到相機的有兩個參數：Ed為光電陰極平均照度的靈敏度閾值；Sg為光電陰極面積。對于大多數商業化的CCD和CMOS相機而言，尺寸型號已經標準化了，常見的CCD大小為1/4″,1/3″,1/2″和1″, 對應的尺寸見表1。

表1 常見CCD型號及尺寸

計算中采用最常見的CCD型號1/2″和1/3″，普通紅外相機的光電陰極平均照度的靈敏度閾值Ed約為10-2～10-3lx，微光夜視產品可以通過前段耦合像增強器可以達到10-6～10-7lx，但平均照度的靈敏度閾值Ed越低，其所對應的相機價格越昂貴。所以在高性價比的原則下，我們可以固定其他參數，可以得到激光峰值功率Pc與成像距離之間的關系，根據文獻[24，25]，我們取參數如下：激光光視效能K=20；電源調制效率η=30%；激光脈沖占空比a=0.2(當Dview=L/2時，其中L是成像距離，Dview是景深)；發射系統光學透過率ε=0.8；接收系統光學透過率τ=0.8；接收望遠鏡直徑D=0.1 m；大氣衰減系數μ=0.000 05；目標漫反射ρ=0.1。

假設系統光學發射和接收系統均可變焦，則發射角、接收角和視場相關。以觀察一輛汽車為例，假設保持視場(8×8) m2不變，則接收角Ω=8/R，則激光照射范圍應略大于接收視場，故取發射角θ=9/R。

由表2知，在光電陰極面積Sg=17.28×10-6m2，普通相機光電陰極平均照度的靈敏度閾值Ed大于10-4lx的條件下，固定其他參數值，若需觀察2 000 m的目標，則需激光器的峰值功率大于50 W。經過市場調研，可知單管半導體激光器功率一般有<5、5、10和>10 W遠距離照明時，通常有單管組合成多管激光器模組，組成不同功率的激光器，如15、20、30和60 W等，市面上出售的最大可達200～300 W。激光功率的選擇，跟夜視距離的平方成正比，跟所選鏡頭F數的平方成正比，跟攝像機的靈敏度閾值成正比。

表2 Ed，Pc和R之間的關系(Sg=17.28×10-6 m2)

2.2 恒流激光驅動

激光器驅動的關鍵在于高頻、大電流和瞬時保護，半導體激光器特點是耐壓低，內阻小，因此，注入電流的穩定性，對激光器驅動有直接影響，激光器需要紋波小，少毛刺恒穩流的驅動電路。

恒流源系統組成如圖1所示，整體設計方案采用深度負反饋控制原理，對驅動電流進行直接的有效控制，由此獲得最低的電流偏差和最高的激光器輸出穩定性。

圖1 恒流驅動系統方框圖Fig.1 Block diagram of constant current drive system

整個恒流源主要由電壓基準電路、電壓電流轉換電路、保護電路、末級電路和顯示電路組成[26]。在設計中，為了解決脈沖電流穩定性和脈沖上升沿電壓沖擊問題，增加了對電流的負反饋控制，這樣就可在驅動負載時穩定電流，也可以快速抑制電流脈沖上升沿時電壓的沖擊，電流的負反饋電路采用電阻串聯的方式取樣負載電流，降低取樣電阻的消耗。同時為了滿足電壓基準的要求，可以增加一級放大電路進行放大，放大器可以采用軌型運放控制，這樣就可以調節放大倍數實現對脈沖電流的調節。

2.3 光束整形

半導體激光器的不足之處在于其出光發散角大，成橢圓形高斯光束，光束質量差，不能用于直接照明。為了在遠距離較好的獲得較高的光束質量，就需要對激光光束進行整形設計。激光束壓縮透鏡主要用于將激光光束發散角進行壓縮，在一般距離上觀察時為了在不同距離上都能正常觀察目標，通常采用變倍鏡頭，對近距離的目標，將光束發散角變大，這樣照明范圍大，光強度變弱，成像部分不會因為光強度大而飽和；對于遠距離的目標，讓將光束發散角變小，這樣照明范圍小，光強度變強，成像部分不會因為遠距離衰減，從而增大觀察距離。激光光束整形是在已經設計定型的半導體激光器上進行的，主要有3種技術方案：以半導體激光器準連續堆疊陣列為基礎，采用宏透鏡進行光束整形；以光纖耦合輸出半導體激光器為基礎，采用宏透鏡進行整形；采用微透鏡對半導體激光器進行整形。

圖2是采用宏透鏡對光纖耦合(耦合方式如圖3所示)輸出后的激光光束進行整形，主要利用了一組光束整形鏡頭對光束進行了壓縮，最后按照設計的發散角輸出。

圖2 光束整形鏡頭Fig.2 Beam shaping lens

圖3 光纖耦合方式Fig.3 Fiber coupling mode

3 試驗結果

根據以上近紅外激光主動夜視總體設計技術，我們設計了一套激光照明系統。采用光纖耦合了4個波長為808 nm的半導體激光器，設計了大功率恒源流激光脈沖驅動電路以及光束整形光學系統，并進行了照明成像試驗，試驗結果如圖4所示，整形后的遠場光斑如圖5所示。

圖4 夜間照明試驗Fig.4 Night lighting test

圖5 光纖耦合及宏透鏡整形后遠場光斑Fig.5 Fiber coupling and far field facula after macro lens shaping

4 結束語

筆者對近紅外激光主動夜視照明系統總體設計進行了研究，對涉及到的關鍵技術進行了介紹和研究，具有一定的參考價值。試驗表明，運用本文研究的技術方法可有效建立一套激光照明系統，且激光照明光斑均勻，光束質量高，可以在夜間實現對遠距離目標清晰成像。