高速飛行器紅外/激光復合凝視成像設計與約束條件分析

王海偉

(1.中國科學院上海技術物理研究所 空間主動光電技術實驗室， 上海 200083;2.中國科學院大學， 北京 100049)

0 引言

紅外探測體制為傳統光學探測體制，在各類平臺中都有廣泛的應用。紅外探測體制具有高靈敏度、高空間分辨率和作用距離遠等優點，同時隱蔽性好適于復雜場景下的應用。激光探測技術由于具有較高距離、角度和速度分辨率，能同時獲取目標距離與強度等圖像，以及強抗干擾性等特點，已廣泛應用于森林調查、地貌測繪、武器制導等領域的圖像繪制與目標識別[1]。

采用紅外與激光雷達復合成像的方式系統可靠性和目標檢測概率相對單模工作得到有效提升。針對高速飛行器應用，激光雷達與紅外被動探測采用復合集成式設計，功耗和體積得以消減，同時作用距離延長，全天候使用條件得到擴展。紅外成像探測獲得場景紅外輻射灰度像，主動激光雷達探測信息受環境影響小，可以獲得三維點云距離圖像和回波強度像[2-3]。

圖1中上圖為Raytheon公布的針對相同的掩體目標利用激光雷達、紅外成像儀以及毫米波雷達所成的圖像。通過對比可以發現，毫米波雷達難以獲取目標的形貌全面信息。而激光雷達圖像能夠清晰表達目標的外形特征。在結合紅外圖像提供的目標溫度特征就可以大大增加目標識別的概率。圖1表示了激光雷達圖像與地物灰度圖像多模式圖像融合的效果。

從圖像融合的角度，紅外前視凝視成像探測與激光雷達復合，同時獲目標區域的紅外/激光多維圖像，可以同時描繪目標場景溫度分布、反射率特性以及三維精細形貌特征。多種圖像相融合可以多維度表達復雜背景下特定軍事目標的特征，通過多樣特征對目標進行匹配識別，可以大大增加系統可靠性，提高目標識別概率，降低虛警概率[4]。

1 紅外/激光復合成像系統工作體制選擇

對于超音速飛機、高速導彈等高速飛行器，飛行馬赫數達到1～10，在對地目標末制導應用中，需要完成針對地面復雜場景下目標快速捕獲、識別與跟蹤。為避免掃描成像系統因平臺運動引起的圖像模糊和畸變問題，紅外和激光成像系統采用非掃描凝視成像工作體制是最佳選擇。

熱紅外成像與一般的可見光、近紅外不同，它記錄的是目標自身的紅外輻射，通過目標與背景間的熱輻射差異來識別目標，因而具有識別特定輻射特性目標的能力。如能發現隱藏在樹林和草叢中的人員和車輛；探測出偽裝或誘餌環境下的軍事目標；識別復雜場景下的特定工業設施。同時長波穿透能力較中波更強，對于煙、霧的極限條件，長波紅外也具有更好的適應性，所以紅外凝視成像系統適于選用長波紅外焦平面陣列探測器(8 μm～14 μm)。

紅外探測器是決定紅外凝視成像系統技術性能指標的關鍵所在。目前，國際上長波紅外焦平面陣列朝著多波段、高靈敏度和大面陣等方向發展，國內近年來在這方面已經取得了較大的進步，目前圖像規模達到640×512的制冷型高性能長波紅外焦平面探測器已經開始廣泛使用。

以規模為640×512面陣長波器件進行分析，根據經典Johnson判則[5]，為準確識別目標，目標周數要求大于3.5，即覆蓋像素數達到7，如圖2所示。

計算式為

(1)

式中：D為目標截面尺寸；R為工作距離；φ為瞬時視場。以建筑、橋梁等典型地物目標為例,目標尺度以7 m量級分析。因高速平臺的輕小型化要求，以紅外成像系統望遠鏡口徑為120 mm計算，為滿足衍射極限要求，瞬時視場不低于0.2 mrad，由此計算紅外系統最遠工作距離約5 km，全視場約7.3°×5.8°。

根據典型紅外系統噪聲等效溫差(NETD)計算方法，基于以上條件，以目標背景溫度區分度為2 K考慮，應用制冷型高性能長波焦平面器件，系統NETD不超過50 mK。信噪比計算式為

(2)

式中：?為衰減系數，典型值選取0.25/km。依據以上作用距離評估模型[5]，為滿足熱紅外信號信噪比大于10，估算出熱紅外成像系統作用距離不超過5.5 km，綜合考慮目標識別空間分辨的分析結果，熱紅外成像系統作用距離設計為5 km。

凝視成像激光雷達中大面陣APD陣列探測器為核心部件, 從體制上分為線性APD和蓋革模式APD兩類。以普林斯頓大學、雷聲公司和ASC公司為代表，國外在2000年之后就紛紛開展大面陣APD陣列探測器的研制，已經研制成功規模達到256×256面陣的探測器[6]。國內相關單位也積極開展類似研究并取得了一定的進展。

針對面目標的激光雷達方程為

(3)

基于高速飛行器平臺的激光雷達設計難點集中于探測器規模過小和激光器能量需求較大兩方面。應用256×256焦平面探測器，以作用距離5 km、瞬時視場兩倍于紅外瞬時視場、目標反射率0.1、光學收發效率0.5、大氣單程衰減0.6作為工作條件，按照最小回波信號為1×10-7W計算，得出激光器單脈沖能量需求超出1 J(激光脈寬2 ns)，顯然這是輕小型平臺無法承受的。

相比于線性體制，蓋革模式APD陣列探測器則具有以下優點：a)各像元一致性高，增益一致性好，各象元間的噪聲差異不大；b)高靈敏度，理論上單光子即可觸發GmAPD工作；c)高重頻，圖像刷新率可以達到千幀量級。

綜合以上考慮,蓋革模式APD陣列探測器更適合于高速飛行器平臺應用。激光雷達全視場達到6°×6°左右，與紅外全視場接近，有利于后期雙模圖像融合處理。同樣為滿足Johnson判據，要求系統作用距離不超過2.5 km。而以蓋革APD量子效率0.2、以及以4個光電子數為接收回波閾值[7]，計算得出激光器單脈沖能量需求不超過10 mJ，此量級激光器更容易實現小型化。

在激光雷達系統中可通過空間濾波抑制背景光(加超窄帶濾光片)和時間濾波(多幀累積相關濾波)濾除隨機光子事件[8]，為了進一步抑制背景光干擾，激光器工作波長可選擇背景輻射水平遠低于可見光波段的1 550 nm工作波長。本方案能夠實現高幀頻、遠距離、高分辨率等需要，同時也降低了激光器以及光機系統的設計壓力。

結合紅外和激光雷達凝視成像系統的各自特點，在高速飛行器末制導對地尋的應用中，紅外/激光復合凝視成像系統工作過程可以規劃為：遠界時紅外凝視成像系統開機進入紅外成像階段，近界時激光雷達開機，進入紅外/激光復合成像階段，獲取目標多維融合精細圖像，實現精確制導。

2 紅外/激光復合成像探測系統設計

為實現高速飛行器平臺應用，紅外/激光復合探測系統設計需要重點解決:

a) 合理利用平臺約束空間，實現最優化、小型化、緊湊型設計；

b) 光機系統高可靠性設計，抗力學環境設計；

c) 根據背景需求，合理設計二維轉動機構；

d) 在上述基礎上實現輕量化、低功耗設計。

圖3(a)為一種紅外/激光復合成像系統望遠鏡共口徑接收方案，紅外/激光采用共卡式望遠鏡接收，紅外和激光在望遠鏡后光路分光，分別被紅外探測組件和激光探測組件接收，圖4為該技術方案光學望遠鏡分光示意圖。紅外、激光探測組件和激光器放置于頭部內，激光通過高能光纖中繼，采用擴束鏡旁軸發射。紅外和激光探測器組件輸出原始圖像信息通過電纜與后電子系統相連，完成目標識別和跟蹤等圖像處理和控制工作。

（三）創新小學英語教師的培訓模式。首先，要創新教師培訓方法。《意見》要求各級師范院校、教師進修院校、中小學教研室在當地教育行政部門的規劃和指導下對在職小學教師進行培訓。壯民族地區小學應給予教師成長方面的支持，主動加強與高等院校的聯系，邀請高等院校的教師到本校給予教師專業知識和教學水平方面的支持。

該布局結構緊湊，空間利用率高，可實現大光學口徑設計，同軸反射式望遠鏡單視場最大為3.5°左右，視場略顯不足，但仍能適應部分場合應用。而圖3(b)的構型，熱紅外與激光雷達采取分立視場，僅在結構上復合，設計優點是充分滿足紅外/激光各自設計需求，但在體積重量上有明顯的劣勢。根據不同的實際需求，可以具體選擇何種復合布局形式。

圖3所示為典型紅外/激光探測系統安裝于伺服框架機構上采用共形頭罩，具體設計與應用場景和戰術指標相關。如大氣層內應用中當飛行器馬赫數低于3時可采用球形頭罩，復合探測系統安裝于二維伺服框架上，采取兩軸四框架結構，可在俯仰和偏航方向實現大角度轉動。當飛行器馬赫數高于3時，平臺運動引起的熱效應會降低紅外系統作用距離甚至導致紅外系統無法工作，所以一般采用錐形頭罩設計并開側窗，同時還需考慮窗口制冷措施，此時為考慮輕小型化往往選擇二維伺服鏡的方案，而紅外/激光探測系統安裝于固定結構中，通過反射鏡和伺服鏡構成緊湊的折疊光路，并最終透過側窗進行探測，采用這種方案的伺服角度相對較小，如圖4所示。

受到空間、功耗和散熱等條件的限制，激光器技術也是高速飛行器平臺紅外/激光復合成像系統的關鍵技術。目前比較成熟的大功率激光器技術路線有：

a) 尾纖LD端面泵浦的被動調Q激光器經過復合調制后放大輸出；

b) 采用種子注入光纖放大的全光纖路線；

c) 采用大功率LD側面泵浦的電光調Q激光器；

針對光纖激光器體制，由于其結構緊湊、體積小外形尺寸可以靈活排布、光束質量高、發熱量低等優點以及可以彎曲盤旋在有限的空間內。所以在激光輸出能量要求不高的應用背景下(低于1 mJ)，光纖激光器是優選方案。當能量更高時則需采取多級輸出，且需要采用芯徑80 μm以上的粗光纖，因此整機重量難以降低，此時光纖激光器就沒有優勢了。

采用尾纖LD端面泵浦的被動調Q激光器，需要考慮尾纖LD的結構排布問題，體積難以縮減。如果不希望增加放大級，則必須采用高功率的尾纖LD，轉彎半徑和LD自身的重量增加。

采用VCSEL陣列的方式，可以采用單級振蕩輸出，由于泵浦光斑較大，適于大能量的脈沖輸出。整機結構較緊湊，重量上有優勢。其原理示意圖如圖5所示。

激光器由種子源LD陣列、晶體以及驅動電路等構成。激光輸出后，經激光發射光學完成光學擴束和整形后輸出。

紅外/激光復合成像系統還需要考慮共用窗口頭罩的材料選取問題。紅外探測系統波長屬于長波波段，而激光探測一般采用近紅外短波波長。所以長波和短波光學復合時就要考慮光學材料的透射特性問題，需要選用投射波段較寬的材料。如硒化鋅(ZnSe)材料，具有可見光到24 μm紅外的透明區間。

光學伺服機構、激光器、紅外制冷系統功耗較大，特別是激光器峰值功耗可能高于200 W(大于10 mJ輸出)，需要根據具體飛行器平臺特殊考慮，重點開展激光驅動電路和散熱的優化設計。

高速飛行器對凝視成像提出了高實時性要求，一般要超過20 Fps，長波紅外系統積分時間較短，非掃描激光雷達工作于近界距離，成像時間也較短(≤50 us)，所以紅外/激光探測體制對平臺振動、速度和加速度敏感度不高。

3 紅外/激光復合成像約束條件分析

紅外/激光復合成像系統中紅外系統作為被動探測系統，依賴于目標的輻射特性(目標輻射率和溫度)，目標紅外輻射特性的變化最終會導致系統最終作用距離以及圖像信噪比的變化，關系到目標識別概率，直接影響最終的戰術使用。受天時和季節性因素影響較大。激光探測系統為主動探測體制，因目標激光反射特性不隨時間和季節發生明顯變化，基本不受上述因素的影響。

針對不同的應用背景，需要重點開展紅外目標特性研究。例如攻擊目標為地物目標時，需要重點分析車輛、土壤、巖石和植被等在不同時間段和不同季節內的紅外輻射特性，為紅外系統工作參數選擇提供輸入，留有設計余度以擴展天時適用性，并為將來戰術應用提供依據。

在紅外/激光復合探測成像系統中，大氣對探測影響主要包括大氣分子吸收；大氣中氣溶膠質粒、微粒的散射; 云霧產生的影響；雨產生的衰減。

大氣因素對紅外探測系統與激光探測系統約束性相近。針對大氣效應,被動探測體制只要考慮單程大氣衰減問題，而激光主動探測體制需要研究發射和接收雙程的影響。在一般的條件下(能見度大于9 km)，紅外系統工作距離不超過10 km時大氣衰減趨勢不明顯，超過10 km后大氣衰減加劇[9]。紅外/激光復合系統在能見度良好是受大氣影響較弱。

在特殊天氣條件下，如大霧、霾，能見度較差時，紅外/激光的作用距離會成倍衰減。受雨水的影響就更為嚴重。按照相關文獻的計算方法[10],在能見度降低為2 km的惡劣條件下，紅外/激光復合系統中紅外系統作用距離會衰減到3.5 km以內，而激光雷達受雙程路徑影響衰減會更嚴重會降低到1.6 km以內。而雨天時根據相關文獻給出的計算方法[11]，在小雨天氣時(2.5 mm/h)，紅外系統作用距離會衰減到2 km以內，而激光雷達作用距離會衰減至0.5 km以內，中雨及以上紅外/激光復合系統不能正常工作。

綜合以上天氣條件約束分析，紅外系統作用距離遠，但對天時條件較為敏感、而激光不受天時季節性因素影響，適應性和抗干擾能力強。紅外和激光復合可使得高速飛行器在天氣適用性上得到擴展，作用距離和其他工作參數的也得到優化和提升。而特殊天氣條件下紅外和激光均受到限制，在戰術應用上需要合理考慮。

對于高速飛行器大氣層內應用來說，因飛行器高速飛行引起的氣動光學效應與大氣湍流效應較嚴重，會帶來光學像差等問題。大氣湍流和氣動光學效應主要帶來了圖像失真和光束漂移和擴展等問題，影響的結果為圖像模糊和圖像畸變。由于飛行器空間有限，限制了采取如自適應光學手段解決湍流問題。從設計上最有效的方法是降低器件的積分時間。對于紅外積分器件，積分時間越長湍流的影響會長時累加，所以一般積分越長，圖像模糊，積分時間越短圖像越清晰，還可以通過飛行器氣動結構的設計上來減小影響，如加入氣流分隔板修正控制整彈的湍流場減少光學擾動，這些設計可以改善對圖像影響但不能完全消除[12]。

針對激光探測系統，激光光束漂移和偏差是影響激光探測瞄準精度和圖像質量的關鍵因素。激光光束漂移是指激光經過湍流后光束偏折而引起指向誤差，而光束擴展則降低了光束質量引起能量損失并進一步導致激光成像質量下降。實際設計中，減小激光脈沖寬度可以有效減少該問題。

4 結論

紅外和激光圖像信息的融合可以從目標三維形貌和輻射特性等多維度表達目標特性，適合復雜背景下的導航和目標識別。針對高速飛行器高實時探測需求和嚴格資源約束條件的特殊應用背景，提出了凝視長波紅外焦平面和單光子面陣激光雷達的復合高速成像工作體制。紅外成像系統面陣器件成熟、作用距離遠，從使用流程規劃上先期開機，進入近界時激光雷達開機紅外/激光復合工作。文中給出了紅外/激光光學共口徑以及光學分立結構復合兩種構型結構可以實際應用中參考，也分析了適應輕小型平臺應用的基于VCSEL泵浦大功率激光器的關鍵技術。

最后，惡劣的天氣條件會限制紅外/激光復合系統的應用，主要體現在作用距離衰減和信噪比降低。此外，大氣湍流和氣動效應對紅外/激光復合探測系統造成的影響仍需要進一步的開展研究。

本文對高速飛行器中紅外/激光復合成像探測通用設計方面提供了一些參考，同時對使用約束條件也進行了簡要的分析，但本文并未針對特定應用場景進行針對性分析，仍需結合實際具體情況開展深入分析。同時在復合系統輕小型化設計方面也需要進一步開展工作，才能真正滿足實際需求。