光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”目標(biāo)回波特征研究

李旭東,王立平,米建軍,李雙全

(1.西安應(yīng)用光學(xué)研究所,陜西 西安 710065；2.32381部隊(duì),北京 100072)

1 引 言

現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中,大量的光電偵察、瞄準(zhǔn)、火控、制導(dǎo)儀器等光電成像系統(tǒng)裝備得到普遍應(yīng)用,光電對(duì)抗也逐漸提上日程。借助光學(xué)、光電觀瞄裝置對(duì)照明激光的光路可逆原理(貓眼效應(yīng)),采取相應(yīng)的激光主動(dòng)探測(cè)方式,在復(fù)雜背景中找出敵方隱蔽偵察的觀瞄裝置成為光電對(duì)抗的研究重點(diǎn)[1-5]。

自發(fā)現(xiàn)“貓眼效應(yīng)”開(kāi)始,大量專家學(xué)者對(duì)基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)偵察技術(shù)、迎面觀瞄光電成像系統(tǒng)的“貓眼效應(yīng)”原理、光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”影響因素及模擬“貓眼效應(yīng)”的方法等進(jìn)行了詳盡研究[6-16]。發(fā)現(xiàn)評(píng)價(jià)迎面觀瞄光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”的主要參數(shù)是反光指數(shù),是迎面觀察光電成像系統(tǒng)的內(nèi)部固有特性,主要由光電傳感器封裝結(jié)構(gòu)形式及材料反射率、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及光電系統(tǒng)裝調(diào)產(chǎn)生,實(shí)質(zhì)上的表現(xiàn)是激光主動(dòng)探測(cè)波長(zhǎng)與被探測(cè)光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”之間的關(guān)系,但卻很少有作者對(duì)其進(jìn)行研究。

2 光電傳感器焦距調(diào)校基本原理

可見(jiàn)光光電成像傳感器焦距調(diào)校通常在平行光管上進(jìn)行,如圖1(a)所示,照明光源位于平行光管焦點(diǎn)上,透射式靶標(biāo)位于平行光管焦面上,靶標(biāo)經(jīng)凹面鏡反射后形成無(wú)窮遠(yuǎn)處的靶標(biāo)圖像。待調(diào)光電成像傳感器位于平行光管焦點(diǎn)處,通過(guò)調(diào)節(jié)光電成像傳感器光學(xué)元件之間的間隔,將無(wú)窮遠(yuǎn)處的靶標(biāo)圖像清晰聚焦在傳感器焦平面上,其目標(biāo)及背景反射的光子信號(hào)經(jīng)過(guò)傳感器光電轉(zhuǎn)換,再經(jīng)過(guò)顯示器的電光轉(zhuǎn)換,形成清晰的圖像供人眼觀察。

圖1 光電成像系統(tǒng)與激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)焦距調(diào)校原理圖Fig.1 Schematic diagram of focal length adjustment of photoelectric imaging system and laser active detection system

激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接收組件焦距調(diào)校原理如圖1(b)所示,由于激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接收組件為裝有帶寬不大于20 nm的窄帶濾光片元件,其焦距調(diào)校時(shí),為保證接收組件對(duì)目標(biāo)及背景的清晰成像,必須將可見(jiàn)光光源更換為包含近紅外波段(800～910 nm)光源或發(fā)光強(qiáng)度更高的光源,或激光主動(dòng)照明光源作為照明光源,然后按可見(jiàn)光光電成像傳感器的焦距調(diào)校方式,對(duì)激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)接收組件進(jìn)行焦距調(diào)校。

兩種光電傳感器焦距調(diào)校方式的不同,會(huì)造成激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)光電成像傳感器進(jìn)行探測(cè)時(shí),在光電成像傳感器上形成一定的離焦,會(huì)造成理論計(jì)算距離與實(shí)際探測(cè)距離之間存在較大差異,兩者之間的差異關(guān)系亟待研究。

3 基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測(cè)數(shù)學(xué)模型建立

3.1 與入射波長(zhǎng)相關(guān)的反光指數(shù)模型建立

可見(jiàn)光光電傳感器按照成像效果可分為黑白傳感器與彩色傳感器兩種,其窗口都為玻璃或彩色濾光片,可見(jiàn)光傳感器光學(xué)系統(tǒng)多為多片球面鏡或非球面鏡耦合組成,對(duì)不同波長(zhǎng)入射光會(huì)存在不同程度色散；當(dāng)經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦后的入射光與光電傳感器窗口不垂直時(shí),對(duì)不同波長(zhǎng)入射光也會(huì)存在不同程度的色散,且彩色傳感器色散更為嚴(yán)重；光電系統(tǒng)裝調(diào)時(shí),由于光學(xué)元件裝配的不平行對(duì)入射光也會(huì)帶來(lái)一定程度的色散等。色散外在表現(xiàn)形式為:對(duì)有激光照明時(shí),目標(biāo)及背景的回波信號(hào)存在一定的離焦,因此,其光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”特征會(huì)大大減弱,有必要對(duì)其目標(biāo)回波特征進(jìn)行研究,建立迎面觀察光電裝置反光指數(shù)模型,其數(shù)學(xué)模型[17]修正后如下式所示:

(1)

式中,τ為接收組件光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率;ρ為焦面上探測(cè)器元件的反射率或保護(hù)窗口的反射率;DCB為被探測(cè)組件(迎面觀瞄光電傳感器)圓形通光孔徑直徑;λ為入射激光波長(zhǎng)。從式(1)中可知,一旦光電傳感器選定且光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及裝調(diào)完成,其被探測(cè)目標(biāo)“貓眼效應(yīng)”特征就嚴(yán)格與入射激光波長(zhǎng)相關(guān)。

可見(jiàn)光光電成像系統(tǒng)焦面調(diào)校通常在平行光管上進(jìn)行,校準(zhǔn)光源通常為可見(jiàn)光光源,其波長(zhǎng)范圍集中在380～760 nm,能量峰值集中在500～600 nm之間,這里為計(jì)算簡(jiǎn)便,假定光源中心波長(zhǎng)及傳感器響應(yīng)峰值波長(zhǎng)為550 nm,而激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)為減小暴露,通常應(yīng)用800～910 nm近紅外某個(gè)波段激光作為照明光源,光軸校準(zhǔn)時(shí)通常將光源替換為近紅外光源,波長(zhǎng)中心范圍控制在760～950 nm之間,因此,對(duì)于可見(jiàn)光光電傳感器的探測(cè),就必須對(duì)文獻(xiàn)[17]建立的探測(cè)距離模型進(jìn)行修正。

3.2 與入射波長(zhǎng)相關(guān)的探測(cè)距離模型建立

將公式(1)代入文獻(xiàn)[17]中的探測(cè)距離數(shù)學(xué)模型,修正后,其表達(dá)式如下式所示:

(2)

式中,l為激光主動(dòng)探測(cè)模塊最小探測(cè)距離;B為激光發(fā)射組件光束整形系統(tǒng)脈沖功率損耗率;P為激光器的單脈沖功率;ρ為焦面上探測(cè)器元件的反射率;Dd為激光探測(cè)組件通光孔徑直徑;DCB為被探測(cè)組件(迎面觀瞄光電傳感器)圓形通光孔徑直徑;τa為大氣透過(guò)率;τ為被探測(cè)組件光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率;t為探測(cè)組件探測(cè)器設(shè)定積分時(shí)間;N為接收組件探測(cè)器對(duì)應(yīng)激光探測(cè)波段的相對(duì)光譜響應(yīng)度;C為探測(cè)組件探測(cè)器靈敏度;θh為照射源組件水平方向上光束束散角;θv為照射源組件垂直方向上光束束散角;Vs為探測(cè)組件探測(cè)器輸出飽和電壓;Sp為探測(cè)組件探測(cè)器像元面積;K為探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍;λ為探測(cè)光電組件照明激光波長(zhǎng)。

4 數(shù)值模擬

4.1 反光指數(shù)與照明激光波長(zhǎng)數(shù)值關(guān)系模擬

根據(jù)公式(1),選用某型光電成像裝置為探測(cè)目標(biāo),其迎面觀瞄光電裝置反射靶面反射率ρ為0.02,被探測(cè)光電成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)可見(jiàn)光光學(xué)透過(guò)率95 %,近紅外波段光學(xué)透過(guò)率90 %,被探測(cè)光電成像系統(tǒng)通光孔徑直徑DCB取50 mm,則迎面觀瞄光電裝置反光指數(shù)與照明激光波長(zhǎng)間的數(shù)值模擬曲線如圖2所示。

圖2 反光指數(shù)與照明激光波長(zhǎng)關(guān)系曲線Fig.2 Relation curve between reflectance index and illuminating laser wavelength

從圖2中可看出,隨激光主動(dòng)探測(cè)光源組件照明波長(zhǎng)增加,其反光指數(shù)逐漸降低,即被探測(cè)光電成像系統(tǒng)表現(xiàn)出的“貓眼效應(yīng)”特征逐步減弱,因此激光主動(dòng)探測(cè)裝置選用照明激光波段時(shí)必須在照明激光紅曝和探測(cè)距離之間做折中選擇。

4.2 最大探測(cè)距離與照明激光波長(zhǎng)數(shù)值關(guān)系模擬

根據(jù)公式(2),選用LDH-808-1000-BQ205型激光器作為照明光源,經(jīng)光束整形后,其光束整形系統(tǒng)脈沖功率損耗率B=0.3,激光器的單脈沖功率P=1000 W,照射源水平方向發(fā)散角θh=8°,照射源垂直方向發(fā)散角θv=5.5°,光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率τo=0.9的激光發(fā)射組件；選用WHG1024型CMOS光電探測(cè)器作為接收組件,其在0.8 μm波段激光探測(cè)波段,探測(cè)器的相對(duì)光譜響應(yīng)度N=0.3,光譜靈敏度C=2.74×104V·m2·W-1·s-1,飽和電壓Vs=3 V,像元面積Ss=9 μm×9 μm=0.81×10-10m2,動(dòng)態(tài)范圍K=0.5,且探測(cè)器積分時(shí)間設(shè)定為t=1×10-3s；接收組件光學(xué)系統(tǒng)通光孔徑Dd=30 mm。

選用某型光電成像裝置為探測(cè)目標(biāo),其通光孔徑DCB=50×10-3m,大氣透過(guò)率τa=0.8,迎面觀瞄光電裝置反射靶面反射率ρ=0.02,最大探測(cè)距離與探測(cè)激光波長(zhǎng)間的數(shù)值模擬曲線如圖3所示。

圖3 最大探測(cè)距離與探測(cè)激光波長(zhǎng)數(shù)值模擬曲線Fig.3 Numerical simulation curve of maximum detection distance and detection laser wavelength

從圖3中可看出,隨激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)照明激光逐漸紅移,其對(duì)應(yīng)面觀瞄光電傳感器的最大探測(cè)距離逐漸變小,與4.1節(jié)得出結(jié)論一致,探測(cè)激光波長(zhǎng)仍是最大探測(cè)距離的重要影響因素。

5 實(shí) 驗(yàn)

鑒于該類型變波長(zhǎng)照明激光光源組件難于研制,且必須研制與照明激光光源波長(zhǎng)相對(duì)應(yīng)的接收組件,難于采用正向方法驗(yàn)證建立數(shù)學(xué)模型的正確性,因此,選擇滿足4.2節(jié)條件的激光發(fā)射組件和激光接收組件組裝為如圖4所示的基于“貓眼效應(yīng)”的激光主動(dòng)探測(cè)裝置,選擇有效通光孔徑50 mm,光學(xué)系統(tǒng)焦距可調(diào)的如圖4所示的被探測(cè)光電成像系統(tǒng),采用逆向方法驗(yàn)證建立數(shù)學(xué)模型的正確性,即首先在可見(jiàn)光條件下對(duì)無(wú)窮遠(yuǎn)目標(biāo)將被探測(cè)光電成像系統(tǒng)調(diào)至圖像清晰,記錄激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)的最大探測(cè)距離,然后將被探測(cè)光電成像系統(tǒng)逐漸遠(yuǎn)離激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng),并將被探測(cè)光電成像系統(tǒng)逐漸離焦,記錄被探測(cè)光電成像系統(tǒng)離焦后,激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)對(duì)迎面觀瞄光電傳感器的最大探測(cè)距離,實(shí)驗(yàn)條件如表1所示,最大探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表1 實(shí)驗(yàn)條件Tab.1 Testing condition

圖4 激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)與被探測(cè)光電成像系統(tǒng)Fig.4 Laser active detection system and detected photoelectric imaging system

表2 離焦前后最大探測(cè)距離實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.2 Testing result of the maximal detecting range

6 結(jié) 論

通過(guò)可見(jiàn)光光電成像傳感器“貓眼效應(yīng)”影響因素,及兩種光電傳感器焦距調(diào)校方法異同分析,建立了與入射波長(zhǎng)相關(guān)的最大探測(cè)距離數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了相應(yīng)數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,發(fā)現(xiàn)照明激光波長(zhǎng)與被探測(cè)光電成像系統(tǒng)“貓眼效應(yīng)”密切相關(guān),隨照明波長(zhǎng)逐漸紅移,其激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)最大探測(cè)距離逐漸下降,隨被探測(cè)光電成像探測(cè)系統(tǒng)焦距逐漸變虛,當(dāng)能對(duì)照明激光波段精確聚焦時(shí),激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)最大探測(cè)距離反而會(huì)達(dá)到最大。建議:(1)激光主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)照明激光波長(zhǎng)在810 nm附近選取；(2)針對(duì)可見(jiàn)光光電成像傳感器“貓眼效應(yīng)”對(duì)主動(dòng)照明激光波長(zhǎng)的不確定性,靶場(chǎng)最大探測(cè)距離定量試驗(yàn)時(shí),選用目標(biāo)特性較為穩(wěn)定的角反射器作為最大探測(cè)距離驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)器。