王 剛

（海軍駐中國電子科技集團(tuán)第二十研究所軍代室，西安710000）

激光測距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)視場光闌的設(shè)計研究

王 剛

（海軍駐中國電子科技集團(tuán)第二十研究所軍代室，西安710000）

為了提高激光測距機(jī)對背景雜散光的抑制能力和對漫反射小目標(biāo)的探測能力，采用了在激光測距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)中加入與視場匹配的視場光闌的方法。經(jīng)過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，此種設(shè)計可取得較好的實(shí)驗(yàn)效果。結(jié)果表明，在相同的背景和能見度下，對同一目標(biāo)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(jī)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(shù)；激光測距機(jī)；視場光闌；測距能力

引 言

隨著各國作戰(zhàn)能力的不斷加強(qiáng)，面對日趨嚴(yán)重的地空導(dǎo)彈和空空導(dǎo)彈的威脅［1］，未來反導(dǎo)形勢愈加嚴(yán)峻。在此基礎(chǔ)上提出了我國未來空、地、海一體化的反導(dǎo)體系架構(gòu)設(shè)想，同時對激光測距的高精度、快速、實(shí)時、遠(yuǎn)距離測距技術(shù)的要求也在不斷提高。

從提高激光測距機(jī)的性能來看，提高對目標(biāo)回波的接收靈敏度比提高射向目標(biāo)的激光功率更有效，因?yàn)樘岣呓邮侦`敏度不會增加激光測距機(jī)的體積、質(zhì)量和功耗，而提高發(fā)射功率將使它們大大增加。激光測距機(jī)的小型化、微型化固然與激光技術(shù)的發(fā)展有關(guān)（比如低閾值、被動調(diào)Q技術(shù)等），但起決定性作用的還是接收技術(shù)的迅速發(fā)展，它使系統(tǒng)的接收靈敏度提高了兩個數(shù)量級［2］。接收系統(tǒng)設(shè)計時既要考慮提高對小目標(biāo)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(tǒng)技術(shù)是采用光學(xué)濾光片或依靠調(diào)節(jié)增益來降低背景噪聲，本文中提出在接收光學(xué)系統(tǒng)中加入視場光闌來更好地提高測距能力。

為了實(shí)現(xiàn)對被測距目標(biāo)背景雜散光的有效抑制，提高對小目標(biāo)的測距能力，在激光測距機(jī)接收光學(xué)結(jié)構(gòu)內(nèi)加入視場光闌，通過設(shè)計與接收視場相應(yīng)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(jìn)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(yuǎn)距離小目標(biāo)光信號的提取、提高測距能力有較深遠(yuǎn)意義的影響，屬于提高固體脈沖激光測距機(jī)測距能力的一種有效接收光學(xué)設(shè)計改進(jìn)。

1 探測靈敏度對激光測距能力的影響

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

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

2 接收光學(xué)系統(tǒng)視場光闌的設(shè)計

接收光學(xué)系統(tǒng)的功能是盡可能多地收集目標(biāo)反射的激光能量、抑制雜光背景干擾，保證一定的成像像質(zhì)，完成光學(xué)增益調(diào)節(jié)，滿足探測視場要求［4］。光學(xué)系統(tǒng)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(yīng)的光闌加以限定，這種光闌稱為視場光闌［5］。

2.1 接收光學(xué)系統(tǒng)組成

對非合作目標(biāo)的直接探測系統(tǒng)而言，接收光學(xué)所能收集到的目標(biāo)回波光功率是正比于接收系統(tǒng)的有效接收面積，但任何激光測距機(jī)都有嚴(yán)格的體積、質(zhì)量限制，因此接收系統(tǒng)的有效接收面積不可能很大，于是就出現(xiàn)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(biāo)回波光脈沖功率？所以接收光學(xué)設(shè)計的重要性不言而喻［2］。

加入視場光闌的激光測距機(jī)接收光學(xué)系統(tǒng)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(shè)計

視場光闌設(shè)計的關(guān)鍵因素是參量設(shè)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(guān)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(dāng)接收光學(xué)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(shí)際工程設(shè)計時還要考慮每個課題的應(yīng)用背景、特點(diǎn)、加工能力等其它因素［8］。

2.3 接收光學(xué)系統(tǒng)視場光闌的實(shí)現(xiàn)方式

加入視場光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方式如下：（1）無論對現(xiàn)有設(shè)備改造還是設(shè)計新的接收光學(xué)系統(tǒng)，都需在接收光學(xué)系統(tǒng)物鏡焦面處加入合適視場的視場光闌，并設(shè)計為軸向距離可調(diào)（徑向距離由結(jié)構(gòu)件加工精度直接保證）；（2）軸向調(diào)節(jié)視場光闌時，必須按照設(shè)計要求選取與設(shè)計光源一致的光源照明小孔，并采用無視差瞄準(zhǔn)鏡輔助調(diào)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(diào)校時如不采用設(shè)計要求的光源時，需加入補(bǔ)償片進(jìn)行光路補(bǔ)償，補(bǔ)償片設(shè)計時按照調(diào)校用光源的波長進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計。在調(diào)整過程中，補(bǔ)償片能在接收物鏡的調(diào)校過程中使光焦點(diǎn)移至與設(shè)計波長焦點(diǎn)位置一致處。補(bǔ)償片的材料折射率為n、厚度為t，則加入補(bǔ)償片所引起的焦點(diǎn)位置差L由計算公式L=（n-1）t/n確定。調(diào)校完畢后，即可拿去補(bǔ)償片。

3 視場光闌對激光測距機(jī)的性能影響

為了檢測視場光闌對激光測距機(jī)性能，特別是接收通道信號的影響，專門設(shè)計增加視場光闌的接收光學(xué)試驗(yàn)件，與不加視場光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行專題對比試驗(yàn)。試驗(yàn)中采用同一臺激光測距機(jī)對同一目標(biāo)在相同背景下進(jìn)行測試，檢測兩種接收光學(xué)系統(tǒng)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(xué)試驗(yàn)件組成見圖3，試驗(yàn)示意圖見圖4。光源采用白熾燈（40W），故光學(xué)系統(tǒng)中需加入補(bǔ)償片，視場光闌調(diào)校至物鏡組焦平面處。光源距接收光學(xué)系統(tǒng)物鏡組第1片透鏡表面15cm，照射接收鏡筒。試驗(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

試驗(yàn)設(shè)計值為：物鏡焦距f=157mm，試驗(yàn)在同一臺激光測距機(jī)上分別安裝4mrad，3mrad，2.5mrad視場相對應(yīng)的視場光闌，視場光闌尺寸根據(jù)（2）式可求出孔徑大小分別對應(yīng)為0.6mm，0.5mm，0.4mm。實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用同一平行光管測試，視場光闌對雜散光的抑制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

根據(jù)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??；利用視場光闌對成像范圍的限定特性來減小接收視場，當(dāng)接收視場由大減小時，則光電流也從大變小，說明進(jìn)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(jī)設(shè)計了噪聲增益控制電路，即用噪聲信號自動控制調(diào)節(jié)探測器雪崩偏置高壓，使輸出信噪比最優(yōu)化。使用同一臺激光測距機(jī)對同一漫反射目標(biāo)、同背景測距，試驗(yàn)中只改變接收光學(xué)，觀察加與不加視場光闌的兩種接收光學(xué)對接收探測器雪崩高壓的影響。試驗(yàn)先后改變背景，測量探測器雪崩高壓的變化。試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2。

從表2可知：在相同目標(biāo)、背景下，加入視場光闌的激光測距機(jī)雪崩高壓比不加視場光闌的激光測距機(jī)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(xué)系統(tǒng)對背景噪聲的抑制和探測靈敏度都優(yōu)于不加視場光闌的接收光學(xué)系統(tǒng)。

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(jī)分別加入2.5mrad視場光闌和不加視場光闌，先后對目標(biāo)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(biāo)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(jī)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(shè)計時回波閾值也可降低1倍。根據(jù)接收靈敏度Pr∝電壓幅度閾值可知，當(dāng)電壓幅度閾值降低1倍時，Pr也降低1倍。根據(jù)（1）式可知，當(dāng)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(jié) 論

根據(jù)現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，在相同背景、能見度下，對同一目標(biāo)測距，激光測距機(jī)接收系統(tǒng)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(tǒng)，太陽光直接輻射影響更小。因此，可以提高接收靈敏度，增強(qiáng)激光測距機(jī)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）.

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［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(xué)工程方面的研究。

E-mail：289038404@qq.com

2013-09-06；

2013-11-25