劉　韜，胡　玥，董　健，申軍立

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033)

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激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉韜*，胡玥，董健，申軍立

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春130033)

為提高跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)暗弱目標(biāo)的探測(cè)能力，設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)，對(duì)跟蹤測(cè)量視場(chǎng)范圍進(jìn)行主動(dòng)輔助照明。該系統(tǒng)在0.2～5 km距離處的照明直徑均為10 m，計(jì)算出其在-20 ℃及+45 ℃的溫度調(diào)焦量，照明仿真結(jié)果表明系統(tǒng)照明不均勻性<15%。通過(guò)研究系統(tǒng)像差對(duì)照明均勻性的影響，以及對(duì)設(shè)計(jì)的調(diào)光組進(jìn)行分析，得到調(diào)光組移動(dòng)量與照明距離之間的理論關(guān)系，表明自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)光組位置即可實(shí)現(xiàn)不同照明距離處的均勻照明。設(shè)計(jì)和分析結(jié)果表明，該主動(dòng)照明系統(tǒng)能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)調(diào)光組位置，實(shí)現(xiàn)跟蹤測(cè)量視場(chǎng)內(nèi)的均勻照明，有利于跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)于暗弱目標(biāo)的探測(cè)。

激光主動(dòng)照明；自動(dòng)化；照度均勻

1　引　言

隨著激光技術(shù)、成像技術(shù)和計(jì)算技術(shù)的日趨成熟，光電跟蹤測(cè)量設(shè)備需要更好地適應(yīng)復(fù)雜背景的需求。對(duì)于夜晚或低能見(jiàn)度條件的遠(yuǎn)程小暗目標(biāo)，傳統(tǒng)被動(dòng)測(cè)量成像系統(tǒng)即使使用高靈敏的微光探測(cè)相機(jī)也無(wú)法提供足夠的對(duì)比度與分辨率。主要原因是返回信號(hào)的能量很弱，或者背景干擾非常嚴(yán)重，有用的信號(hào)被干擾光、背景光所淹沒(méi)，很難識(shí)別發(fā)現(xiàn)目標(biāo)[14]。

增加激光主動(dòng)照明系統(tǒng)是提高返回信號(hào)能量的有效手段。利用激光的高亮度、高方向性和高單色性等特點(diǎn)，對(duì)遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)或其局部進(jìn)行照射，以增加返回信號(hào)的能量,采用距離選通技術(shù)有效抑制后向散射等背景輻射的影響，獲得遠(yuǎn)、小、暗目標(biāo)的高分辨，高對(duì)比圖像，實(shí)現(xiàn)跟蹤探測(cè)功能[14]。

目前，國(guó)內(nèi)外已有多家單位將激光主動(dòng)照明成像系統(tǒng)應(yīng)用于實(shí)際工程中，如加拿大Albedos和Elviss激光主動(dòng)成像系統(tǒng)等[14]。同時(shí)，國(guó)內(nèi)外對(duì)激光主動(dòng)照明技術(shù)的研究主要集中在距離選通技術(shù)及探測(cè)距離等領(lǐng)域，并未對(duì)不同照明距離處照明亮度的一致性及均勻性的問(wèn)題進(jìn)行分析，而從目前激光主動(dòng)成像系統(tǒng)來(lái)看，存在目標(biāo)照度不均勻及照度動(dòng)態(tài)范圍過(guò)大的問(wèn)題[14]。

本文結(jié)合工程實(shí)際需要，針對(duì)跟蹤探測(cè)系統(tǒng)所選用的相機(jī)存在動(dòng)態(tài)范圍小及靈敏度低的缺點(diǎn)，要求所設(shè)計(jì)的激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)對(duì)跟蹤測(cè)量視場(chǎng)范圍進(jìn)行主動(dòng)輔助照明，且實(shí)現(xiàn)在0.2～5 km不同距離范圍內(nèi)，照明區(qū)域均為直徑為10 mm的圓形區(qū)域。配合激光主動(dòng)測(cè)距系統(tǒng)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同照明距離下的照射區(qū)域照度相對(duì)均勻一致。

由于激光主動(dòng)照明系統(tǒng)的發(fā)射激光和回波信號(hào)均在大氣中傳輸，不同遠(yuǎn)近照明區(qū)域的大氣背景輻射、透過(guò)率、能見(jiàn)度及湍流等特性有所不同，照明系統(tǒng)結(jié)合大氣能見(jiàn)度分析儀及激光測(cè)距系統(tǒng)，可針對(duì)不同的大氣環(huán)境及照明距離，調(diào)節(jié)激光器的發(fā)射功率，以保證照度相對(duì)均勻一致，其詳細(xì)技術(shù)方案本文不贅述。本文著重論述激光主動(dòng)照明系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、照明結(jié)果仿真及調(diào)光分析等部分。

2　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1設(shè)計(jì)指標(biāo)

激光主動(dòng)照明系統(tǒng)如圖1所示，它主要由大功率半導(dǎo)體激光器、勻化光纖、照明光學(xué)系統(tǒng)、激光測(cè)距系統(tǒng)、能見(jiàn)度分析儀及控制計(jì)算機(jī)組成。

圖1　激光主動(dòng)成像系統(tǒng)示意圖 Fig.1　Schematic diagram of laser active imaging system

激光光源直接輸出的光功率密度為高斯分布，需要進(jìn)行勻光處理，使用傳統(tǒng)光棒勻光混合效果不佳，且光功率損耗比較大。光纖具有可彎曲、可多光纖合束、可長(zhǎng)距離傳輸、光功率損耗低等諸多優(yōu)點(diǎn)，故選取光纖作為激光混光和中繼傳輸器件[14]。本文采用多模石英光纖，纖芯直徑徑為D1=400 μm，NA=0.22，其內(nèi)部包含的模數(shù)非常大，其出射光完全可以用幾何光學(xué)近似處理。所以在此種情況下，光纖完全可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光光束的勻光處理。

鑒于跟蹤測(cè)量系統(tǒng)所選用探測(cè)相機(jī)的波段需要，所選用半導(dǎo)體激光器功率為0～50 W連續(xù)線性可調(diào)，工作波段為(808±3) nm，并支持遠(yuǎn)端自動(dòng)控制。

為保證對(duì)0.2～5 km不同遠(yuǎn)近處目標(biāo)，系統(tǒng)的照明區(qū)域均為直徑為10 m的圓形區(qū)域，激光光源經(jīng)照明光學(xué)系統(tǒng)后其發(fā)散角度θ應(yīng)為2 mrad(5 km)～50 mrad(0.2 km)可調(diào)。系統(tǒng)的最小發(fā)散角度θ5 km由光纖直徑D1與系統(tǒng)焦距f共同確定，如式(1)所示：

(1)

由式(1)可知，系統(tǒng)焦距為200 mm，又由光纖數(shù)值孔徑NA=0.22可知，系統(tǒng)口徑為D=88 mm。當(dāng)照明距離為5 km時(shí)，光纖出射端口應(yīng)位于照明光學(xué)系統(tǒng)的物方焦點(diǎn)處，當(dāng)照明距離小于5 km時(shí)，通過(guò)調(diào)節(jié)光纖出射端口與照明光學(xué)系統(tǒng)之間的間隔L來(lái)控制系統(tǒng)的孔徑角θ1，從而增大系統(tǒng)照明發(fā)散角度θ。照明距離與照明孔徑角關(guān)系如表1所示。

表1　照明距離與照明孔徑角關(guān)系

2.2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)型式如圖2所示。照明光學(xué)系統(tǒng)共由5片鏡片組成，其中第1片與第5片玻璃均為石英材料的平板保護(hù)玻璃，第2片到第4片透鏡用于調(diào)整照明發(fā)散角，其材料依次為H-ZK9A、H-ZK9A及H-ZF7LA。第1片石英玻璃保護(hù)系統(tǒng)內(nèi)部，防止污損。第5片石英玻璃保護(hù)光纖頭，防止光纖頭損壞。5片鏡片表面均鍍?cè)鐾改?，保證單面透過(guò)率為99.4%，考慮玻璃材料透過(guò)率的影響，最終系統(tǒng)的總透過(guò)率為90.9%。在激光器滿功率50 W照射的前提條件下， 不考慮元件導(dǎo)熱及散熱問(wèn)題，系統(tǒng)所能承受的最大工作時(shí)間至少為470 s，滿足系統(tǒng)對(duì)工作時(shí)間的要求。溫度調(diào)焦與照明發(fā)散角調(diào)整部件共用一組鏡片作為調(diào)光組。系統(tǒng)通過(guò)移動(dòng)中間3片透鏡的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的照明控制功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)考慮到裝調(diào)與檢測(cè)的便利性，可調(diào)整調(diào)光組位置，使系統(tǒng)RMS檢測(cè)結(jié)果<1/40λ(檢測(cè)波長(zhǎng)為λ=632.8 nm)。

圖2　激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2　Structure of laser active illumination system

2.3照明仿真分析

利用LightTools軟件模擬了不同距離處被照射面的照度情況，結(jié)果證實(shí)各距離處的照度比較均勻。不同距離處，照明仿真分析結(jié)果如圖3所示。經(jīng)過(guò)照明仿真分析，在不考慮系統(tǒng)透過(guò)率及大氣影響的前提條件下，不同距離處調(diào)節(jié)發(fā)散角后主動(dòng)照明情況分析結(jié)果如表2。其中對(duì)均勻照明區(qū)域的照明均勻性的計(jì)算方法如式(2)所示：

(2)

式中，Lmax為照度最大值，LA為照度平均值，N為計(jì)算結(jié)果的百分值[14]。表2中均勻照明半徑的邊界點(diǎn)照度為中心區(qū)域照度的95%，這樣認(rèn)為邊界點(diǎn)之內(nèi)的照明區(qū)域?yàn)榫鶆虻摹Ｓ蓤D3及表2可知，不同照明距離處照明不均勻性<15%，且平均照明功率變化在30%范圍內(nèi)，滿足跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)照度一致性的要求。

表2　不同距離處照明分布情況

圖3　不同距離處照度分布情況 Fig.3　Illumination distribution at different distances

2.4溫度調(diào)焦分析

由于系統(tǒng)在不同溫度下工作，若不進(jìn)行溫度調(diào)焦，則會(huì)引起照明發(fā)散角的變化，從而影響被照明處的照度分布。通過(guò)分析，系統(tǒng)所使用的機(jī)械固定件為鋼，溫度調(diào)焦量情況如表3所示，變化量在+0.15 mm(45 ℃)到-0.245 mm(-20 ℃)之間。可通過(guò)調(diào)節(jié)調(diào)焦組移動(dòng)量實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)焦控制基本消除溫度變化的影響，說(shuō)明系統(tǒng)具有較好的溫度適應(yīng)性。

表3　不同距離處溫度調(diào)焦情況

3　調(diào)光組分析

調(diào)光組所選用的步進(jìn)電機(jī)單級(jí)推力為84 N，步長(zhǎng)為0.012 1 mm，頻率為800 pps，所選用電位器滿程10圈，最大行程為24.2 mm。以5 km處調(diào)焦組位置為起點(diǎn)，照明距離調(diào)焦的調(diào)焦量為0 mm(5 km)～21.7 mm(0.2 km)，總調(diào)焦量(距離調(diào)光+溫度調(diào)焦)為-0.245 mm(5 km，-20 ℃)～21.807 mm(0.2 km，45 ℃)，取整后總行程為-0.5～22 mm，因此總行程為22.5 mm<24.2 mm，調(diào)焦總時(shí)間為2.16 s，滿足行程與精度的要求。激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)中間3片鏡片的重量分別為390.895 g、155.888 g、163.290 g，共計(jì)710.073 g，考慮移動(dòng)鏡筒重量及摩擦系數(shù)，移動(dòng)鏡筒所需的最大推力約為15.5 N<84 N，滿足電機(jī)推力要求。

3.1調(diào)光組移動(dòng)量與照明距離的關(guān)系

激光主動(dòng)照明系統(tǒng)根據(jù)不同的照明距離，準(zhǔn)確移動(dòng)調(diào)光組，保證照明區(qū)域的大小一致且照度均勻，不會(huì)因?yàn)榫嚯x的改變而發(fā)生明顯的明暗變化。由激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)出所需照明距離為d(m)，不同距離處的照明孔徑角為θ2，光纖出射端口孔徑角為θ1，不同距離處系統(tǒng)的放大倍率為β，光纖出射端口對(duì)應(yīng)照明系統(tǒng)的物距和像距分別為l，l′，照明系統(tǒng)焦距為f′，由高斯公式及幾何關(guān)系可推出，調(diào)光組移動(dòng)量x與照明距離d關(guān)系如下式(3)～(6)所示：

(3)

(4)

(5)

(6)

式中，θ1≈0.221 8 rad，f′=200 mm，由上式可推出調(diào)光組移動(dòng)量x與照明距離d之間關(guān)系如式(7)所示：

(7)

由于像差等因素理論計(jì)算所得調(diào)光組移動(dòng)量x會(huì)略有偏差，根據(jù)CODE V仿真結(jié)果與理論計(jì)算進(jìn)行比對(duì)如表4及圖4所示。

表4　理論調(diào)光組移動(dòng)量與CODE V仿真結(jié)果對(duì)比表

理論移動(dòng)量的偏差值小于電機(jī)的一個(gè)步長(zhǎng)，偏差值在5 km時(shí)最大，根據(jù)LightTools仿真結(jié)果，該偏差值會(huì)使5 km處均勻照明半徑變化約1%以內(nèi)，滿足跟蹤探測(cè)對(duì)照明均勻性及照度一致性的要求，說(shuō)明該理論曲線能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)激光測(cè)距系統(tǒng)反饋的距離值d自動(dòng)控制調(diào)光組移動(dòng)量，且滿足對(duì)照明均勻性的要求。

圖4　調(diào)光組移動(dòng)量與照明距離關(guān)系曲線 Fig.4　Relation curves between the dimming group movement and illumination distances

3.2系統(tǒng)波像差與照明均勻性的影響

由于照明光學(xué)系統(tǒng)各種像差的存在，目標(biāo)照度分布會(huì)出現(xiàn)不均勻現(xiàn)象，影響系統(tǒng)的跟蹤與測(cè)量。波像差是影響照明均勻性的主要原因，波像差的大小通常用其均方根值(RMS值)表示[14]。各照明距離對(duì)應(yīng)系統(tǒng)RMS值如圖5所示。

圖5　各照明距離對(duì)應(yīng)系統(tǒng)波像差RMS值 Fig.5　Wave aberration RMS at different illumination distances

由圖3、圖5及表3可知，在調(diào)光組整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，照明光學(xué)系統(tǒng)的波像差RMS值<1/5λ，其中λ=808 nm。系統(tǒng)波像差RMS最大值出現(xiàn)在照明距離為0.5～1 km附近時(shí)，而此時(shí)系統(tǒng)照明的最大不均勻性為14.7%，仍滿足跟蹤測(cè)量系統(tǒng)對(duì)照明均勻性的要求。照明距離為0.78 km時(shí)，照明仿真結(jié)果如圖6所示，其照明不均勻性仍滿足要求，均勻照明直徑為7.5 m。

圖6　照明距離為0.78 km處照度分布情況 Fig.6　Illumination distribution with the illumination distance of 0.78 km

3.3系統(tǒng)公差分析

通過(guò)CODE V對(duì)系統(tǒng)的公差進(jìn)行分析，分析的公差限為CODE V默認(rèn)值，得到如圖7所示公差分析結(jié)果。圖7表明裝調(diào)檢測(cè)位置系統(tǒng)的MTF高于0.89的概率大于90%，因此該系統(tǒng)滿足實(shí)際加工裝調(diào)的要求。結(jié)合CODE V分析與系統(tǒng)實(shí)際加工與裝調(diào)能力，得出裝調(diào)后系統(tǒng)的整體波像差RMS值將會(huì)小于1/5λ(λ=632.8 nm)，其中材料誤差、厚度、間隔及半徑誤差擬用調(diào)光組的移動(dòng)會(huì)得到補(bǔ)償改進(jìn)，而部分元件的楔形、傾斜及偏心的公差雖然要求比較嚴(yán)格，但仍然在現(xiàn)有加工和裝調(diào)技術(shù)范圍內(nèi)。

圖7　檢測(cè)位置公差分析后MTF變化情況 Fig.7　MTF change of test position after tolerance analysis

實(shí)際裝調(diào)時(shí)需使用工作波長(zhǎng)632.8 nm的干涉儀進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，調(diào)節(jié)調(diào)光鏡筒的位置(調(diào)光組移動(dòng)量為0.6 mm)，檢測(cè)當(dāng)系統(tǒng)波像差最小時(shí)，調(diào)光組的位置，設(shè)為標(biāo)志位，完成系統(tǒng)裝調(diào)。通過(guò)干涉儀檢測(cè)確定裝調(diào)后實(shí)際系統(tǒng)零位位置，最大程度降低了因?qū)嶋H裝調(diào)誤差而引起的照度不均勻的問(wèn)題。

圖8　照明系統(tǒng)結(jié)構(gòu) Fig.8　Mechanical structure of illumination system

4　結(jié)　論

本文的激光主動(dòng)照明光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了保證不同照明距離處照度一致性的要求，將勻化光纖、激光測(cè)距系統(tǒng)及照明光學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合使用，分析了溫度調(diào)焦量的大小，給出了系統(tǒng)調(diào)光組移動(dòng)量與照明距離之間的理論關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了0.2～5 km處照明直徑均為10 m且照度相對(duì)均勻一致自動(dòng)控制。仿真及分析結(jié)果表明此照明距離范圍內(nèi)系統(tǒng)的照明不均勻性小于15%，滿足跟蹤探測(cè)系統(tǒng)對(duì)于照明均勻性的要求。

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Design of laser active illumination optical system

LIU Tao*, HU Yue, DONG Jian, SHEN Jun-li

(Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor,E-mail:liutaosd123@126.com

In order to improve detection ability of tracking system for the dim target, a set of automatic laser active illumination system is designed for actively illuminating the view field of tracking and measurement. The illumination diameter is always 10 meters at a distance of 0.2 km to 5 km away from the system. The amount of focusing group movement at -20 ℃ and 45 ℃ is given. The simulation results show that the illumination nonuniformity is less than 15%. By analyzing the optical aberration effects on the illumination uniformity and designed dimming group, the theoretical relationship between the dimming group movement and the illumination distance is gotten. The design result shows that the illumination in different distances will be uniform by adjusting the dimming group position automatically. The design and analysis results show that laser active illumination system can accomplish uniform illumination for the view field of tracking and measurement by moving the dimming group, which is beneficial for the dim target detection and measurement.

laser active illumination;automation;uniform illumination

2016-01-18；

2016-02-13

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)資助項(xiàng)目(No.2014AA7031082A)

2095-1531(2016)03-0342-07

TN202

A

10.3788/CO.20160903.0342

劉韜(1989—)，男，吉林長(zhǎng)春人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，2012年于北京理工大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail：liutaosd123@126.com

Supported by National High-tech R&D Program of China(No.2014AA7031082A)