于　瀟，姚　園，徐正平

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所航空光學(xué)成像與測(cè)量中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033)

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采用APD陣列的共口徑激光成像光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

于瀟*，姚園，徐正平

(中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所航空光學(xué)成像與測(cè)量中國(guó)科學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130033)

針對(duì)機(jī)載平臺(tái)激光3D成像系統(tǒng)的輕小型需求，設(shè)計(jì)了采用APD陣列的共口徑激光收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)。在分析激光成像系統(tǒng)照明方式及其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，給出了激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：激光經(jīng)衍射元件實(shí)現(xiàn)分束照明，采用雙工反射鏡實(shí)現(xiàn)收發(fā)光路的耦合。該光學(xué)系統(tǒng)用于2 km以內(nèi)的目標(biāo)三維成像，根據(jù)激光測(cè)距方程，確定了接收光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)以獲得滿足信噪比的回波能量。為避免造成像素之間串?dāng)_，設(shè)計(jì)了5倍擴(kuò)束比的發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。最后，采用偏振片與1/4波片相結(jié)合的方式消除雜光，降低了發(fā)射光路對(duì)接收光路的影響。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：接收光學(xué)系統(tǒng)彌散斑直徑小于120 μm，畸變小于0.2%。該光學(xué)系統(tǒng)體積小、重量輕，成像質(zhì)量良好，可為同類激光成像光學(xué)系統(tǒng)提供借鑒參考。

光學(xué)設(shè)計(jì)；激光3D成像；發(fā)射/接收共光路；消雜光

1　引　言

激光3D成像系統(tǒng)是指通過(guò)掃描或凝視有限視場(chǎng)來(lái)獲得遠(yuǎn)處目標(biāo)的反射率、光譜、偏振、多普勒頻移以及三維數(shù)據(jù)等信息的系統(tǒng)[1-6]。在二維圖像的基礎(chǔ)上，該系統(tǒng)可以提供距離信息，從而提高從背景中提取目標(biāo)的能力[7]。因此，激光3D成像系統(tǒng)在軍事領(lǐng)域，如目標(biāo)識(shí)別、定位、追蹤，武器制導(dǎo)、障礙回避等方面有著廣泛的應(yīng)用[8]。

目前，國(guó)外對(duì)激光3D成像系統(tǒng)已開(kāi)展了大量研究[9]。照明方式包括分束照明和泛光照明。與泛光照明系統(tǒng)相比，采用分束照明的系統(tǒng)可以提高單位時(shí)間內(nèi)像元接收到的能量并且能有效避免串?dāng)_，放寬了像質(zhì)要求，降低了系統(tǒng)尺寸、重量、成本等。其次，根據(jù)發(fā)射和接收過(guò)程是否共用一套望遠(yuǎn)系統(tǒng)，而光學(xué)系統(tǒng)又分為收發(fā)分置和收發(fā)合置兩種結(jié)構(gòu)形式。收發(fā)分置結(jié)構(gòu)可以避免發(fā)射光路對(duì)接收光路的干擾，而收發(fā)合置結(jié)構(gòu)則可以大大降低光學(xué)系統(tǒng)的重量和尺寸，同時(shí)提高收發(fā)對(duì)準(zhǔn)精度，避免探測(cè)盲區(qū)。John等人采用收發(fā)合置的光學(xué)系統(tǒng)，整個(gè)激光3D成像系統(tǒng)的體積為0.07 m3，重量為33 kg[10]。因此，針對(duì)機(jī)載平臺(tái)的應(yīng)用，采用APD陣列的共口徑激光3D成像系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢(shì)。國(guó)內(nèi)在激光成像與共口徑光學(xué)系統(tǒng)方面的研究取得了一系列成果[11-16]，但是沒(méi)有將二者有效地結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究，因此，采用APD陣列共口徑激光3D成像系統(tǒng)光學(xué)系統(tǒng)的研究具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2　共口徑激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)

共口徑激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1　激光發(fā)射/接收系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1　Block diagram of laser launching/receiving imaging system

鑒于分束照明方式在小型化激光系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)采用Damman光柵作為二維衍射元件，對(duì)激光進(jìn)行分束。激光器輸出的單束脈沖激光通過(guò)能量光纖傳輸并經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直，入射到光柵上，衍射成多束以不同角度傳播的平行光，經(jīng)過(guò)目鏡會(huì)聚，在中間像面上形成按陣列分布的亮斑。為使出射光斑的二維分布與成像光纖匹配，在中間像面設(shè)置視場(chǎng)光闌，濾除由衍射元件產(chǎn)生的不需要的光線。由于空間尺寸的限制，采用中間開(kāi)孔的雙工反射鏡來(lái)代替棱鏡進(jìn)行分光，實(shí)現(xiàn)發(fā)射光路與接收光路的耦合。將發(fā)射系統(tǒng)的出瞳設(shè)置在雙工反射鏡的開(kāi)孔處，能夠提高能量利用率并且降低激光散斑對(duì)成像的影響。投影物鏡將中間像面的亮斑投影出去，照到目標(biāo)的各個(gè)單元面積內(nèi)，由目標(biāo)反射的光線再通過(guò)投影物鏡及雙工反射鏡聚焦到接收像面，經(jīng)成像光纖及耦合鏡組導(dǎo)入到探測(cè)器敏感元區(qū)，從而記錄下各個(gè)測(cè)量單元面積內(nèi)激光束往返的時(shí)間，反演出高程，獲得三維圖像。由于雙工反射鏡的開(kāi)孔很小，并且目標(biāo)的回波能量較弱，對(duì)激光器的影響可以忽略不計(jì)。

3　接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

投影物鏡是整個(gè)收發(fā)系統(tǒng)的關(guān)鍵組件，既作為接收系統(tǒng)，又是發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的一部分，決定了整個(gè)激光3D成像系統(tǒng)的性能，因此，首先對(duì)接收光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1接收光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)約束

作用距離是激光3D成像系統(tǒng)的一項(xiàng)重要指標(biāo)，光學(xué)系統(tǒng)的口徑主要受作用距離、激光器發(fā)射功率、探測(cè)器性能、光學(xué)系統(tǒng)效率等因素的影響。根據(jù)激光測(cè)距方程可以確定光學(xué)系統(tǒng)的口徑，由于激光光束被分成8×8束，激光測(cè)距方程[10]將被修改成如下形式：

(1)

式中，Pr為探測(cè)器接收光功率，Pt為激光器發(fā)射功率，ρ為目標(biāo)反射率，η1為光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率，η2為分束元件衍射效率，η3為往返大氣透過(guò)率，η4為成像光纖效率，D為光學(xué)系統(tǒng)口徑，r為激光成像系統(tǒng)作用距離。

從式(1)中可以看出，接收光功率與光學(xué)口徑的平方成正比，因此在允許的條件下口徑越大越好。然而受到系統(tǒng)體積尺寸的限制，初步選擇50 mm光學(xué)口徑，進(jìn)一步通過(guò)對(duì)系統(tǒng)信噪比的計(jì)算來(lái)驗(yàn)證口徑尺寸是否合理。

激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)的參數(shù)包括工作波段、焦距、相對(duì)口徑和視場(chǎng)等。焦距取決于系統(tǒng)的空間分辨率，視場(chǎng)由APD探測(cè)器的大小和焦距決定。除此之外，在設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，要考慮像質(zhì)對(duì)3D成像效果的影響。為了使激光3D成像圖像與實(shí)際景物之間不失真，就要避免接收光斑同時(shí)點(diǎn)亮兩個(gè)敏感源，造成敏感元之間的串?dāng)_，根據(jù)成像光纖纖芯直徑和中心距離，可以約束彌散圓的尺寸以及最大視場(chǎng)處的畸變值。

根據(jù)以上分析，光學(xué)系統(tǒng)的約束如表1所示。

表1　光學(xué)設(shè)計(jì)約束

3.2接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)約束，接收光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示。為增大系統(tǒng)透過(guò)率，盡量減少透鏡的數(shù)量，而若要滿足成像質(zhì)量，每片透鏡的光焦度不宜過(guò)大，因此折中選取6片透鏡組合，第1片、第6片為正透鏡，其余為負(fù)透鏡。為降低加工檢測(cè)難度，鏡面均采用球面。系統(tǒng)采用3種玻璃材料，分別是HLAK2、HZF62和HZK3。

圖2　接收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 Fig.2　Structure diagram of receiving optical system

對(duì)該光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行像質(zhì)分析，結(jié)果如圖3、圖4所示。圖3顯示出系統(tǒng)的最大畸變值η<0.2%，由圖4可以看出全視場(chǎng)內(nèi)激光回波的95%能量集中在Φ120 μm彌散圓內(nèi)，滿足探測(cè)器成像需求。

圖3　接收光學(xué)系統(tǒng)場(chǎng)曲和畸變曲線 Fig.3　Field curves and distortion graph of receiving optical system

圖4　能量集中度曲線 Fig.4　Diffraction encircled energy graph of receiving optical system

為滿足光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率的要求，每片透鏡表面鍍?cè)鐾改ぃ高^(guò)率為0.98，接收光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)率為0.88。

4　發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

激光發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的目的是對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束準(zhǔn)直，以提高能量集中度，滿足測(cè)量要求，其設(shè)計(jì)結(jié)果如圖5所示。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)由目鏡和物鏡組成，8×8束激光先經(jīng)過(guò)目鏡會(huì)聚在中間像面上，再由投影物鏡投射到目標(biāo)上。由于激光3D成像系統(tǒng)采用的是分束照明方式，為提高系統(tǒng)的能量利用率，避免激光照亮目標(biāo)時(shí)產(chǎn)生混疊，經(jīng)發(fā)射系統(tǒng)出射的光斑陣列應(yīng)與探測(cè)器具有相同的占空比，因此約束激光束散角與衍射分束角之間的比值小于0.64。根據(jù)系統(tǒng)的空間分辨率要求，可以確定激光束之間的角間距為1 mrad，即激光束散角應(yīng)小于0.64 mrad。擴(kuò)束比同時(shí)受視場(chǎng)的限制，目鏡的視場(chǎng)為40 mrad，物鏡的視場(chǎng)為8 mrad，確定發(fā)射系統(tǒng)的擴(kuò)束比為5。激光經(jīng)能量光纖傳輸后的束散角為1 mrad，擴(kuò)束后束散角為0.2 mrad，滿足上述要求。望遠(yuǎn)系統(tǒng)的擴(kuò)束比可由式(2)表達(dá)：

(2)

式中，f物為物鏡焦距，f目為目鏡焦距。已知物鏡焦距為320 mm，得到目鏡的焦距為64 mm。目鏡的口徑小，像差相對(duì)容易校正，采用兩片正透鏡組合。擴(kuò)束后的激光光束口徑為12 mm×12 mm。采用反射鏡將光路進(jìn)行折疊，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)的尺寸被壓縮至Φ125 mm×200 mm的圓柱形空間內(nèi)。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)包括8片透鏡，1片窗口鏡，5片反射鏡，反射鏡的反射率為0.93，因此發(fā)射系統(tǒng)的透過(guò)率為0.59，激光在往返光路的光學(xué)系統(tǒng)總透過(guò)率為0.52。

圖5　發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.5　Principle diagram of transmitting optical system

本系統(tǒng)選用的脈沖激光器頻率為10 Hz，峰值功率為100 kW，地面目標(biāo)的反射率取平均值為0.35，光學(xué)系統(tǒng)透過(guò)率為0.5，Damman光柵的衍射效率取經(jīng)驗(yàn)值為0.7，成像光纖的傳輸效率為0.8。在作用距離為2 km時(shí)，大氣往返總透過(guò)率為0.35。系統(tǒng)的噪聲主要包括探測(cè)器固有噪聲及背景噪聲，探測(cè)器選擇8×8 APD陣列，響應(yīng)度R為5 A/W，暗電流噪聲σdark為0.3 nA。在日光照射條件下，1 064 nm處目標(biāo)表面反射的輻亮度為7.039 321×10-7W/(cm2·sr)，等效的背景電流ibackground=0.03 nA。該系統(tǒng)的信噪比由(3)式表達(dá)：

(3)

根據(jù)該公式及以上數(shù)據(jù)條件計(jì)算得到系統(tǒng)的信噪比為116，基本能夠滿足激光3D成像需求。但是以上計(jì)算值是在考慮的理想情況下得到的，在實(shí)際情況中，不同的處理電路會(huì)帶來(lái)不同量級(jí)的電路噪聲，信噪比還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證。

5　消雜光設(shè)計(jì)

在收發(fā)合置的光學(xué)系統(tǒng)中，發(fā)射光路會(huì)對(duì)接收光路產(chǎn)生干擾。接收光路中的噪聲主要來(lái)自投影物鏡表面對(duì)激光的反射。因此為提高信噪比，減少3D成像系統(tǒng)的測(cè)量盲區(qū)，需在系統(tǒng)中加入消除雜光的措施。針對(duì)不同的照射目標(biāo)，消除雜光的方法略有不同。如果目標(biāo)表面光滑，則反射激光的偏振度基本不變，如果目標(biāo)表面粗糙，則目標(biāo)會(huì)對(duì)激光產(chǎn)生退偏作用。根據(jù)上述偏振效應(yīng)，采用偏振片與1/4波片相結(jié)合，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的消雜光光路，如圖1中虛線部分所示。激光在經(jīng)光柵衍射之前先經(jīng)過(guò)偏振片起偏，通過(guò)投影物鏡后的1/4波片后變?yōu)閳A偏振光，經(jīng)光滑目標(biāo)反射后再次通過(guò)1/4波片變?yōu)榫€偏振光，且方向轉(zhuǎn)過(guò)90°，通過(guò)檢偏器后入射到像面。而由投影物鏡的內(nèi)反射光偏振方向不變，且與檢偏器方向垂直，即達(dá)到消雜光的目的。如果目標(biāo)表面粗糙，則由目標(biāo)的反射光為自然光，則去掉1/4波片即可。除了采用偏振原理消除鏡面反射雜光，還要消除來(lái)自空間的其他雜散光。激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖如圖6所示，用金屬罩罩在鏡頭外部，避免激光在空間的散射給成像帶來(lái)影響。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)觀察發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)的光斑圖來(lái)調(diào)整二者的相對(duì)位置，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)發(fā)射與接收的配準(zhǔn)，如圖7所示。對(duì)于表面光滑的目標(biāo)成像，C10508采集到的目標(biāo)回波信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示，3條曲線分別代表無(wú)偏振片、偏振片垂直放置、偏振片傾斜放置時(shí)，探測(cè)器采集到的回波信號(hào)。左側(cè)波形代表雜光信號(hào)，右側(cè)波形代表目標(biāo)回波信號(hào)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，采用偏振原理可以在一定程度上降低雜光的影響，但是1/4波片需要與光軸成一定角度放置，否則表面反射會(huì)給接收光路帶來(lái)更大的影響。

圖6　激光3D成像光學(xué)系統(tǒng)實(shí)物圖 Fig.6　Optical system of laser 3D imaging

圖7　激光照射Damman光柵后和激光照射成像光纖后光斑分布圖 Fig.7　Spot distribution of laser irradiated Damman grating and laser spot distribution of laser fiber after laser irradiation

圖8　鏡頭前無(wú)波片、波片垂直放置、波片傾斜放置時(shí)，C10508采集到的目標(biāo)回波信號(hào) Fig.8　Echoing signal in condition of no wave plate, with wave plate vertically placed and wave plate tilted

6　結(jié)　論

本文根據(jù)航空機(jī)載激光3D成像系統(tǒng)小型化的應(yīng)用需求，開(kāi)展了對(duì)采用APD陣列的共口徑激光成像光學(xué)系統(tǒng)的研究。首先介紹了光學(xué)系統(tǒng)的工作原理，提出了激光成像系統(tǒng)的照明方式以及收發(fā)光路的耦合方法。在分析系統(tǒng)作用距離以及空間分辨率的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計(jì)了接收和發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)。最后，給出了在接收光學(xué)系統(tǒng)測(cè)量時(shí)降低雜光的方法。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：接收光學(xué)系統(tǒng)彌散斑直徑小于120 μm，畸變小于0.2%。共口徑激光收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)的外形尺寸是Φ125 mm×200 mm，基本滿足了小型化激光成像系統(tǒng)的測(cè)量要求。

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Laser imaging optical system design with a shared aperture employing APD array

YU Xiao*, YAO Yuan, XU Zheng-ping

(Key Laboratory of Airborne Optical Imaging and Measurement,Changchun Institute of OpticsFineMechanicsandPhysics,ChineseAcademyofSciences,Changchun130033,China)*Correspondingauthor，E-mail：yuxiaojllove@126.com

To meet the requirements of light and small laser 3D imaging system on airborne platforms, a co-aperture laser transceiver optical system is designed employing APD array. On the basis of a brief analysis of the imaging system illumination pattern and optical system structure, the laser 3D imaging system block diagram is given as following: the laser beam can pass through a diffraction element to achieve beam splitting and the mirror with a hole in the middle is used to achieve coupled launching/transmitting optical path. The optical system is used for three-dimensional imaging within a distance of 2 km, and the receiving optical system parameters are determined according to the laser operating range equation to obtain enough echo energy to satisfy the noise ratio. In order to avoid crosstalk between pixels, beam expander of five times is designed. Finally, the stray light is diminished to reduce the impact of the emitted light path on receiving light path by combining the polaroid and quarter-wave plate. The results indicate that the receiving optics has a diffuse spot diameter less than 120 μm and distortion less than 0.2%. The whole optical system could be an example for the similar design with small size, light weight and fine imaging quality.

optical design;laser 3D imaging;launching/receiving common aperture;stray light elimination

2016-01-26；

2016-02-23

中國(guó)科學(xué)院國(guó)防科技創(chuàng)新基金項(xiàng)目(No.CXJJ-14-S123)；吉林省科技發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(20150204022GX)

2095-1531(2016)03-0349-07

TP721.2; TP703

A

10.3788/CO.20160903.0349

于瀟(1990—)，女，黑龍江哈爾濱人，碩士，研究實(shí)習(xí)員，2014年于哈爾濱工業(yè)大學(xué)獲碩士學(xué)位，主要從事航空光學(xué)成像鏈路與光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面的研究。E-mail:yuxiaojllove@126.com

Supported by Innovation Fund Project of National Defense Science and Technology, Chinese Academy of Sciences(No.CXJJ-14-S123), Jilin Provincial S&T Development Program Project of China(No.20150204022GX)