黃 偉,馬松山,李曉芹,郭紹禹

(中國電子科技集團(tuán)公司第二十七研究所,河南 鄭州 450047)

1 引 言

強(qiáng)激光在大氣傳輸過程中,受到大氣湍流、熱暈和消光等的影響,遠(yuǎn)場功率密度分布相對于激光器出口有較大變化,準(zhǔn)確測量強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑強(qiáng)度時空分布,是直接獲取激光光斑到靶能量、光束質(zhì)量和質(zhì)心漂移等重要參數(shù)的有效手段,對于分析強(qiáng)激光的大氣傳輸效應(yīng),評價強(qiáng)激光系統(tǒng)的光束控制能力,以及評估激光武器的作戰(zhàn)效能具有重要意義[1-2]。

目前,遠(yuǎn)場激光光斑的能量分布測量一般有兩種方法,一種是攝像法,采用漫反射靶板接收遠(yuǎn)場激光照射,由相機(jī)采集漫反射靶板上激光光斑的反射圖像,測量激光光斑的相對能量分布；另外一種是陣列探測方法,即用探測器陣列靶接收遠(yuǎn)場激光光斑,靶面上激光探測器按照一定的密度排布,通過探測器后端處理電路對激光探測器的響應(yīng)信號進(jìn)行處理,并采用一定的方法對探測陣列的每個探測單元進(jìn)行精確標(biāo)定,得到激光遠(yuǎn)場光斑空間的絕對能量密度分布。攝像法采用非接觸式測量,結(jié)構(gòu)簡單,分辨率較高,但較難實(shí)現(xiàn)激光光斑空間分布的定量測量,適合于激光光斑相對空間分布實(shí)時測量[3]；陣列探測方法具有信噪比高、響應(yīng)靈敏、動態(tài)范圍寬、時間分辨率高等特點(diǎn),可以實(shí)時測量激光遠(yuǎn)場光斑時間和空間分布以及靶面的絕對光強(qiáng),但陣列探測法空間分辨率低,對遠(yuǎn)場大光斑測量需要探測器數(shù)量巨大,帶來成本較高[4]。因此,本文采用攝像法與陣列探測方法進(jìn)行有機(jī)結(jié)合的復(fù)合測量技術(shù)。

2 工作原理及系統(tǒng)組成

2.1 工作原理

攝像法與陣列探測復(fù)合測量系統(tǒng)的工作原理是:利用漫反射靶板作為反射界面,通過調(diào)節(jié)光學(xué)衰減片、相機(jī)積分時間、光學(xué)鏡頭焦距、光圈大小等參數(shù)獲得清晰的光斑圖像,采集模塊采集漫反射靶板遠(yuǎn)場激光光斑圖像,經(jīng)圖像處理單元進(jìn)行預(yù)處理,得出激光光斑圖像的灰度值送入數(shù)據(jù)處理單元；同時在漫反射靶面上按一定間隔布置激光探測器陣列,靶板后面設(shè)置探測器后端處理電路,當(dāng)強(qiáng)激光照射漫反射靶板時,靶面上的探測器陣列對光斑抽樣采集各探測點(diǎn)的激光能量,并由探測器的光敏面積處理得到該點(diǎn)對應(yīng)的激光能量密度,再根據(jù)各點(diǎn)的能量密度,結(jié)合相機(jī)測量光斑灰度值,進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合處理,從而給出整個光斑的能量密度分布。

2.2 系統(tǒng)組成

強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑分布測量系統(tǒng)由被測強(qiáng)激光、漫反射靶板、探測器陣列、相機(jī)、圖像處理模塊、信號處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊組成,其組成框圖如圖1所示。

圖1 強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑分布測量系統(tǒng)組成框圖Fig.1 Composition block diagram of far field laser spot of high power laser distributed measurement system

漫反射靶板材質(zhì)采用鋁板,尺寸為500 mm×500 mm,靶面反射率>90%。探測器陣列選用PIN-Si探測器,能較好地響應(yīng)1.06 μm波段激光,探測器陣列通過采集光纖按照特定的布局排布于漫反射靶板；信號處理模塊主要完成對直流電平采集、運(yùn)算,并將運(yùn)算結(jié)果送出,其組成主要有放大電路、AD數(shù)據(jù)采集、DSP綜合運(yùn)算、通信等幾部分組成。相機(jī)的作用是能拍攝整個激光光斑,并且保證測量精度,測試中前加1.06 μm窄帶濾光片,消除太陽光以及雜光干擾,并加適當(dāng)衰減片,使得采集到的光斑圖像不飽和且灰度層次分明,并且根據(jù)相機(jī)的曝光時間同步探測器陣列的采集時間。圖像預(yù)處理模塊主要是對采集到的圖像進(jìn)行降噪處理,以提高圖像質(zhì)量,根據(jù)圖像的噪聲具有高頻的特性,圖像信號具有低頻的特性,因此選用低通濾波器,對圖像進(jìn)行降噪處理。同時,針對靶板圖像產(chǎn)生的形狀畸變和光強(qiáng)畸變,需要通過靶板形狀和光強(qiáng)的標(biāo)定,得到畸變校正的對應(yīng)函數(shù)和消底背景圖像,實(shí)現(xiàn)形狀和光強(qiáng)的校正。數(shù)據(jù)處理模塊將采集到的圖像和探測器陣列采集到的各點(diǎn)的功率密度進(jìn)行擬合處理,得到強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑的空間功率密度分布值。

3 漫反射靶板設(shè)計和系統(tǒng)標(biāo)定

3.1 漫反射靶板設(shè)計

為實(shí)現(xiàn)更好的精度,在反射靶板上按照特定布局安置多路光纖束,探測器陣列通過光纖束對特定點(diǎn)的激光能量進(jìn)行采樣,光纖束兩端通過耦合插芯分別固定于反射靶板相應(yīng)位置和光電探測器光窗上,光纖采用高損傷閾值雙石英光纖,光纖纖芯和包層都為石英,可有效提高光纖損傷閾值,選取光纖直徑為600 μm,可以有效的降低光纖芯徑對漫靶面成像帶來的影響。光纖探測通道選取25路,中心9路探測器通道的相鄰?fù)ǖ篱g距1 cm,形成3 cm×3 cm范圍,盡可能的保證光斑中心的探測器分辨率最高(在實(shí)際使用中,激光發(fā)射系統(tǒng)和光斑檢測系統(tǒng)需要通過望遠(yuǎn)鏡來相互對準(zhǔn)以確保激光光束垂直入射在靶板中心)。靶板其他范圍通道根據(jù)靶面大小等分排列,光纖布局形式如圖2所示。

圖2 漫反射靶板多路探測器陣列布局Fig.2 Multi-channel detector array layout of diffuse target board

在解算探測陣列的功率密度時,對于第i個第j個探測器Dij,則入射到光電探測器光敏面的功率密度Pij(t)為:

式中,Vij(t)為t時刻輸出電壓信號值,Tt為光學(xué)衰減單元透射率,Aij為該通道放大器電壓放大倍數(shù),Rij為光電探測器的響應(yīng)率,Rl為光電探測器的負(fù)載電阻。則靶板上該點(diǎn)的功率密度值Sij(t)為:

式中,AD靶板上導(dǎo)光光纖的芯經(jīng)。

3.2 系統(tǒng)標(biāo)定

3.2.1 單元探測器功率絕對值標(biāo)校

在激光遠(yuǎn)場光斑時空分布測量過程中,單個探測器功率絕對值的準(zhǔn)確性是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的關(guān)鍵因素。為了校正由于系統(tǒng)裝配和探測器響應(yīng)線性度的系統(tǒng)性偏差,利用弱激光進(jìn)行靶板探測器的標(biāo)定,實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。

圖3 單元探測器功率絕對值標(biāo)校原理圖Fig.3 Calibration principle diagram of cell detector absolute value

標(biāo)校光源選用波長為1064 nm連續(xù)光纖激光器,其輸出功率為100 W,功率穩(wěn)定性為±1%,用標(biāo)準(zhǔn)功率計和透反比已知的分光鏡監(jiān)測靶面輸入激光功率,并與靶板探測器實(shí)測結(jié)果進(jìn)行比對,確定校準(zhǔn)系數(shù)。分光鏡的透反比在實(shí)驗(yàn)前由兩個標(biāo)準(zhǔn)功率計進(jìn)行實(shí)時測量給出。為了降低標(biāo)定結(jié)果測量不確定度,一個標(biāo)定點(diǎn)重復(fù)采集10次數(shù)據(jù),取其平均值給出整系統(tǒng)在該功率密度條件下的校準(zhǔn)系數(shù)。調(diào)節(jié)激光功率或光束直徑,改變輸出的功率密度,由此獲取該探測器全量程范圍內(nèi)的擬合曲線。測試結(jié)果如圖4所示,結(jié)果表明探測器陣列的線性動態(tài)范圍上限為5000 W/cm2,測量下限為2W/cm2,圖中直線為數(shù)據(jù)擬合線。

圖4 單通道探測器線性度和動態(tài)范圍Fig.4 Linearity and dynamic range of single channel detector

3.2.2 陣列探測器功率相對值標(biāo)校

探測器陣列靈敏度一致性是保證測量結(jié)果準(zhǔn)確性的重要因素。在標(biāo)定過程,標(biāo)校激光源發(fā)射一定功率激光,經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直,調(diào)好系統(tǒng)光路,依據(jù)實(shí)際需求,通過調(diào)整電流值和衰減片對功率進(jìn)行衰減,探測器探測激光信號,并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出相應(yīng)的幅值電壓,電壓信號由數(shù)字示波器采集并顯示,記錄該幅值電壓,完成一個探測器的標(biāo)校,在保證激光器輸出光功率及入射角度不變的情況下,重復(fù)上述步驟逐個依次完成25個探測器的標(biāo)校,形成曲線如圖5所示,實(shí)測結(jié)果表明探測器陣列靈敏度不一致性小于5%。

圖5 探測器陣列靈敏度一致性測量結(jié)果Fig.5 Coherence measurement result of detector array sensitivity

3.2.3 系統(tǒng)誤差分析

強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑分布測量系統(tǒng)測量精度主要受以下幾個方面影響:

(1)探測模塊靜態(tài)誤差

探測模塊是測試靶面的基本組成單元,單個模塊的精度是測試系統(tǒng)精度的保證,主要受探測器、放大電路、運(yùn)算電路等方面的影響,本設(shè)備運(yùn)用了高穩(wěn)定模塊化設(shè)計思路,硬件進(jìn)行了固化,通過高速數(shù)字電路補(bǔ)償,消除各模塊的固有誤差,大大降低了引入誤差。

(2)探測模塊安裝誤差

探測模塊是通過安裝接口安裝于靶板上,原則上與入射光垂直,但是受靶板定位精度、安裝精度的影響,將引入外部安裝誤差,影響測量精度。

(3)激光入射角度引入誤差

本系統(tǒng)測量值為垂直入射到靶面的激光能量,標(biāo)定的激光功率均為激光垂直入射到檢測面的量,檢測單元設(shè)計為小視場(±5°),因此,在外場測試時,由于入射角度很難達(dá)到垂直入射條件,因此會影響測量結(jié)果的精度。

(4)標(biāo)校誤差

單個探測器在標(biāo)校過程中,標(biāo)校光源輸出功率的穩(wěn)定度、功率計的標(biāo)較精度以及分光鏡的標(biāo)較精度對探測器絕對值的標(biāo)校影響較大,因此在標(biāo)校中盡量選用穩(wěn)定度高的光源,激光功率計選用中國計量院標(biāo)校過的功率計,同時對單個探測器進(jìn)行多次標(biāo)定,為模塊單獨(dú)建立分段擬合曲線和數(shù)據(jù)庫。此外,探測陣列靶中探測器的一致性對測試結(jié)果精度影響較大,系統(tǒng)通過標(biāo)校單個探測器,盡量選用一致性高的探測器進(jìn)行測試。

(5)模型誤差

探測陣列采用米字排布結(jié)合激光高斯分布進(jìn)行建模,在建模過程中,實(shí)測點(diǎn)精度會很高,虛擬點(diǎn)只能反映其變化趨勢和相對功率,模型引入誤差較大,因此實(shí)際采樣點(diǎn)(探測單元)分布密度越大測量誤差越小,密度越小測量誤差越大,具體情況根據(jù)實(shí)際布局和模型引入有關(guān)。

(6)圖像處理誤差

相機(jī)曝光時間與探測器采集時間要求精確同步,并且相機(jī)背景圖像需要對通過與標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行對比,軟件進(jìn)行均值處理,實(shí)現(xiàn)了不超過10%的系統(tǒng)測量誤差。

4 系統(tǒng)遠(yuǎn)場光斑測量試驗(yàn)與結(jié)果分析

基于本測量系統(tǒng)開展了萬瓦級強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑分布測量系統(tǒng)試驗(yàn)。原始激光通過自適應(yīng)光學(xué)矯正后采用離軸反射鏡擴(kuò)束輸出。在大氣能見度約5 km,測量激光器距離靶板780 m條件下,試驗(yàn)測量強(qiáng)激光的遠(yuǎn)場光斑分布,結(jié)果如圖6所示,圖6(a)為采集模塊采集到的第38幀瞬間光斑灰度分布圖像,(b)為第139幀瞬間光斑灰度分布圖像,(c)為連續(xù)150幀瞬間光斑灰度分布圖像的灰度分布合成圖像。探測器陣列測量采集到的各點(diǎn)的功率密度與圖(c)進(jìn)行擬合的結(jié)果如圖7所示。設(shè)定e-1光強(qiáng)分布,通過迭代計算出光斑面積、激光功率和平均功率密度如圖8～10所示。

圖6 短曝光和合成光斑灰度分布圖像Fig.6 Power density distribution of far-field laser spot after synthesis

圖7 合成后的強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑功率密度分布Fig.7 Result curve of spot area measurement for 31 consecutive frames of short exposure

圖8 連續(xù)31幀短曝光光斑面積測量結(jié)果曲線Fig.8 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

圖9 連續(xù)31幀短曝光光斑功率測量結(jié)果曲線Fig.9 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

圖10 連續(xù)31幀短曝光光斑平均功率密度測量結(jié)果曲線Fig.10 Result curve of mean power density measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

5 結(jié) 論

采用攝像和陣列探測復(fù)合測量技術(shù)實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)激光遠(yuǎn)場光斑空間分布的測量,獲得了較為詳細(xì)的激光遠(yuǎn)場光斑時空分布特性,為激光武器系統(tǒng)毀傷效能評估、強(qiáng)激光大氣傳輸效率、激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的評價提供重要依據(jù)。該系統(tǒng)具有探測光斑面積大,測量誤差小等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)對波長為1064±10 nm、功率密度動態(tài)范圍為2～5000 W/cm2激光的遠(yuǎn)場光斑分布實(shí)時測量。