沈正祥，余 俊，王曉強，王占山

（同濟大學 物理科學與工程學院 精密光學工程技術研究所，先進微結構材料教育部重點實驗室，上海市數(shù)字光學前沿科學研究基地，上海市全光譜高性能光學薄膜器件與應用專業(yè)技術服務平臺，上海 200092）

1 引 言

高溫高壓物態(tài)方程是用于描述物質(zhì)處于高壓條件下溫度、密度、壓強等狀態(tài)參量間關系的一個函數(shù)表達式，是了解物質(zhì)在高溫高壓條件下的熱力學性質(zhì)的基礎，在高能量密度物理研究、激光約束核聚變研究等領域有著重要意義[1-4］。

20世紀70年代后，隨著激光技術的發(fā)展，國際上相繼建成了一批髙功率激光裝置。利用高功率激光作驅(qū)動源，可在材料中產(chǎn)生一個很強的沖擊波，沖擊波的壓力遠超通常實驗室條件下利用其他手段所獲得的壓力，因此，利用激光驅(qū)動沖擊波已成為材料高壓狀態(tài)方程實驗研究的主要手段之一[5-6］。

掃描光學高溫計（Scanning Optical Pyrometer，SOP）是測量沖擊波的主要技術之一。通過測量沖擊波輻射溫度，記錄臺階樣品后表面沖擊波卸載時的沖擊加熱發(fā)光信號的產(chǎn)生時間，在已知臺階樣品厚度的情況下，可以得到?jīng)_擊波的平均速度。但SOP屬于被動式探測方式，對于慣性約束聚變靶丸常用的玻璃、液氘和CH材料等透明介質(zhì)，存在靶場干擾、無法對透明介質(zhì)中的沖擊波和弱沖擊波進行測量等缺陷。因此，需要發(fā)展一種可測量自由面速度的診斷設備[7］。

成像型任意反射面速度干涉儀（Video Synthetic Aperture Radar,VISAR）光學測速系統(tǒng)是基于光學多普勒效應建立起來的一種測速裝置。自從被Barker等人提出后，VISAR已成為研究沖擊物理、爆轟物理等研究領域中一種重要的診斷手段。它可以精確測量沖擊波發(fā)起時間、會聚時間和沖擊波速度等，是激光加載條件下超高壓狀態(tài)方程研究領域的主要診斷設備[8］。作為一種主動式速度診斷系統(tǒng)，VISAR系統(tǒng)主要包括探針光源、成像系統(tǒng)、干涉系統(tǒng)和記錄系統(tǒng)等。由于激光驅(qū)動的沖擊波產(chǎn)生、傳輸、衰減、消失全過程很短，在對沖擊波進行測量時，一般采用條紋相機配接CCD記錄以獲得足夠的時間分辨。成像型VISAR經(jīng)過多年改進和發(fā)展，現(xiàn)已成為國際上大型激光裝置用于沖擊波診斷的主要測試設備。目前，國外研制的成像型VISAR的時間分辨好于20 ps，空間分辨可達4μm，對速度在4～50 km/s的沖擊波的測量精度優(yōu)于1%[9-19］。

21世紀初，美國在NIF裝置上將雙支路成像型VISAR和SOP組合，提出了沖擊波主被動復合測量系統(tǒng)，可以同時從兩個方面得到速度信息，并得到?jīng)_擊波溫度，有效提高了實驗數(shù)據(jù)置信水平[20］。國內(nèi)從事VISAR的研究單位主要有中國工程物理研究院、中國原子能科學研究院和中國科學院西安光機所等。其中，中物院聯(lián)合西安光機所在十二五期間研制了我國“神光-III”原型裝置上的成像型VISAR速度診斷系統(tǒng)，并取得了良好的測量結果。但由于VISAR診斷系統(tǒng)復雜，研制難度大，與國外的VISAR發(fā)展水平尚有差距[21-29］。沖擊波速度是狀態(tài)方程尤其是激光驅(qū)動的狀態(tài)方程實驗研究中最容易測量的參數(shù)，由于激光驅(qū)動沖擊波的全過程很短，傳統(tǒng)VISAR已經(jīng)不能適應新的需求，因此必須發(fā)展高時間空間分辨、主被動聯(lián)合的速度診斷設備。

海背景具有強散射特性，超低空下的突防和反突防雷達技術的應用越來越多，技術核心就是借助強的海背景散射信號隱藏自身和通過海背景散射信號分選識別目標。激光雷達的最佳匹配設計或檢測算法離不開目標與海環(huán)境的激光散射特性信息。這是激光雷達探測、識別目標的依據(jù)，決定了激光測量系統(tǒng)的主要技術參數(shù)甚至工作體制，因此針對各向異性粗糙海面激光散射的理論建模仿真與模擬測試成為研究熱點[30-33］。然而，低空狀態(tài)下距離為幾米至幾十米，處于近場散射研究范疇；激光照射到的海環(huán)境尺寸一般為幾十米，在激光波段，屬于超電大尺寸散射問題，常規(guī)電磁算法難以實現(xiàn)散射場的計算。同時，由于海面的隨機性，定量獲取各種海情的、不同狀態(tài)的散射特性也非常困難。

激光雷達散射截面（Laser Radar Cross Section，LRCS）能夠全面反映激光波長、偏振、目標表面材料的方向散射特性及粗糙度、目標幾何結構形狀等因素對目標激光散射特性的影響。目前，已有的仿真及試驗數(shù)據(jù)相當缺乏，海上實測存在經(jīng)費大、難度高等問題，因此，理論建模和模擬實驗是超低空狀態(tài)下海環(huán)境激光散射特性研究的重要手段[34-36］。

按照超低空雷達的特點，研制相應的具有大動態(tài)范圍的LRCS測試設備；模擬測試中針對海面的隨機性，利用造波池實現(xiàn)海表面的物理模擬，實現(xiàn)海況的定量控制；通過合理設計實驗室模擬測試方案，獲取激光散射數(shù)據(jù)；理論和實驗結合，開展目標與環(huán)境激光散射特性模擬測量，獲取相應數(shù)據(jù)，統(tǒng)計目標與環(huán)境的激光散射截面積特性，可為激光雷達研制、試驗、仿真和使用提供技術支撐。

綜上所述，強激光裝置和海環(huán)境等特殊背景的激光探測，對研制特定參數(shù)和用途的精密光機系統(tǒng)有著迫切的需求。本文綜述了同濟大學面向激光探測應用的精密光機系統(tǒng)研制工作，重點介紹了面向激光裝置的激光診斷光學系統(tǒng)、用于近場海環(huán)境目標特性測量的LRCS測量系統(tǒng)等典型的精密光機系統(tǒng)和儀器的研制。

2 精密光機系統(tǒng)研制

2.1 精密光機系統(tǒng)研制流程

精密光機系統(tǒng)研究涉及“光學設計-結構設計-元件制造-裝調(diào)集成-性能評價和應用”等主要環(huán)節(jié)，如圖1所示。

光學設計環(huán)節(jié)是精密光機系統(tǒng)研制的基礎。針對系統(tǒng)的總體要求，確定儀器的原理和構型，進行方案的設計和分析，并分解儀器的設計指標，確定設計約束，開展初步設計。

結構設計是精密光機系統(tǒng)設計的關鍵環(huán)節(jié)。不同形狀的光學鏡片有不同的精度要求，其結構形式差異很大，需要區(qū)別各自的特點，分別設計適合其特點和滿足技術要求的結構，實現(xiàn)光學元件的支撐、保護與調(diào)整。

裝配集成是將光機系統(tǒng)的光學鏡片按照設計要求準確固定于機械結構中，通過調(diào)節(jié)光學系統(tǒng)中各光學元件的位置，降低光學元件的偏心、傾斜以及鏡片間的間隔誤差，達到或者接近光學設計的理論參數(shù)，以獲得理想的光學成像質(zhì)量[37-40］。最后，對光學系統(tǒng)的波前誤差、傳遞函數(shù)和視場等參數(shù)進行測量，綜合評估分析光機系統(tǒng)的性能。

經(jīng)過十幾年的建設，同濟大學創(chuàng)建了涵蓋“光學設計-結構設計-元件制造-裝調(diào)集成-性能評價和應用”的精密光機系統(tǒng)全環(huán)節(jié)研發(fā)平臺，建立了光學系統(tǒng)裝調(diào)高精度集成裝配技術和裝置，配備了光學系統(tǒng)波前和成像性能檢測儀器。特別是針對復雜光機系統(tǒng)的研制，發(fā)展了“光學設計-結構設計-力熱學設計”高效耦合的綜合設計方法，形成了透射光學系統(tǒng)定心裝調(diào)、反射光學系統(tǒng)的高精度集成裝配流程和技術，支撐了多種復雜功能的精密光機系統(tǒng)的研制。

2.2 關鍵技術

2.2.1 “光學設計-結構設計-力熱學設計”高效耦合設計

為了滿足精密光機系統(tǒng)的工作環(huán)境要求，發(fā)展了“光學設計-結構設計-力熱學設計”高效耦合的綜合設計方法，如圖2所示。通過光學設計和誤差分析、結構設計和分析，以及力熱學模擬與分析，將不同環(huán)節(jié)產(chǎn)生的多種公差，如光學制造誤差、熱載荷導致的誤差、力學結構導致的誤差、裝配導致的傾斜、偏心和間隔等，進行綜合模擬分析，從光學設計環(huán)節(jié)和結構設計環(huán)節(jié)綜合評估光學系統(tǒng)設計和公差分配的合理性。

2.2.2 基于光機誤差分析的精密裝配集成

傳統(tǒng)光學系統(tǒng)的光學鏡片固定裝校方法比較簡單，適合一般精度要求的光學系統(tǒng)。高精度光學鏡頭的裝校通常要使用多種方法和手段來高精度地控制鏡片的裝配誤差。同軸透鏡組裝調(diào)的核心是透鏡的高精度定心，一般采用高精度定心修切和修研方法實現(xiàn)。高精度車床結合高精度中心偏測量儀器，可以實現(xiàn)微米級偏心的透鏡組定心裝配。反射式光學系統(tǒng)的設計、加工和裝調(diào)技術已趨于成熟，但實際研制過程中，裝調(diào)檢測很大程度上過于依賴操作人員的個人經(jīng)驗。特別是由于反射鏡片的自由度高，在離軸系統(tǒng)、多反射鏡系統(tǒng)的裝調(diào)中，容易帶來裝調(diào)效率降低、精度下降的問題。

針對透鏡組裝調(diào)、反射系統(tǒng)裝調(diào)和系統(tǒng)裝調(diào)集成等不同的裝調(diào)要求和特點，我們建立了完整的基于光機誤差分解的光學系統(tǒng)高精度裝調(diào)集成技術，如圖3所示。該技術基于光學設計誤差和結構設計誤差的分析結果，建立光學系統(tǒng)像差與光學元件失調(diào)量之間的對應關系，即失調(diào)矩陣，構建光學元件的失調(diào)量數(shù)學模型。再將裝調(diào)過程中測量得到的系統(tǒng)波前誤差反饋到失調(diào)矩陣模型中，獲得光學元件的失調(diào)量修正大小和方向，通過有限次數(shù)的迭代，可以快速收斂裝調(diào)誤差，迅速改善光學系統(tǒng)的像質(zhì)。

3 面向“星光-III”激光裝置診斷的激光探測系統(tǒng)

3.1 聯(lián)合VISAR和SOP的主被動速度診斷裝置

“星光-III”裝置是具備輸出飛秒、皮秒、納秒光束能力的高功率激光裝置，3條光束輸出分別為：0.7 PW，26.8 fs的800 nm激光；0.6 PW，0.5～10 ps的1 053 nm激 光；575 J的527 nm納秒激光，是具備多組合、多角度靈活打靶能力的多功能強輻射源激光裝置，為世界高能量密度物理研究創(chuàng)造良好的實驗平臺。

成像型VISAR是沖擊波時序控制測量的主要診斷系統(tǒng)，可以精確測量沖擊波發(fā)起時間、會聚時間和沖擊波速度等，是超高壓狀態(tài)方程研究必不可少的診斷設備和技術。SOP是輻射溫度測量和沖擊波速度測量的診斷系統(tǒng)，可以得到?jīng)_擊波加熱樣品溫度以及樣品預熱的信息。因此，建立基于星光III裝置的成像型VISAR系統(tǒng)和SOP聯(lián)合診斷系統(tǒng)，能有效促進實驗室高能量密度物理的發(fā)展。

3.1.1 技術需求

如圖4所示，基于星光III裝置的成像型VISAR和SOP聯(lián)合診斷系統(tǒng)中，VISAR系統(tǒng)的兩個支路（VISAR支路一和支路二）的放大倍率分別為5×和10×，具有雙靈敏度測速功能；SOP系統(tǒng)（支路三）的放大倍率為20×。系統(tǒng)使用兩臺監(jiān)控CCD和三臺條紋相機，實現(xiàn)皮秒量級的時間分辨率以及2 mm視場內(nèi)優(yōu)于10微米量級的空間分辨能力。

聯(lián)合診斷系統(tǒng)的工作模式是：成像鏡頭收集靶點探測光信號和自發(fā)光信號，分別送入VISAR干涉系統(tǒng)和SOP熱收集系統(tǒng)，干涉系統(tǒng)在兩束光之間引入一段時間延遲，并調(diào)節(jié)兩束光之間的夾角，在探測面速度有變化的情況下，VISAR兩個支路產(chǎn)生垂直于記錄狹縫并攜帶差拍信號的干涉圖樣；SOP熱收集系統(tǒng)收集自發(fā)光信號，并送入記錄系統(tǒng)。VISAR探針光波長為532 nm，SOP的探測波長為390～500 nm。3個支路滿足水平和垂直兩種打靶模式（赤道面打靶和垂直打靶）。

由于“星光III”實驗靶場空間大，靶室中心的靶點到成像實驗平臺中心的距離為6 m，為提高系統(tǒng)的實用性，系統(tǒng)的光路排布和支撐機構需要充分考慮星光III靶場的空間限制，滿足系統(tǒng)在靶場安裝存放的環(huán)境要求。

3.1.2 系統(tǒng)研制

這是國內(nèi)第一套VISAR&SOP主被動聯(lián)合診斷系統(tǒng)，和美國NIF裝置上的同類型診斷系統(tǒng)相比，功能相同，構型要求相似，僅僅空間結構尺寸稍小。由此可見，該系統(tǒng)功能復雜，空間跨度大，研制難度高。因此，采用模塊化設計方案，模塊間主要采用平行光鏈路進行空間光路耦合，提高了光路中各模塊耦合的容差，降低了6 m空間上光學系統(tǒng)的裝調(diào)對接難度，最終設計的光學系統(tǒng)光路總長22.78m，元件數(shù)總數(shù)95個，其中包含64個透鏡，24個平面反射鏡，4個分光合束棱鏡，3個Dove轉(zhuǎn)向棱鏡，設計系統(tǒng)空間分辨率＜5 μm。系統(tǒng)光路如圖5所示，三個支路的光學傳遞函數(shù)如圖6所示。

由于“星光III”真空靶室與診斷裝置實驗平臺相隔6 m，如此長的光路和多達近百個光學元件，對光學系統(tǒng)的裝調(diào)帶來極大的挑戰(zhàn)。為了實現(xiàn)復雜光路的精密裝調(diào)，主要采用了以下4種方法：

（1）各模塊同軸透射鏡頭的裝調(diào)中，主要采用精密車削定心裝調(diào)，提高了鏡頭的裝配精度。

（2）對向激光裝調(diào)法。通過雙向同軸激光引導各光學元件的光軸耦合，避免了鏡片同時傾斜和偏心引起的虛假對心，如圖7所示。

（3）利用高精度分光棱鏡實現(xiàn)空間光線傳輸角度的標定，實現(xiàn)了兩個空間獨立裝置上長距離光路的精確耦合。

（4）采用激光測距儀和輔助測量桿，解決了各個分系統(tǒng)之間光學尺寸鏈的測量問題。

采用鑒別率板對系統(tǒng)的空間分辨率進行標定，在2 mm大視場內(nèi)空間分辨率優(yōu)于5μm，系統(tǒng)景深大于500μm，優(yōu)于技術指標要求，如圖8所示。圖9為VISAR&SOP主被動聯(lián)合診斷系統(tǒng)。

針對“星光III”裝置的測速要求，首次研制了成像型VISAR和SOP主被動聯(lián)合測速系統(tǒng)，在星光III建立高時間空間分辨的速度診斷系統(tǒng)?！靶枪釯II”能夠開展激光驅(qū)動飛片、激光直接加載以及飛片驅(qū)動沖擊波測量實驗研究，還能開展物質(zhì)的壓縮與預熱效應研究，激光與物質(zhì)相互作用產(chǎn)生的微噴、層裂以及相變研究，為超高壓物態(tài)方程的實驗研究提供平臺。

在“星光III”裝置上開展基于質(zhì)子加熱的金屬-非金屬轉(zhuǎn)變實驗和金屬-非金屬過渡區(qū)的金屬流體電導率實驗。從VISAR的干涉條紋圖可知，激光加速的質(zhì)子束加熱金樣品，金樣品后界面發(fā)生膨脹。由于質(zhì)子加熱過程很快（數(shù)百ps），當掃描時間窗口為5 ns，條紋彎曲部分細節(jié)不明顯，如圖10所示。激光加速的質(zhì)子束加熱金樣品，金樣品后界面受熱發(fā)生膨脹，掃描時間窗口僅1 ns，可以清晰地觀察到中心條紋彎曲及對應的金界面膨脹過程，如圖11所示。

3.2 輻射高溫光學測量系統(tǒng)研制

3.2.1 技術需求

成像光譜技術是一種將成像技術與光譜技術結合起來的診斷技術，通過測量材料沖擊波的輻射光譜實現(xiàn)對材料沖擊波溫度的診斷，對于沖擊波溫度的空間分布診斷有重要意義。

以成像光譜儀在沖擊波溫度空間二維分辨診斷的應用為背景，研制雙放大倍率的輻射高溫光學測量系統(tǒng)。成像測量系統(tǒng)具備3倍放大系統(tǒng)的物方視場為1.5 mm，工作波長為350～800 nm，像面位置位于真空靶室外的衍射光柵譜儀的入射狹縫處。20倍系統(tǒng)的物方視場為1.5 mm，工作波長為400～527 nm，像面位置放置CCD探測器，用于實時觀察靶面反應狀態(tài)。

3.2.2 系統(tǒng)研制

根據(jù)輻射溫度測量要求，輻射高溫光學測量系統(tǒng)采用折反射式形式，將折轉(zhuǎn)鏡與二次成像透射系統(tǒng)做成單獨的二次透射成像裝置，當使用20倍放大倍率時只需將二次透射成像裝置插入3倍系統(tǒng)光路中即可，實現(xiàn)了雙放大倍率（3倍和20倍）的有效集成和靈活轉(zhuǎn)換，也便于裝調(diào)。采用寬波段晶體材料作為補償鏡，設計了寬工作波段、雙放大倍率的光學系統(tǒng)，并克服了Schwarzschild結構在低放大倍率時后工作距短的缺點。輻射高溫光學測量系統(tǒng)的光路如圖12所示，結構如圖13所示。

輻射高溫測量系統(tǒng)直接安裝在“星光III”真空靶室的法蘭上。靶室半徑為1.2 m，特殊的工作環(huán)境導致系統(tǒng)的反射結構與接收結構的距離較長，整個系統(tǒng)為懸臂梁結構，主要承力結構都處于接收結構處，因此中間的連接管道因受力形變，從而導致反射結構光軸與二次成像透射系統(tǒng)光軸間產(chǎn)生偏心誤差，降低了系統(tǒng)分辨率。

基于“光學設計-結構設計-力熱學設計”高效耦合的綜合設計方法，對連接管道的形變進行了力學建模與有限元分析，獲得了結構的應力、應變和最大位移量，如圖14所示。再結合光學設計仿真，進行了光機系統(tǒng)的結構設計公差和系統(tǒng)裝配公差分配。最后，以折轉(zhuǎn)鏡偏轉(zhuǎn)作為補償參量，有效解決了大放大倍率系統(tǒng)的物方分辨率下降問題。

物料清除裝置是集成清掃裝置的核心部件，初步設計出的物料清除裝置由密封箱體、霧氣導入管和清掃器組成。清掃器由主清掃器和輔助清掃器組成。

裝調(diào)后的光學系統(tǒng)波前誤差為PV 0.37λ，RMS 0.068λ（λ=0.632 8μm）。使用鑒別率板測量了系統(tǒng)分辨率，結果表明，3倍放大倍率邊緣視場和中心視場物方分辨率分別為4.7μm和4.1 μm；20倍放大系統(tǒng)邊緣視場和中心視場物方分辨率分別為3.8μm和3.3μm，如圖15所示。該系統(tǒng)為“星光III”激光裝置沖擊波溫度測量提供了技術支撐，也實現(xiàn)了折反式光學成像系統(tǒng)在強激光測量裝置上的應用。

4 面向海環(huán)境的LRCS測量系統(tǒng)

4.1 技術需求

在掠海狀態(tài)下建立激光散射測試系統(tǒng)，獲取不同雷達參數(shù)下對應的近場激光散射數(shù)據(jù)；統(tǒng)計分析，給出各種海環(huán)境（水面和云霧）在不同照射角下的激光散射強度（激光散射截面）。對比分析理論仿真數(shù)據(jù)和測試數(shù)據(jù)，經(jīng)過相互驗證，提高理論模型和測試數(shù)據(jù)的置信度。

LRCS測量系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)兩種方式的激光雷達散射截面測量，發(fā)散光測量和平行光測量。發(fā)散光測量系統(tǒng)能實現(xiàn)寬角度的激光雷達發(fā)射和波束接收，研制具有一定動態(tài)范圍的波束仿真測量設備。發(fā)散波束，發(fā)射和接收的垂直面與水平面角分別為1°×60°和3°×60°，測量系統(tǒng)的動態(tài)范圍不小于60 dB。

平行光測量光束分別為10 mm光斑和250 mm光斑，便于對目標的掃描測量和大面積整體測量。測量系統(tǒng)覆蓋860 nm和1 064 nm兩個波段。

4.2 系統(tǒng)研制

發(fā)散光LRCS測量系統(tǒng)光路布局如圖16所示。模擬激光雷達波束特征，將激光器和探測器的波束轉(zhuǎn)換為所需的扇形波束。激光源的光源面尺寸為3.5 mm×0.1 mm，發(fā)散角為10°×20°，經(jīng)光學系統(tǒng)后光束擴展或壓縮，發(fā)射的光束角為60°×1°，邊緣視場能量大于中心視場的50%，全視場范圍內(nèi)能量起伏平坦。接收光學鏡頭的視場角為60°×3°。

雙功能平行光LRCS測量系統(tǒng)采用收發(fā)同軸的結構形式，其光路布局如圖17所示。光學系統(tǒng)由激光器、Φ16 mm發(fā)射光路、Φ250 mm收發(fā)光路、接收會聚鏡，以及若干分束鏡、反射鏡和濾光片組成。分束鏡BS1將可調(diào)諧激光器輸出的1 064 nm光透射，860 nm激光反射。兩束光分別進入對應波段的一級擴束器，經(jīng)擴束作為16 mm的發(fā)射光。分束鏡BS2將860 nm和1 064 nm波長的光束同軸輸出。BS3將經(jīng)一級擴束之后的光反射到同軸二級擴束光路，形成Φ250 mm發(fā)射光。光電倍增管PMT1及PMT2分別接收Φ250 mm和Φ16 mm的探測信號。PMT3作為脈沖激光發(fā)射能量的實時監(jiān)視裝置，采集每發(fā)脈沖能量供數(shù)據(jù)處理。設置兩個光束切換裝置，保證兩口徑探測光束獨立工作，互不干擾。

針對海面散射強度起伏大，常規(guī)測量設備動態(tài)范圍小的缺點，所研制的LRCS測量系統(tǒng)采用功率可調(diào)激光源和高靈敏度探測器，實現(xiàn)90 dB動態(tài)范圍的探測。圖18是用于海環(huán)境散射特性測量的發(fā)散光束LRCS測量系統(tǒng)和雙功能平行光束LRCS測量系統(tǒng)。

4.3 應用實驗

選擇標準漫反射板作為測試目標，通過驗證測試獲取一系列角度的散射截面，同時通過仿真計算其雷達散射截面。雷達散射截面的測量曲線與理論仿真曲線如圖19所示，二者曲線基本吻合，說明激光測試裝置可以應用于激光散射功率（激光散射特性）測量。

海面激光散射特性測量最直接的方法是海上實測，但是由于海情不可控，很難進行定量系統(tǒng)研究。利用人造波水池模擬海環(huán)境（見圖20），開展實驗室內(nèi)模擬測試，實現(xiàn)海面的精確控制和定量模擬，對于研究海環(huán)境與激光散射特性之間的定量關系是最有效的手段。模擬海面環(huán)境測量示意圖如圖21所示，測量系統(tǒng)由激光測量裝置、造波池及其控制設備組成。改變造波池海情和激光測量系統(tǒng)設備的俯仰角，獲取不同激光波束照射角、不同海情的散射回波數(shù)據(jù)。

圖22 是三級不同海情、不同波束傾角條件下規(guī)則波海表面散射回波，提取每種狀態(tài)的測試回波信號的最大值表征該狀態(tài)下的散射回波強度。海表面散射以表面鏡像散射分量為主，從而表現(xiàn)為散射強度隨海表面波形周期地變化。

進一步比較分析不規(guī)則海表面的散射回波強度，不同海情、不同波束擦地角條件下不規(guī)則海表面的激光散射回波強度測量結果如圖23所示。不規(guī)則海表面的激光散射極大值隨擦地角變化較大，擦地角越大，反射越強。

通過仿真與測試數(shù)據(jù)分析給出激光散射特性。模擬實驗中，海情設定為2和3級，理論仿真風速為4.5 m/s（介于2～3級海情的風速），不同擦地角照射時海面激光散射特性的，仿真結果與測量結果如圖24所示，二者隨擦地角變化趨勢及其變化范圍相當吻合。

5 結 論

同濟大學創(chuàng)建了涵蓋“光學設計-結構設計-元件制造-裝調(diào)集成-性能評價和應用”的精密光機系統(tǒng)全環(huán)節(jié)研發(fā)平臺，針對復雜光機系統(tǒng)研制，發(fā)展了“光學設計-結構設計-力學設計”高效耦合的綜合設計方法，建立了計算機輔助光學系統(tǒng)裝調(diào)裝置，形成了透射光學系統(tǒng)定心裝調(diào)、反射光學系統(tǒng)的高精度集成裝配流程和技術，支撐了多型精密光機系統(tǒng)和儀器的研制。

面向“星光III”激光裝置需求，我們研制了國內(nèi)首套復合成像型VISAR和SOP的主被動聯(lián)合測量方式的速度診斷系統(tǒng)，通過優(yōu)化的平行光鏈路光學設計架構，解決了大空間布局下大視場、高分辨率復合診斷光學系統(tǒng)設計的難題，通過雙色激光對向光路精密裝調(diào)方法，突破了20 m長光路上近百個元件的超精密裝調(diào)集成難題，實現(xiàn)了2 mm大視場內(nèi)5μm的空間分辨率和500μm的大景深成像。研制了輻射高溫光學測量系統(tǒng)，共同為“星光III”開展超高壓物態(tài)方程的實驗提供了技術支撐與診斷測試。

面向海環(huán)境下目標與環(huán)境激光散射特性測量需求，我們研制了發(fā)散光LRCS激光測量裝置和雙功能平行光LRCS激光測量裝置。建立掠海狀態(tài)下激光散射模擬測量系統(tǒng)，在實驗室內(nèi)通過造波池模擬海上各種海況，從而定量控制影響海表面激光散射的各種因素，實現(xiàn)標準散射體與海環(huán)境的激光散射特性的精確測量，為激光雷達研制提供數(shù)學模型和實驗數(shù)據(jù)，促進超低空探測技術的發(fā)展。