殷 亮，邢志明，朱 科，苗 玉，姜 萌，單新治，2*，高秀敏

（1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093；2.上海理工大學(xué) 健康科學(xué)與工程學(xué)院，上海 100080）3.北京航天控制儀器研究所，北京 100080）

1 引言

國內(nèi)外研究吸收光譜氣體遙測技術(shù)已有幾十年的歷史，檢測方法包括傳統(tǒng)的電化學(xué)法、火焰光度法、氣相色譜法以及激光吸收光譜法［1］。傳統(tǒng)的電化學(xué)法、火焰光度法和氣相色譜法等手段只能在近距離對氣體進(jìn)行檢測，使用不方便、耗費時間長，在探測腐蝕性和爆炸性氣體時更加困難，測量人員面臨著較高的危險。相比較而言，激光吸收光譜法通過使用激光束沿光路傳輸后的強(qiáng)度變化，或基于激光對目標(biāo)氣體的輻射吸收而產(chǎn)生的吸收譜線來測量氣體濃度［2］，能夠在遠(yuǎn)距離對氣體進(jìn)行遙測，使用方便、測量迅速，測量人員面對的風(fēng)險很低，目前已經(jīng)成為最具發(fā)展前景的氣體檢測技術(shù)。

吸收光譜氣體檢測技術(shù)主要分為兩類：不通過外差而直接根據(jù)接收信號獲取吸收線的直接檢測技術(shù)，以及通過外差先獲取外差信號再進(jìn)行處理獲取吸收線的外差檢測技術(shù)［3］。外差檢測技術(shù)能夠?qū)Ψ祷匦盘栠M(jìn)行放大，面對較弱反射光能夠?qū)崿F(xiàn)更長的檢測距離及更低的檢測限［4］。相對于外差光譜技術(shù)，直接檢測技術(shù)雖然光譜分辨率較低、探測靈敏度不高，但其結(jié)構(gòu)相對簡單，成本低，可以在幾米到幾十米的范圍內(nèi)通過非合作目標(biāo)反射對氣體進(jìn)行遙測［5］，適合設(shè)備體積小、低成本的氣體被動檢測系統(tǒng)。

紅外遙測遙感是近幾年興起的一種高技術(shù)手段［6］，它可以在事故現(xiàn)場遠(yuǎn)距離、快速給出危險、有毒、有害云團(tuán)的各種相關(guān)化學(xué)和物理信息［7］。本文采用激光打到目標(biāo)背景（墻體、地面、管道等）后形成的回波反射信號進(jìn)行泄漏氣體遙測技術(shù)方案，設(shè)計反射式大口徑光學(xué)系統(tǒng)。通過合理選取光學(xué)器件，成功研制大口徑、輕量型中紅外望遠(yuǎn)收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)，實現(xiàn)對25～100 m 內(nèi)目標(biāo)的成像。

2 系統(tǒng)工作原理與指標(biāo)

2.1 系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)總體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖1 所示。中紅外ICL激光器發(fā)出波長為3 400 nm 的光束（功率為15 mW，散射面W×H=9 μm×3 μm），經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)處理陸續(xù)到達(dá)反射鏡1 和反射鏡2，經(jīng)反射鏡2 偏折的光束到達(dá)遠(yuǎn)處，隨后攜帶烷烴氣體信息通過卡塞格林系統(tǒng)依次到達(dá)主鏡和次鏡，最終由探測模塊接收。

圖1 烷烴濃度遙測光學(xué)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)Fig.1 Optical overall structure of alkane concentration remote sensing measurment system

2.2 技術(shù)指標(biāo)

本文利用激光照射目標(biāo)背景后產(chǎn)生的回波反射信號來實現(xiàn)泄漏氣體的遙測，設(shè)計的反射式大口徑光學(xué)系統(tǒng)全部采用國產(chǎn)化設(shè)備，成本可控。通過合理選擇光學(xué)器件，實現(xiàn)了大口徑、輕量型的中紅外望遠(yuǎn)收發(fā)光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下：（1）鏡頭口徑≥25 cm；（2）發(fā)散角≤1.5 mrad；（3）遙測設(shè)計距離為25～110 m；（4）濾波片在3 400～3 500 nm 內(nèi)的透過率≥90%；（5）帶外通過率≤0.3%；（6）鏡頭接收效率≥87%；（7）質(zhì)量≤7.5 kg。

3 烷烴檢測系統(tǒng)設(shè)計

3.1 硬件構(gòu)成

光學(xué)系統(tǒng)主要分為發(fā)射模塊、接收模塊和探測模塊3 大模塊。該系統(tǒng)采用透射式非球面準(zhǔn)直鏡實現(xiàn)對發(fā)射模塊的設(shè)計，采用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)實現(xiàn)對接收模塊的設(shè)計。

3.2 系統(tǒng)發(fā)射模塊

3.2.1 系統(tǒng)發(fā)射模塊原理

激光擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)［8］用于將光束從一個較大的角度限制到一個較小的角度范圍內(nèi)，需要采用透鏡、反射鏡或光學(xué)棱鏡等光學(xué)元件來控制光束的傳播方向和角度。透射式非球面準(zhǔn)直透鏡及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 透射式非球面準(zhǔn)直透鏡及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.2 Transmission aspheric collimator lens and adjustment structure

激光是由一束高度相干的光波組成的，發(fā)散角度較小。準(zhǔn)直透鏡是一種具有透鏡形狀的光學(xué)器件，其表面曲率能夠使光線發(fā)生折射。激光束通過準(zhǔn)直透鏡時發(fā)生折射，使激光束的傳輸方向調(diào)整為平行光束。

在擴(kuò)束準(zhǔn)直系統(tǒng)中［9］，激光通過一個透鏡或反射鏡將這個點上的光束重新發(fā)散成一個較小的角度，從而將光束從一個較大的角度限制到一個更小的角度范圍內(nèi)。

準(zhǔn)直透鏡的曲率可以根據(jù)式（1）進(jìn)行選擇，以實現(xiàn)準(zhǔn)直效果。調(diào)整后的平行光束可以更好地傳輸和聚焦，提高激光系統(tǒng)的效率和性能。

其中：L為準(zhǔn)直鏡口徑，F(xiàn)為準(zhǔn)直徑焦距，θ為發(fā)散角。

3.2.2 系統(tǒng)發(fā)射模塊設(shè)計

準(zhǔn)直透鏡安裝在一個鋁基座上，鋁基座由4根銦鋼棒做導(dǎo)向。計算準(zhǔn)直透鏡因溫度的變化導(dǎo)致的離焦量，由此設(shè)計銦鋼棒和鋁基座的尺寸，使二者隨溫度的變化正好補償準(zhǔn)直透鏡的離焦，保證發(fā)射組件的環(huán)境適應(yīng)性。

透射式非球面準(zhǔn)直透鏡及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，準(zhǔn)直光束經(jīng)過反射鏡1、反射鏡2 反射后進(jìn)入待測氣體區(qū)域。其中，反射鏡1、反射鏡2 為鍍有增強(qiáng)金膜的高反射透鏡。兩個反射鏡的鏡架均在同一條軸線上，并且兩鏡片具有相同的傾斜角度。反射鏡1 粘接在一個緊湊型的不銹鋼撓性調(diào)整架上，此調(diào)整架采用撓性樞軸和精密調(diào)節(jié)螺釘，保證反射鏡的機(jī)械穩(wěn)定性，使用內(nèi)六角扳手調(diào)節(jié)球形驅(qū)動器可實現(xiàn)輕松的調(diào)節(jié)。

圖3 透射式非球面準(zhǔn)直透鏡及調(diào)節(jié)結(jié)構(gòu)Fig.3 Transmission aspheric collimator lens and adjustment structure

反射鏡2 粘接在一個固定底座上，如圖4 所示。底座固定在主光學(xué)系統(tǒng)的次鏡基座上。為了降低次鏡基座的質(zhì)量，反射鏡2 沒有設(shè)置調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，裝配時通過機(jī)械公差定位，殘余的角度誤差通過反射鏡1 的調(diào)節(jié)架進(jìn)行補償。

圖4 反射鏡2 及其固定結(jié)構(gòu)Fig.4 Reflector 2 and its fixed structure

所選擇的激光二極管的發(fā)光尺寸為9 μm×3 μm，慢軸發(fā)散角（FWHM）為35°，快軸發(fā)散角（FWHM）為55°。發(fā)散角為半高全寬，激光按高斯分布，其實際發(fā)散角要大得多，因此應(yīng)盡量提高發(fā)射鏡的尺寸，否則會導(dǎo)致截光問題。

發(fā)射鏡的焦距為20 mm，通光孔徑為30 mm，代入式（1）得到激光光斑尺寸引起的發(fā)散角約為0.45 mrad。再考慮衍射產(chǎn)生的發(fā)散角約為0.35 mrad，則總發(fā)散角在0.8 mrad 左右，滿足指標(biāo)＜1.5 mrad 的要求。

圖5 為發(fā)射鏡設(shè)計，其材料選用對溫度相對不敏感的硒化鋅［10］，其中一個面為非球面，采用單點金剛石加工工藝制造。硒化鋅對可見光也有一定的透過率，給裝調(diào)過程增加一定的便利性。

圖5 發(fā)射鏡設(shè)計Fig.5 Design of emission mirror

激光準(zhǔn)直系統(tǒng)發(fā)射鏡的發(fā)射效率達(dá)97%，反射鏡1 和反射鏡2 分別鍍有增強(qiáng)金膜，發(fā)射效率達(dá)98%，高斯光束通過率達(dá)93%，整個系統(tǒng)的發(fā)射效率為86%，滿足指標(biāo)的光學(xué)接收要求。

3.3 系統(tǒng)接收模塊

3.3.1 工作原理

卡塞格林系統(tǒng)是一個反射式兩鏡系統(tǒng)［11］，如圖6 所示，它由主鏡和次鏡組成。主鏡為中心開有一個通孔的凹面反射鏡，次鏡為凸面反射鏡。主鏡反射面曲面為拋物面，次鏡反射面曲面為雙曲面。根據(jù)幾何原理［12］，主鏡拋物面的焦點應(yīng)與次鏡雙曲面的虛焦點重合于圖中F'點，成像于雙曲面的實焦點F處。被觀測物體的光線從左側(cè)射入，入射光線首先照射在主鏡反射面上，經(jīng)主鏡反射到達(dá)次鏡，再經(jīng)次鏡二次反射，光束聚焦，并從主鏡中心通孔處穿過，成像于主鏡背面的F點處［13］。

圖6 經(jīng)典的卡塞格林系統(tǒng)示意圖Fig.6 Schematic diagram of classic Cassegrain system

卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)的初步設(shè)計如下：根據(jù)系統(tǒng)所要求的焦距f '、次鏡的放大倍率β（等于系統(tǒng)焦距f '與主鏡焦距f1'之比）、系統(tǒng)的中心遮攔比α和焦點的伸出量Δ（即主鏡頂點到系統(tǒng)總焦點的距離）來確定主鏡與次鏡的頂點曲率半徑R1，R2，以及它們之間的距離d［14］。

系統(tǒng)焦距f '、焦點的伸出量Δ由總體設(shè)計提出，次鏡放大倍率β與系統(tǒng)遮攔比α的關(guān)系如下：

確定α，β后，主鏡與次鏡的頂點曲率半徑R1，R2，以及它們之間的距離d如下：

卡塞格林光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點在于沒有色差，適用光譜范圍寬，且利用主次鏡拋物面和雙曲面的幾何原理，可避免系統(tǒng)球差，并能使利用該系統(tǒng)設(shè)計的鏡頭結(jié)構(gòu)更加緊湊。

3.3.2 系統(tǒng)接收模塊設(shè)計

針對卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦距較長、應(yīng)用的波段較寬以及視場較小等特點［15］，本設(shè)計采用卡塞格林望遠(yuǎn)系統(tǒng)加透鏡組來構(gòu)成折反射式望遠(yuǎn)系統(tǒng)。

為達(dá)到250 mm 主鏡鏡頭口徑和1.5 mrad 的發(fā)散角要求，本系統(tǒng)采用常規(guī)的卡塞格林光路；為減少背景雜散光，接收系統(tǒng)的視場應(yīng)該稍大于發(fā)射視場。發(fā)射光束的發(fā)散角在0.8 mrad 左右，因此接收設(shè)備1 mrad 較為合適。根據(jù)探測器直徑為1 mm，則接收鏡的焦距為1 000 mm。

探測器前面已經(jīng)集成一片砷化鎵超半球透鏡［16］，其接收面積相對于1 mm2的感光面會增大，從而可以增大視場，需在最終裝調(diào)時測試。設(shè)計時可以在探測器前端設(shè)計一個可更換的光闌（1 mm2左右），根據(jù)接收信號大小及背景噪聲優(yōu)化光闌的尺寸。根據(jù)探測器直徑1 mm 計算，則接收鏡的焦距為1 000 mm。

圖7 為接收模塊的設(shè)計圖紙，以鋁合金作為材料基底，其中S1 為拋物面，S2 為雙曲面。給每個鏡面鍍增強(qiáng)型金反射膜，反射率大于98%。經(jīng)過主鏡次鏡后系統(tǒng)鏡頭的接收效率達(dá)89%，滿足指標(biāo)的光學(xué)接收要求。

圖7 接收光路Fig.7 Receiving optical path

4 系統(tǒng)測試分析

基于烷烴遙測系統(tǒng)，對激光準(zhǔn)直系統(tǒng)和卡塞格林系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析及測試。

4.1 發(fā)射系統(tǒng)分析

發(fā)射部分系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖8 所示，系統(tǒng)點列圖如圖9 所示。各個視場下的斑RMS 半徑已經(jīng)在艾里斑之內(nèi)，說明彌散斑的參數(shù)已經(jīng)達(dá)到衍射極限。

圖8 激光準(zhǔn)直系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.8 Structure of laser collimation system

圖9 發(fā)射系統(tǒng)點列圖Fig.9 Spot diagram of launch system

對發(fā)射部分的激光準(zhǔn)直系統(tǒng)進(jìn)行測試，得到不同位置的發(fā)射光斑示意圖，如圖10 所示。表1 為發(fā)射系統(tǒng)不同調(diào)焦距離時目標(biāo)的光斑尺寸，由表可知，發(fā)射模塊滿足系統(tǒng)指標(biāo)發(fā)散角＜1.5 mrad。

表1 不同調(diào)焦距離目標(biāo)上的光斑尺寸Tab.1 Spot size on targets with different focusing distances

圖10 不同位置的發(fā)射光斑示意圖Fig.10 Schematic diagram of emission spot at different positions

4.2 接收系統(tǒng)熱力分析

接收系統(tǒng)的雙反鏡片和總體機(jī)械框架均采用6061 鋁合金材料，實現(xiàn)消熱設(shè)計［17］，以保證系統(tǒng)在總體溫度變化時，不會引起光學(xué)系統(tǒng)的離焦現(xiàn)象，從而保證光學(xué)成像質(zhì)量和光學(xué)系統(tǒng)性能穩(wěn)定。但當(dāng)系統(tǒng)總體出現(xiàn)溫度梯度時，還是會影響光束聚焦性能，如溫度劇烈變化或太陽輻照等情況。

太陽輻照的模擬條件如下：太陽輻射功率為1 000 W/m2，照射方向為正上方，環(huán)境溫度為30 ℃。由圖11 可以看出，由于太陽直接照射鏡筒，整個系統(tǒng)產(chǎn)生了較大的溫度梯度［18］，主鏡上的溫度梯度約為0.7 ℃；而由于次鏡的支撐結(jié)構(gòu)較薄，傳導(dǎo)能力弱，次鏡的溫度最低為39.29 ℃。

圖11 太陽輻照模擬分析Fig.11 Simulation analysis of solar irradiation

圖12 為根據(jù)上述所給出的溫度和位移變化模擬得到的聚焦光斑尺寸。由圖可以看出：加載溫度變化后，聚焦光斑尺寸略有增加（約增加20 μm 左右），與1 mm 的光電探測器感光面尺寸相比可以忽略。

圖12 理想情況下及加載溫度變化后光學(xué)系統(tǒng)的點列圖Fig.12 Focus point column diagram of optical system under ideal conditions and after loading temperature changes

4.3 系統(tǒng)應(yīng)力分析

本系統(tǒng)屬于收光系統(tǒng)，裝夾精度的要求較低，但仍然采取一定措施，降低安裝應(yīng)力。

主鏡采用單點金剛石車削方式制造，采用背部三點柔性支撐結(jié)構(gòu)方式。圖13 為加載重力前后主鏡的變形圖，由圖可以看出，主鏡的大部分形變由小角度傾斜引起（0.3 μm），而像散、球差一類的變形可以忽略。

圖13 主鏡受力分析Fig.13 Force analysis of primary mirror

4.4 系統(tǒng)測試結(jié)果

對系統(tǒng)指標(biāo)進(jìn)行測試，首先在實驗室采用大電流驅(qū)動與控制系統(tǒng)（Newport），與高精度鎖相檢測設(shè)備（蘇黎世MFLI-500）和平行光管，對不同距離信號的檢測精度進(jìn)行對比，用于對鏡頭指標(biāo)的驗收以及后續(xù)測試自研高精度解調(diào)電路和自研激光驅(qū)動模塊的指標(biāo)水平，如圖14 所示。

圖14 采用平行光管的實驗室指標(biāo)測試Fig.14 Laboratory indicator testing using collimator

測試平行光管模擬像點距離100 m 時的指標(biāo)，圖15 所示為甲烷吸收信號和諧波信號，采用鎖相參數(shù)為500 Hz-3 倍放大-AC-Diff-3dB700，噪聲為72，信號為800 μV，信噪比為11.1，甲烷檢測限為45 μm/m。圖16 所示為乙烷吸收信號和諧波信號，采用鎖相參數(shù)為-500 Hz-3 倍放大-AC-Diff-3 dB700，噪聲為73，信號為950 μV，信噪比13，檢測限為39 μm/m。

圖15 甲烷吸收信號和諧波信號Fig.15 Methane absorption signal and harmonic signal

圖16 乙烷吸收信號和諧波信號Fig.16 Ethane absorption signal and harmonic signal

為提升遙測距離并且不降低檢測限，測試末端采用空心反射器實現(xiàn)了戶外135.4 m 遙測距離的多組分測量。反射器實物如圖17 所示，其精度為0.02 mrad，可以確保返回光偏差在鏡頭口徑內(nèi)，經(jīng)過驗收測試，遙測鏡頭的指標(biāo)滿足課題要求，最終實現(xiàn)了遙測距離＞100 m。驗收目標(biāo)分為兩種場景，一種是鋁箔作為反射面，距離達(dá)到100.5 m；一種是空芯反射器作為反射面，在確保甲烷和乙烷的檢測精度≤50 μm/m，遙測距離為134.5 m。

圖17 末端采用空心反射器Fig.17 Hollow reflector at terminal

5 結(jié)論

為了實現(xiàn)烷烴氣體濃度的大范圍靈活檢測要求，本文提出了一種基于透射式非球面準(zhǔn)直鏡和卡塞格林系統(tǒng)的中紅外遙測遙感方法，完成對烷烴濃度遙測遙感光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計。主鏡和次鏡鍍有中紅外增強(qiáng)金膜，系統(tǒng)穩(wěn)定性得到顯著提升。實驗結(jié)果表明：本方案充分考慮系統(tǒng)所需的各項技術(shù)指標(biāo)以及工程穩(wěn)定性要求，經(jīng)過測試，系統(tǒng)總體發(fā)射效率為86%，接收效率為75.8%，能夠?qū)崿F(xiàn)25～100 m 大范圍內(nèi)的烷烴氣體濃度遙測。該裝置具有使用方便、測量迅速和風(fēng)險低等優(yōu)勢，能夠保證整體光學(xué)系統(tǒng)的穩(wěn)定性及作業(yè)檢測的安全性。