便攜式遠距離激光選通成像系統研究

王書宇，艾 磊，陶聲祥，顧國華

(陸軍炮兵防空兵學院 高過載彈藥制導控制與信息感知實驗室， 合肥 230031)

隨著激光技術、電子技術以及光電探測技術的發展，促使激光主動成像技術不斷發展。由于該技術具有探測距離遠、可夜間成像等優點，同時對雨雪、霧有一定穿透能力，近年來受到國內外的廣泛關注。目前，加拿大Obzerv公司，瑞典國防研究中心(FOI)，英國BAE公司，美國INTEVAC公司、麻省理工學院(MIT)，德國陸軍大學等單位紛紛投入巨資進行開發[1-5]，已研制成功多種基于激光距離選通成像系統應用于軍事領域。國內相關研究開展相對較晚，哈爾濱大學張繁輝等[6]構建了一套激光距離選通系統，并在夜間對700 m的樓體進行了成像。裝備學院[7]設計并實現了532 nm和860 nm兩個波長的選通成像系統，成功對距離5 m到約20 km范圍的目標進行了成像實驗。國防科學技術大學[8]解決了一系列激光主動成像的技術難點，制作了實驗樣機。另外在水下和三維成像方面，也都取得了一定的成果[9-11]。以上這些激光成像系統大都體積龐大、使用困難。為此，本文在實現遠距離成像的同時對系統小型化進行了專門設計，使其方便攜帶，并對系統成像的關鍵參數設計了自適應調節功能，進一步提高了成像的質量。

1 激光距離選通系統

激光距離選通成像系統的工作原理如圖1所示，激光照明系統發射激光脈沖對目標區域進行照射，在激光脈沖傳輸的過程中，部分激光能量可能會被空氣中的散射介質散射或者中間場景反射，這時接收器的選通門處于關閉狀態，拒絕了大氣后向反射及背景雜波；而當目標區域反射回的激光信號到達接收器時候，系統選通門打開，對目標區域進行成像，之后選通門重新關閉[12]。

為使系統成像距離遠，首先需要選擇合適功率的激光發射器和感光能力強的成像器件。當遠距離選通成像時，容易出現激光照射能量和照射范圍過大或過小，激光能量分散不均，因此需要考慮激光發散角、發射脈沖功率等參數與選通距離的關系，以獲得最佳的成像效果。同時，為了使該系統體積小、方便攜帶，在激光器和光學系統的選用和結構上需要專門設計，以滿足整個系統的小型化需求。

本文設計的激光距離選通系統主要由發射光學系統、脈沖激光器模塊、激光驅動模塊、同步控制模塊、ICCD成像模塊和接收光學鏡頭等組成，如圖2。其中激光驅動電路、脈沖激光器、發射光學系統組成激光照明系統，負責控制與調節激光。同步控制模塊、ICCD成像模塊、接收光學系統組成選通成像系統，負責選通控制并成像。電動調焦機構主要負責調節變焦位置，實現激光照射范圍與視場范圍同步。

2 小型化關鍵技術

2.1 大功率半導體激光器小型化技術

系統設計的觀測距離為4 km，其激光功率計算公式[13]如下：

(1)

其中Ed、Sg為攝像機CCD參數，Ed為攝像機光電陰極平均照度的靈敏度閾值，Sg為光電陰極面積；ε、τ、D以及θ、Ω為光學系統參數，ε為光源發射系統透過率，τ為接收系統光學透過率，D為接收系統鏡頭直徑，Ω為接收視場，θ為發射視場；K、a、η為與光源有關的參數，K為光源的光視效能，a為激光脈沖的占空比，η為電源調制效率；μ為大氣消光系數；R為成像距離。根據計算，激光的理論功率需要達到30 W，而目前市場上大功率激光器的體積龐大，笨重復雜。為滿足小型化和重復頻率的要求，特選擇體積小重復頻率高的半導體激光器。目前市場上半導體激光器單體最大功率一般為10 W，封裝體積最小的是C-mount封裝。這種封裝的散熱塊與半導體激光器的陽極相連，由于半導體激光器正向耐壓只有2 V左右，這樣從散熱外殼所引入的干擾信號或者靜電很容易造成激光器擊穿損壞，所以隔離激光器的散熱殼體與安裝外殼相對困難。因此，本系統選用4個8 W的單體激光器集成，采用陰極接散熱塊的F-mount封裝，以解決因功率較大帶來的激光器損壞問題。

電路有兩種集成方式：激光器串聯或激光器并聯。由于半導體激光器輸出的光功率直接取決于流過激光器的電流，若采取并聯方式不容易控制電流平衡，容易造成各單體之間光功率輸出的差異變大，影響激光器的壽命和激光照明時光功率的穩定性。因此本系統采取4個單體激光器以串聯方式集成。其整體驅動電壓在8 V左右，電流在10 A左右，此時，流過4個激光器的電流一致，同時激光器的光功率輸出也比較穩定。既使有電壓波動，4個激光器的電流也是同步變化，驅動電源只需控制10 A的恒流輸出。

為滿足小光束發散角及光斑均勻性的設計要求，4個激光器的出光光束需要耦合成一根光纖。其耦合方式一般分為兩種：分離透鏡耦合和光纖直接耦合。為盡可能減小光纖耦合過程中的光能損耗，減小激光器的體積，采用錐端球面微透鏡直接耦合的方式。如圖3所示，其制作方法是先將光纖端部制成錐形，以減小端面半徑；然后在錐端形成微透鏡，這樣的耦合效率一般可達50%～60%，最大可達80%。

2.2 大功率激光脈沖驅動小型化技術

在激光電源驅動方面，由于大功率激光器驅動電流大，驅動過程中發熱量大，很容易損壞，如何在高頻率脈沖輸出的情況下快速的穩定電流，也就是說既要滿足在每個脈沖輸出時電流的穩定速度要快又要防止在脈沖的上升沿電壓沖擊過大，這是重點需要解決的問題。

為解決此問題，驅動電源采用集成式電源驅動模塊LMZ13610進行恒流源驅動，它的輸出電流可以達到10 A，輸入電壓最大可以達到36 V，電源在電流控制模式下輸出電壓最大可以達到輸入電壓，PWM調制頻率最高可達600 kHz，符合激光器驅動的要求，同時為解決脈沖電流穩定性和脈沖上升沿電壓沖擊問題，增加了一個電流負反饋回路，電流負反饋電路采取電阻串聯的方式取樣負載電流，為了降低取樣電阻上的功率消耗，采用1 W、2 mΩ的精密電流測量電阻，激光驅動電路如圖4所示，這樣不但在驅動負載時穩定電流也可以快速抑制電流脈沖上升時的電壓沖擊，實現激光器驅動電壓和電流的控制和保護。

2.3 光學系統小型化技術

本系統的光學部分主要包括激光發射端和成像接收端。由于光學鏡頭、像增強器以及CCD攝像機的尺寸各不相同，因此，在設計時采用中繼組投影鏡組作為轉像裝置對三者進行連接。通過選擇合適的有效孔徑、焦距等參數，使選通物鏡、像增強器、中繼組投影鏡與CCD攝像機在尺寸及外形上合理匹配，既提高了系統的分辨力，又減輕了重量，滿足系統遠距離、小型化的設計目標。

如圖5所示，中繼組投影鏡組由投影鏡框、隔圈和透鏡組成。其功能是將像增強器熒光屏圖像投影在低照度CCD模組靶面上，將光學圖像通過CCD模組轉換為電信號。由于像增強器的熒光屏尺寸和CCD的靶面尺寸存在一定差別，所以投影鏡組起到“聚光”的效果，即通過一系列透鏡的會聚作用，將熒光屏的出射光斑縮小到適應CCD成像靶面的大小。因此，為了盡可能減少光束能量的損失，需要合理選取投影鏡組的有效通過孔徑、焦距等參數。在設計時，通過專用儀器(平行光管等)調試，調節各透鏡之間的間隔，保證理論設計參數的實現。

3 其他關鍵技術

3.1 時間同步控制技術

時間同步控制技術就是激光器輸出與ICCD攝像機選通快門的時間同步控制，如圖6所示。

本系統中，激光器輸出與ICCD攝像機快門開關的時間同步控制選用MICROCHIP公司的dspic33ep512mc806處理器。該處理器主頻為120 MHz，時鐘周期為8.3 ns，內部帶有高速可編程的PWM輸出口，PWM輸出的頻率、占空比可調，PWM口的PWMH和PWML口線輸出連續脈沖模式和相位可以自由設定。電路通過PWMH和PWML分別控制激光輸出和選通像增強器光輸入。因此，系統中只需通過程序控制PWM的占空比和PWMH與PWML的相位差就可以控制選通成像的距離和景深?？刂圃砣鐖D7所示。

3.2 電動調焦機構設計

激光照明光斑的大小取決于激光照明鏡頭焦距，攝像機成像視場大小取決于攝像機鏡頭焦距。因此，只要控制這兩個焦距同步就可以控制激光照明光斑與成像視場重合，進而實現視場同步控制。為使激光光斑與選通成像視場相匹配，系統采用焦距連續可調的激光發射鏡頭和攝像機鏡頭，并針對這兩種鏡頭設計了一種電動變焦機構。主要包括兩個部分：智能化電路控制部分和具有變焦位置信號反饋的機械傳動機構部分。

智能化電路控制部分由微處理器，模數轉換芯片和驅動芯片組成，目的是為了智能化處理和控制變焦位置。當選通距離發生變化時，激光鏡頭和攝像機鏡頭的焦距位置信號反饋進入微處理器，根據微處理器中預先測量后設定的邏輯數據，判斷兩者的變焦位置是否達到最優匹配狀態，然后自動驅動機械傳動機構進行調焦。

機械傳動機構由1個直流電機通過齒輪傳動機構帶動1組變倍透鏡的軸向運動來實現焦距位置的變化，從而改變激光器發射角大小，達到激光光斑和選通成像視場同步。

電動調焦機構特點是去除了人為調焦的方式，實現微處理器驅動自動調焦，使系統選通過程更迅速高效。微處理內部的既定邏輯數據是通過大量重復性實驗得到，代表最佳的變焦位置。其中激光器里電動變焦控制流程圖如圖8。

微處理器內部的邏輯判斷數據獲取方法如下：首先將位置測量程序寫入微處理器中，接著通過重復多次手動調節鏡頭焦距和激光照明器焦距，得到最優值，以實現激光照明光斑和鏡頭視場的范圍匹配，達到最佳的變焦位置。然后通過計算機串行接口傳輸相應的鏡頭和照明器變焦位置數據，記錄下來，按照該辦法順序改變選通距離，最終得到一組不同選通距離的邏輯判斷數據。由于微控制器內部的判斷邏輯數據是經過多次實驗得到的，因此在保證變焦傳動精度的前提下，能夠實現觀測距離和激光器功率、觀測視場和激光光斑的最優匹配。

通過上述方法得到邏輯數據作為參數寫入控制程序，內部邏輯控制數據如下：

鏡頭數據:

{0x8e，0x8b，0x88，0x82，0x7d，0x79，0x74，0x6a，0x63，0x5f，0x5a，0x57，0x53，0x4e，0x4c，0x48，0x46，0x44，0x43，0x40，0x3f，0x3d，0x3b，0x38，0x36，0x33，0x31，0x2f，0x2e，0x2c，0x2a，0x29，0x28，0x24，0x22，0x21，0xlf，0xle，0xld，0xlc，0xlb，0xla，0x19}。

激光照明數據：

{0x2a，0x2b，0x2e，0x32，0x35，0x38，0x3b，0x3f，0x45，0x48，0x4a，0x4e，0x50，0x52，0x55，0x57，0x59，0x5b，0x5e，0x5f，0x65，0x67，0x69，0x6e，0x74，0x79，0x7b，0x7e，0x86，0x8a，0x8e，0x92，0x95，0x9d，0xa7，0xaf，0xbf，0xc8，0xdo，0xdf，0xec，0xee}。

4 實驗結果與分析

通過系統設計與關鍵技術攻關，實現的便攜式遠距離激光距離選通樣機如圖9所示，該系統樣機長寬高約為30 cm×20 cm×10 cm，其中物鏡的口徑為9 cm。在夜間，照度為1×10-3lx，使用樣機分別對4 km處的城市大樓和郊區的塔吊進行距離選通成像，成像效果如圖10所示。

使用改進前后的系統分別對選通距離為1 000～4 000 m，間隔距離為500 m的目標區域成像，并使用Matlab軟件進行信噪比的對比分析，采用國際通用圖像信噪比計算方法，如式(2)所示：

(2)

式(2)中:μ(DN)為距離選通圖像灰度均值;σ(DN)為灰度值標準偏差[14]。實驗結果如圖11所示。

從圖11看，在不同選通距離上，系統改進后的距離選通圖像信噪比雖隨選通距離的增大而下降，但穩定在8以上，符合目標識別要求。同時與改進前的距離選通系統相比，信噪比平均提升1.37。從4 km處目標成像對比圖來看，采用電動變焦機構的系統在獲取遠距離的成像目標時，能夠很好的抑制后向散射光，成像清晰，可辨識度更強。其激光脈沖頻率、激光散射角可隨選通距離自適應調節，較好地抑制了過度曝光和曝光不足的現象。

5 結論

本文對便攜式遠距離激光選通成像系統進行了設計，重點研究了脈沖激光器小型化技術，光學系統小型化技術和激光驅動電源小型化技術，提出了一種電機變焦機構，實現了激光照明光斑與攝像機成像視場同步的設計。實驗結果表明：改進后的小型化系統成本較低，可以精確實現遠距離選通成像，同時成像的亮度和清晰度有很大提升，實現了激光脈沖頻率、激光散射角隨選通距離自適應調節的功能，避免了出現過度曝光和曝光不足，采集后的圖像信息信噪比高，可實際用于安防監控便攜式軍事偵察等場合，具有十分廣闊的應用前景。