單光子激光與中波紅外共口徑探測光學系統

吳洪波，張 新，王靈杰，閆 磊，史廣維*

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春130033；2.中國科學院大學，北京100049）

1 引 言

近年來，遠距離暗弱目標的探測與監視在軍事防御領域備受關注。隨著光學探測技術的不斷發展，現代化對抗手段日益多樣化，偵察偽裝等技術水平不斷發展，使用環境及應用范圍日益復雜，目標探測和識別的難度也越來越高，武器系統對遠距離暗弱目標的幾何形狀、方位、距離和運動形態信息的需求也更加迫切。

單一探測模式無法提供目標的全方位信息，新一代多模式復合探測體制應運而生，并成為國內外學者的研究熱點。ZHANG等設計了可見光和長波紅外的雙波段成像系統［1］，MA等設計了共口徑的可見紅外雙波段探測系統［2］，陳國強等設計了紅外、激光和毫米波3波段共孔徑光學系統［3］。紅外成像具有探測距離遠、精度高、靈敏度高的特點，能直觀獲取豐富的目標外形和基本結構等目標信息，因此紅外與激光的復合探測體制已廣泛應用于對遠距離暗弱目標的探測系統中。系統根據紅外圖像獲取的目標方位信息，利用激光測距獲取目標的距離信息，二者結合即可有效獲取遠距離目標的外形、距離、方位及運動形態信息。為了達到更遠的探測距離和更大的數據采樣率，國內外紛紛展開了單光子激光測距技術的研究工作。單光子激光測距技術具備靈敏度高、功耗低、探測效率高等特點，在100 km以上的遠程測距方面優勢顯著［4］，但其測距能力受背景噪聲的影響較大。宋盛、王哲等開展了紅外與激光復合探測技術的研究［5-6］。國內外諸多學者采用共口徑的設計實現了激光與紅外的復合探測［7-12］，通過激光/紅外共口徑接收后，在后端平行光路或準平行光路進行激光和紅外的分色設計，系統結構復雜且不利于激光通道雜波和紅外通道背景輻射的抑制，不適用于單光子激光探測。

為了能夠在遠程測距中獲得較高的探測靈敏度和測距性能，針對民航飛機目標，本文采用中波紅外成像與單光子激光測距復合的探測體制，討論了系統構成及工作原理，通過共口徑探測方式，采用匯聚光路分色方法和小孔消雜光技術，設計了大口徑激光與紅外復合探測系統，并利用寬波段共視軸標定技術，完成了激光/紅外復合探測系統的裝調。該復合探測系統成像質量好、探測距離遠、共軸精度高，可廣泛應用于航空、航天及地面的預警探測中。

2 系統構成及工作原理

2.1 系統工作原理

激光與紅外共口徑探測系統由主系統、紅外組件和激光組件組成。系統的工作原理是：通過主系統的大口徑主鏡接收目標的中波紅外輻射能量和激光回波信號，并在次鏡第一表面的會聚光路中分色，將中波能量反射到紅外組件中，同時將激光透射到激光組件中。圖1為單光子激光與紅外共口徑探測系統原理。

圖1 共口徑探測系統原理Fig.1 Principle diagram of co-aperture detection system

中波紅外成像光路與主系統保持同軸，而激光接收光路在經分色后，利用折轉鏡將光路兩次折疊，最終的接收端位于主系統的上方，使得激光接收光路不產生中心遮攔。

2.2 單光子遠距離測距工作原理

單光子激光測距采用高靈敏單光子探測技術和基于數學統計理論的時間相關單光子計數技術實現測距。測距時，系統首先探測并存儲各激光脈沖對應的回波光子，然后將上述多個脈沖的采樣結果進行累加處理，再根據累加的結果判斷回波信號具體與哪個時間窗內的脈沖信號相對應。由于累加后不同時間窗內的光子數各不相同，因此，利用有關的距離提取算法準確計算得到激光脈沖回波的到達時刻，即可獲得待測距離信息［13-14］。

2.3 目標輻射特性及作用距離分析

民航飛機在中波（3.7~4.8μm）波段的主要輻射主要來自位于機頭、發動機和羽流3個部分。飛行過程中，目標溫度水平在260~390 K。根據斯蒂芬玻爾茲曼定律，按目標溫度為300 K計算得到飛機目標的輻射強度約為8 W/sr［15-17］。

利用點目標作用距離公式計算系統口徑［18］得到：

式中：R為作用距離；ΔI為目標與背景輻射強度之差；Ao為光學系統的入瞳面積；SNR為信噪比閾值；Dp*為探測器的平均比探測率；τao，τo分別為大氣和光學系統的透過率；Nt為目標在探測器上彌散后的像元數；Δf為探測器的噪聲等效帶寬；Ad為探測器的像元面積；σ為大氣消光系數。

為實現對民航飛機遠距離（不小于200 km）的高信噪比（SNR≥15）被動探測，考慮中心遮攔、系統效率和大氣吸收等因素，系統口徑不小于275 mm。

3 激光/紅外共口徑探測系統設計

3.1 設計參數

紅外系統的技術指標如下：

（1）波段：3.7~4.8μm；

（2）口徑：280 mm；

（3）F/#：2；

（4）MTF（@20 lp/mm）≥0.25；

（5）探測器規模：640×512，25μm。

激光接收系統的技術指標為：

（1）接收口徑：280 mm；

（2）激光波長：1 064 nm；

（3）激光接收視場>0.28 mrad；

（4）接收光纖芯徑：200μm；

（5）光纖數值孔徑：NA=0.2；

（6）紅外與激光共軸標校精度＜50μrad。

3.2 紅外光學系統設計

為實現激光及中波波段的分色設計，同時控制系統體積，主系統采用R-C光學系統作為初始結構進行優化設計［19~22］。系統利用次鏡進行激光與紅外分色，解決了雙波段的高效分色問題，同時實現了系統的小型化設計。在設計過程中，將紅外光路的一次像面控制在主鏡頂點前，既可以減小主鏡中心孔對系統效率的影響，同時提升系統雜散輻射的抑制能力。紅外成像組件由主鏡、次鏡及4片透鏡組成，主鏡為鋁合金材料，次鏡為石英材料，透鏡材料分別為硅、鍺、硅、硅。其中，鍺透鏡的前表面設計為非球面，用于校正軸外像差。圖2所示為優化后的紅外光學系統光路。

圖2 中波紅外光學系統結構Fig.2 Layout of MWIR optical system

圖3 ~圖6為紅外光學系統的像質設計結果。其中，MTF接近衍射極限，全視場相對畸變優于5%，幾何點斑尺寸均小于艾里斑，全視場單像元的能量集中度優于71%，可滿足遠距離目標的高靈敏度探測需求。

圖3 MTF曲線Fig.3 Curves of MTF

圖4 球差、場曲和畸變曲線Fig.4 Curves of spherical aberration，field and distortion

圖5 光學系統點斑圖Fig.5 Spot diagram of optical system

圖6 能量集中度曲線Fig.6 Curves of encircled energy

3.3 激光光學系統設計

激光接收光學系統采用同軸折反式結構形式，如圖7所示。由于單光子探測器對系統雜光抑制的要求高，因此后端激光接收透鏡組前設計二次成像像面，并在二次像面處設置小孔光闌。小孔光闌不遮擋主系統光路，且在不影響主系統探測能力的前提下可實現對激光光路雜光的高效抑制。

圖7 激光接收光學系統光路Fig.7 Optical layout of laser receiving system

圖8 ~圖10分別為激光接收光學系統的MTF曲線、能量集中度曲線和點斑圖。激光接收系統的中心視場像質達到衍射極限，可用于單光子激光能量的高效率接收。

圖8 激光接收光學系統的MTF曲線Fig.8 MTF curves of laser receiving optical system

圖10 激光接收光學系統點斑圖Fig.10 Spot diagram of laser receiving optical system

3.4 激光接收系統雜光分析

圖9 能量集中度曲線Fig.9 Curves of encircled energy

對激光接收系統的雜光抑制能力進行了仿真分析，采用點源透射比（Point Source Trans?mittance，PST）作為評價指標，系統雜光仿真模型如圖11所示。不同入射角θ下的仿真結果見表1，PST-1和PST-2分別為無小孔光闌和有小孔光闌時激光接收系統的PST?？梢姡捎诓捎昧诵】坠怅@抑制雜光，激光接收系統的PST提升了4個數量級，達到10-9的水平，有效保證了單光子激光接收系統的高靈敏度。

圖11 激光/紅外光學系統雜光仿真Fig.11 Stray light simulation of laser/MWIR optical sys?tem

表1 系統雜光仿真結果Tab.1 Results of stray light simulation

3.5 公差及溫度適應性分析

3.5.1 公差分析結果

對共口徑光學系統進行公差分析，各元件的公差情況見表2，MTF概率曲線如圖12所示，系統公差具備工程可實現性。

圖12 公差分析MTF概率曲線Fig.12 Probability density curves of MTF by tolerance analysis

表2 公差分配Tab.2 Tolerance allocation

3.5.2 溫度適應性分析結果

紅外系統成像質量受溫度的影響嚴重，本文通過調焦方式來補償熱離焦。在不同溫度時中波紅外系統的熱離焦情況如表3所示。利用調焦組沿著光軸方向的移動實現調焦，在-30℃和65℃調焦后系統的光學傳遞函數如圖13所示，調焦后光學傳遞函數仍然接近衍射極限。

表3 中波紅外系統不同溫度時的調焦量Tab.3 Focusing distance of MWIR system at different temperatures

圖13 中波紅外系統溫度調焦后的光學傳遞函數Fig.13 MTF of MWIR system after focusing

3.6 系統裝調與視軸標定

在裝調時采用主鏡作為裝調基準，為保證中波與激光的共軸精度采用定心裝調方法完成分色鏡和透鏡的裝調，利用大口徑反射式平行光管進行系統標定和測試，采用“十字”靶作為系統光軸標定的基準。紅外光路將靶標成像到紅外探測器上，通過監視器顯示；激光光路利用光纖接收靶標能量或發射測試激光。系統同視軸標定包括兩個步驟：

（1）粗對準

通過調整探測器三個維度的位移量使得靶標成像到探測器的靶面中心，調整反射鏡使得在光纖接收端發射激光時，經光學系統和平行光管后，激光光斑位于光管“十字”靶標的中心，完成激光和紅外光路的光軸粗對準。圖14所示為靶標的紅外成像圖，圖15所示為靶標處的激光光斑圖。

圖14 靶標紅外成像Fig.14 MWIR image of target

圖15 靶標處的激光光斑Fig.15 Laser spot on target

（2）精對準

在平行光管的靶標處放置可見光光源，在激光接收端采用光纖對激光光路收集的能量進行接收，微調折轉鏡角度，使得光纖另一端接收的能量最大后固定反射鏡，并記錄紅外系統靶標像的中心像素位置，實現像素級精度的視軸標定。

4 測量實驗與結果分析

4.1 MTF測試

采用傳函儀對中波MTF進行測試，在20 lp/mm處系統的平均MTF為0.28，MTF測試曲線如圖16所示。

圖16 MTF測試曲線Fig.16 Measured curves of MTF

4.2 近距離目標成像實驗

為驗證紅外系統的成像能力，開展了近距離成像實驗，對5 km遠的目標進行成像，實驗系統如圖17所示。圖18為實驗采集的圖像，可清晰分辨目標細節，驗證了系統的成像分辨率和非均勻性。

圖17 激光與中波紅外共口徑探測實驗系統Fig.17 Experiment system for laser-MWIR co-aperture detection

圖18 5 km距離成像實驗圖像Fig.18 Test image of target at 5 km

4.3 遠距離目標探測實驗

遠距離目標探測是本系統的主要工作模式，在外場開展民航飛機的探測與跟蹤實驗，實驗結果如圖19所示。實驗結果表明，激光/紅外共口徑探測光學系統的視軸穩定，探測距離達225 km以上，可實現對遠距離民航飛機的有效探測。

圖19 民航飛機探測實驗圖像（225 km）Fig.19 T est image of civil aircraft at 225 km

5 結 論

本文針對遠距離民航飛機目標的探測、跟蹤和測距需求，提出了單光子激光測距與中波紅外成像復合的探測體制，設計了單光子激光與中波共口徑探測系統。該系統采用次鏡作為分色元件，實現了系統的雙波段會聚光路的分色設計；利用小孔光闌消雜光，將單光子激光接收系統的雜光抑制水平提升了4個數量級。最后，完成了原理樣機的視軸標定、性能測試、近距離成像和遠距離探測實驗。實驗結果表明，該系統可實現對遠距離民航飛機的有效探測和跟蹤，探測距離達225 km以上，可滿足航空、航天及地面探測領域對遠距離目標的預警探測和測距需求。