主动成像系统距离选通实验方案设计

!" 实验及分析
!# $" 电源调制 %&’’( ! ! 半导体端泵浦固体激光器 （ *+,,-） 比较常见， 目前功率范围可达 . / (&& 01， 通常带外调制接口， 只需输 入 22- 电平即可调制出高重频的脉冲。实验中调制频率 #3) 456， 占空比约为 %7 % ， 平均输出功率 %. 01， !" 为 % 089:， 其它条件与表 % 计算用参数相同。同时将光电管接收到的光脉冲信号处理后输入 =>>* " ; <.’ ， 的选通门控制像增强器的开合。图 % 和图 # 分别为连续照明和选通照明时的距离 3?. 0 的目标图像， 可看出 后者完全消除了散射光柱。
@ABC (! ,JS"09DAJ KN $FEL" 0K:FE9DAGB 9JDAT" A09BAGB LILD"0
万方数据
图 (! 脉冲机械调制主动成像系统示意图
第< 期
黎& 全等：主动成像系统距离选通实验方案设计
:5
!"#$ %& ’()#"*# +, -.*/"*0.01 2)134 图 %& 连续照明成像
& & 实验结果表明， 氙灯泵浦 DEF 激光器能达到较高的功率水平， 可以作为远距离主动成像的光源， 但是也存 在如下问题， 一是目前其重复频率较低， 还难以满足对运动目标跟踪成像的需要； 二是这种泵浦方式量子效率 低， 输出光束光强起伏大， 对图像的信噪比有较大影响。多光束照明方式可以有效消除激光器本身和大气湍流 引起的光强起伏， 此外量子效率较高的半导体泵浦固体激光器也能较好地解决这些问题。
!"#$ 5& 6)*#3 #)/37 "()#"*# 图 5& 选通照明成像
& & 图 5 的图像较暗有多方面的原因， 一是由于透镜聚焦和斩波使出射光束平均功率降低到 8 (9 左右； 二是 被照目标距离为 :;; (， 要求光脉冲宽度小于 < !1， 但实际调制脉冲宽度约 <; !1， 这样就只能利用每个光脉冲 的最后 < !1 的能量， 折算出用于照明的平均功率约 ;$ 5 (9， 而计算的照明功率阈值为 ;$ %: (9， 因 ! = <;> ， 此只能勉强看见光斑。用机械调制的方法产生脉冲序列具有结构简单和成本低的优点， 然而也存在许多缺陷。 这种调制方法使用的斩波器体积较大、 振动强、 噪声大， 同时电机的发热量大， 给系统的封装带来一定难度且系 统连续工作时间较短。此外半导体激光的光束质量较差， 给扩束系统的设计带来一定难度。该调制方法能够 调制的光脉冲宽度最小 <; !1 左右， 随着目标距离的增加， 照明效率随之提高， 因此这种调制方法产生的光脉 冲适合作为工作距离较大的主动成像系统的照明光源。 ! $ "# 大功率固体激光器 & & 调 ? 固体激光器可输出 *1 级光脉冲， 单脉冲能量可达数百 (@， 是远距离主动成像的首选光源。用重频 A BC 的倍频 DEF 激光作为照明光源对 8G5 ( 和 < 5;H ( 的目标进行了距离选通成像实验， 其单脉冲能量可达 %;; (@， 计算结果表明对以上两目标照明单脉冲能量要求分别为 <; (@ 和 <;J (@， 图像 " 3 I <% (4)7， ! I <;;> ， 如图 8 和图 G 所示， 目标轮廓清晰可见。
@ABC %! 298B"D AEEF0AG9D": HI JKGDAGFKFL E9L"8 图 %! 连续照明时目标图像
@ABC #! M9GB" B9D": A09B" KN D98B"D 图 #! 距离选通照明目标图像
! ! 计算表明， 选通照明情况下 ! " O % 089: 时 & "3 01， 实验时将 ! " 增加为 # 089: ! " O # 089: 时 & "#) 01， 时已不能观察到光斑。实验证明电源调制方法适用于小型固体激光器， 结构简单且光强均匀性较好， 但由于功 率的限制， 难以实现远距离成像， 较适合作为 “ 零照度” 下微光夜视系统的辅助光源。对于大功率半导体激光 器， :& P :’ 一般为常数， 即输出功率越大， 需提供的电流也越大， 由于 :’ P :( 的限制， 使得大功率半导体激光器的 脉冲调制必须考虑其它途径， 如外加机械快门或电光调制等方法。 ! C !" 机械调制半导体激光器 ! ! 采用对连续半导体激光外加机械调制的方法作了验证性实验。实验系统结构如图 ( 所示。实验用斩波器 盘片上半径 R& 00 的圆周上均布 <& 个直径 !% 00 的小孔， 激光 所用直流无刷电机最高转速 %. &&& 8・0AG Q % ， 器连续输出功率 (& 01， 光束聚焦后通过斩波器， 调制出重复频率 ##C . 456， 占空比约为 % 7 ( 的脉冲序列。 连续激光照明和选通照明得到对距离 (&& 0 的目标主动成像的对比图片分别如图 ) 和图 . 所示， 后者同样消 除了大气散射。
表 !" 照明激光功率与目标距离的关系 #$%&’ !" (’)’*+’*,’ -. /&&01/*$2/*3 )-4’5 -* 5$*3’
* *
O=>JK N D ! （ % K P # DO=U） N1 ! （ % K P #@ DO=U） N1 M&VKO UK>WXYZ（ N 1・HD R * ）
" " 传统微光和红外成像系统采用被动工作方式， 具有隐蔽性好的优点， 但工作距离受到天空背景照度、 气象 条件、 目标温度对比度等诸多限制。主动成像技术克服了它们的缺点， 在远距离暗目标探测和水下成像等领域 有着重要的应用。然而对于采用连续激光作为照明光源的主动成像系统， 大气散射将严重降低成像对比
!"#$ 8& 6)*#3 #)/37 "()#3 .K /)4#3/ )/ 4)*#3 .K 8G5 ( 图 8& 8G5 ( 目标选通照明图像
!"#$ G& 6)*#3 #)/37 "()#3 .K /)4#3/ )/ 4)*#3 .K < 5;H ( 图 G& < 5;H ( 目标选通照明图像
［ < ］& @.L*1.* @$ E*)2,1"1 .K "()#"*# K.4("*# 1,1/3(1 ［ E］ $ M4.- .K NM’O ［ P］ $ <HA5 ， $%" ： G8< —GA<$ ［J］ & 黎全， 刘泽金， 陆启生， 等$ 连续照明成像对比度与气象条件关系 ［ @］ $ 强激光与粒子束， J;;% ， %& （G） ： A5G —A8;$ （ Q" ?，Q"0 R @，Q0 ? N，3/ )2$ S3T3*73*-3 .K "()#3 -.*/4)1/ +, -.*/"*0.01 "220("*)/".* .* U3)/L34$ !"#$ %&’() *+,() +-. %+)/"01( 2(+3,， J;;% ， %& （G） ： A5G —A8; ） & V.**"34 S，Q)4.-L3223 W$ E 4)*#3X#)/37 )-/"Y3 "()#"*# 1,1/3( K.4 13)4-L )*7 431-03 )*7 104Y3"22)*-3 .T34)/".*1 ［ E］ $ M4.- .K NM’O ［ P］ $ <HH8 ， !’(( ： ［:］ <:% —万方数据 <%5$
!" 第 #$ 卷" 第 # 期 " *++, 年 # 月
强
激
光
与
粒
子
束
-./- !0123 45623 5)7 !538.942 :25;6
%&’( #$ ， )&( #" <=>( ， *++,"
文章编号： " #++#?@A** （ *++, ） +#?++AA?+@
主动成像系统距离选通实验方案设计
!" 距离选通成像的基本要求
" " 照明激光源的功率是主动成像系统中的关键参数， 文献 ［$］ 给出了其计算式， 经过修正后的连续激光照明 阈值功率 ! H 应为 !H " @ #* $ I %（ J %4 & %I ） * （ ) * $#） ’ !"#( KLM （#）
式中： # 为被探测目标距离； $ I 为微光像增强器光电阴极面平均照度灵度阈值； % J 光电阴极面面积； % 4 N % I 为照 射到目标上的光斑面积与目标距离处对应成像系统观察面积的比值， 当目标较远且发射孔径较小时有 % 4 N % I 其中 % K 为发射光束发散角， ’ 为激光源的光视效能； "! K N % O ， % O 为接收系统视场角； ! 为目标漫反射系数； "和# 分别为发射和接收系统的透过率； ( 为接收物镜孔径； $ 为大气衰减系数。 " " 针对能见度 * D P #+ QD 的情况， 计算得照明光源功率及目标上功率密度与距离之间的关系如表 # 所示。 % J P ,( +$ S #+ R @ D* ； ( P +( # D； ’ P *+ ’D N 1； 计算中各参数的选取为 $ I P #+ R , ’L； ! P +( # ； " P # P +( E, ； %O P FT $A DO=U； ［*］ 。 % K 分别取 # 和 #@ DO=U； $ 与 * D 间的关系见文献
C$, *( E S #+ +( ,$
RA
# ,+E *( FE S #+ ,( C,
R*
A +++ +( AE $,( @A ,( @@ S #+ R C
, +++ ,( @E # +$A( ,+ *( $E S #+ R ,
F( #, S #+ R $
#( C# S #+ R C
*++@?+A?*, ； " " 修订日期： *++@?+F?*$ ! 收稿日期： 基金项目： 国防科技基础研究基金资助课题 作者简介： 黎" 全 （ #E$C —） ， 男， 博士研究生， 主要从事主动成像研究； 2?D=X’： ’[\*+A] #CA( H&D。
黎" 全， " 刘泽金， " 舒柏宏， " 陈金宝， " 许晓军
（ 国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 湖南 长沙 @#++$A ）
!
" " 摘" 要： " 距离选通技术是克服大气后向散射， 提高主动成像系统信噪比的有效方法。分析了距离选通 的技术要求， 分别使用电源调制和机械调制的方法获得了适合用于主动成像系统脉冲光源， 并进行了距离选通 实验， 机械调制方法适用于大功率连续半导体激光器。使用氙灯泵浦 B5/ 激光器实现了对 C$, D 和 # ,+E D 距离目标的主动成像， 详细分析了几种方案的利弊并提出了改进方法。 " " 关键词： " 距离选通； " 后向散射； " 主动成像； " 脉冲调制 " " 中图分类号： " " 8)*@F" " " " 文献标识码： " 5
万方数据
()
强
激
光
与
粒
子
束wk.baidu.com
第 %? 卷
! ! 被照目标上的功率密度阈值是重要的， 因为在其它条件确定后， 无论发射光束发散角 ! " 如何变化， 这个阈 值不变。距离选通成像可以采用两种类型的光源： 一种是对较低功率连续激光调制产生的高重频、 高占空比脉 冲光源； 另一种是大功率固体激光器。两种光源的主要区别是光脉冲宽度， 距离选通的原理决定了脉冲宽度 ! 需满足 ! ! "# $ 时， 照明效率为 （(） " % ! # !$ 上式是光脉冲波形为方波时的情况， 光脉冲为三角波或正弦波时， （(） 式的计算结果， 考虑照明效率时 " 将小于 脉冲激光平均功率阈值 & 应为 & % &$ # " （)） （#） 照明效率为 %&&’ ， 而当 ! $ 大于 ! 式中： $ 为大气中光速； ! 应理解为有效脉冲宽度； 当激光脉宽 ! $ 小于 ! 时，
［ # G *］ ［ A G C］ 度 。人们结合脉冲激光器和选通增强型 997 摄像机 （ .997 ） 研制了距离选通主动成像系统 。距离选
通激光成像技术以时间的先后分开不同距离上的散射光和目标反射光， 使由被观察目标反射回来的辐射脉冲 在摄像机选通工作的时间内到达摄像机并成像， 可以克服传统被动成像和连续主动成像的许多缺点， 具有成像 清晰、 对比度高等优点。固体激光器和半导体激光器是两种适合用于距离选通主动成像系统的光源， 固体激光 器的光束质量和脉冲特性都较好， 但目前国内市场上还没有窄脉冲、 高亮度的半导体激光器。本文通过对连续 激光作电源调制、 机械调制及使用氙灯泵浦固体激光器等方法产生照明光源， 结合 .997 进行了消除大气后向 散射的实验， 实现了距离选通主动成像， 并分析了各方法的利弊。
"# 结# 论
& & 本文分析了激光距离选通成像技术的基本要求， 报道了多种方法进行激光距离选通成像的实验结果。其 中机械调制脉冲方法适合用于对大功率连续半导体激光的调制， 为解决半导体激光器用于主动成像系统的困 难提供了有效的解决途径； 采用氙灯泵浦固体激光器作为照明光源得到了远距离目标图像。远距离暗目标主 动成像技术的关键是消除大气后向散射对成像对比度的影响， 本文基本解决了这个问题， 但是还有一些问题值 得继续研究， 如怎样降低光强闪烁影响， 提高图像信噪比； 增加重复频率以满足对运动目标的跟踪成像都是提 高主动成像系统性能亟待解决的问题。 参考文献：