偏振成像激光雷達與短波紅外復(fù)合光學(xué)接收系統(tǒng)設(shè)計與分析介紹

**0. 引言**

三維成像激光雷達因具備主動照明、角度分辨率高、可探測距離信息等優(yōu)勢，被視為是被動遙感和微波雷達后的下一代技術(shù)產(chǎn)品，與傳統(tǒng)被動傳感器成像及微波雷達相比，三維成像激光雷達具有明顯優(yōu)勢，同時還具備抗干擾能力強、易于小型化等特點。非掃描式三維成像激光雷達是目前研究的熱點方向之一，其中基于偏振調(diào)制的非掃描型三維成像激光雷達（后文稱偏振成像激光雷達）具有測量范圍遠、測量精度較高、成像速度快、無運動偽像等優(yōu)點，同時不受其他調(diào)制方式中增強型 CCD（ICCD）、雪崩二極管（APD）陣列探測器工藝復(fù)雜、易飽和損壞等缺點限制；但其也存在需要雙相機、成像視場角受電光晶體限制、成像質(zhì)量易受到入射角度及云霧等大氣條件的影響等缺點。

針對上述問題，本文提出采用偏振成像激光雷達與短波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)共孔徑復(fù)合的方式，構(gòu)建雙模目標(biāo)探測成像系統(tǒng)，這樣既減小兩套系統(tǒng)的體積、解決兩套系統(tǒng)共軸的問題，又可以解決偏振調(diào)制成像激光雷達視場角小、成像質(zhì)量受到入射角度及云霧等大氣條件影響以及短波紅外成像目標(biāo)能量較低的限制。依照上述思路，開展偏振成像激光雷達與短波紅外復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計研究，采用CodeV 軟件完成系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計，并對完成系統(tǒng)像質(zhì)分析；采用 Lighttools 軟件對光學(xué)系統(tǒng)成像過程、偏振成像激光雷達偏振調(diào)制成像過程仿真。結(jié)果表明所設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好、設(shè)計正確可行。

1.系統(tǒng)原理

偏振成像激光雷達與短波紅外復(fù)合光學(xué)系統(tǒng)，其成像原理如圖 1 所示。整套系統(tǒng)由望遠鏡組、短波紅外成像鏡組、偏振調(diào)制鏡組、分光器件以及探測器等組成，其中望遠鏡組實現(xiàn)光線接收，短波紅外成像鏡組為變焦鏡頭、實現(xiàn)目標(biāo)探測識別，偏振調(diào)制鏡組通過偏振調(diào)制實現(xiàn)目標(biāo)測距，分光器件實現(xiàn)光束分光。短波紅外成像鏡組與偏振調(diào)制鏡組通過共孔徑結(jié)構(gòu)方式復(fù)合，望遠鏡組為系統(tǒng)共孔徑部分；望遠鏡與后端的短波紅外成像鏡組、偏振調(diào)制鏡組分別構(gòu)成完整折反光學(xué)系統(tǒng)，這樣設(shè)計使系統(tǒng)具備寬譜段和大口徑的特點。而共孔徑結(jié)構(gòu)存在的視場遮攔問題通過離軸三反結(jié)構(gòu)型式來克服。

偏振成像激光測距為本系統(tǒng)的核心功能，其調(diào)制過程中主要使用的器件為普克爾盒，而現(xiàn)有普克爾盒有效利用入射光線角度最大為 1°，這使得偏振成像激光雷達視場角受限。短波紅外變焦成像系統(tǒng)通過移動變焦實現(xiàn)長短焦兩種模式切換，其中短焦模式具備較大視場，用于任務(wù)目標(biāo)探測；變焦到長焦模式后具備較高分辨率，在短焦模式發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后用于目標(biāo)識別；偏振成像激光雷達視場范圍與短波紅外系統(tǒng)長焦模式保持一致，在目標(biāo)識別的同時完成目標(biāo)測量，這樣系統(tǒng)就完成目標(biāo)探測、目標(biāo)識別和目標(biāo)測量的過程。以距系統(tǒng) 15 km 地面物體為目標(biāo)，結(jié)合系統(tǒng)功能計算指標(biāo)參數(shù)如表 1。

2. 系統(tǒng)光學(xué)設(shè)計結(jié)果

系統(tǒng)中望遠鏡組采用離軸三反結(jié)構(gòu)型式克服視場中心遮攔問題，短波紅外鏡組采用移動變倍補償組的方法來實現(xiàn)變焦，短波紅外探測器選擇 Sofradir 公司所生產(chǎn)的 SNAKE SW 型 InGaAs 探測器。偏振調(diào)制鏡組中普克爾盒選擇 FastPulse Technology 公司的 1144-50 型、分焦平面偏振相機（MCCD）選擇 LUCID vision LABS 公司的 Phoenix PHX050S-P 型偏振相機。

2.1 望遠鏡組設(shè)計結(jié)果

采用離孔徑的方式實現(xiàn)離軸，便于設(shè)計完成后的加工制造以及檢測裝調(diào)；孔徑光闌設(shè)置在主鏡上，便于整體光學(xué)設(shè)計；在次鏡和三鏡之間的中間像面處設(shè)置一面平面反射鏡來折疊光路，以減小系統(tǒng)的體積；同時平面反射鏡設(shè)置成為視場光闌，這樣可以起到有效減少系統(tǒng)雜散光的效果。其光路圖如圖 2 所示，主鏡3、次鏡 4、三鏡 7 面型均采用二次曲面，系統(tǒng)入瞳直徑為 150 mm，出曈直徑為50 mm，縮束比為 3 倍。

對其進行像質(zhì)評價，結(jié)果如圖 3 所示，工作波段的 MTF 已經(jīng)接近衍射極限，各個視場所成像斑均在艾里斑內(nèi)部，光斑 RMS（均方根）直徑均小于 5 μm。分析結(jié)果表明望遠鏡組成像質(zhì)量良好，光學(xué)設(shè)計滿足系統(tǒng)要求。

2.2 短波紅外成像鏡組設(shè)計結(jié)果

短波紅外成像鏡組與望遠鏡組合置后光路圖如圖 4 所示，短波紅外成像鏡組由前固定組（10-13 面）、變倍補償組（14-17 面）、后固定組（18-21 面）三部分 6 片鏡片組成。使用直線電機帶動變焦補償組前后移動來實現(xiàn)系統(tǒng)光學(xué)變焦，系統(tǒng)總長固定為 551.8454 mm，鏡片材料分別選擇 ZNSE 和 IRG26 兩種材料，其中 IRG26 為紅外硫系玻璃。

對其進行像質(zhì)評價，結(jié)果如圖 5 所示，兩種焦距光學(xué)系統(tǒng) MTF 曲線均接近衍射極限，系統(tǒng)視場光斑 RMS 直徑大小均在 3.2 μm 及 9.3 μm 以下，均小于探測器15 μm 像元大小。分析系統(tǒng)斯特列爾比可知，長焦模式系統(tǒng)斯特列爾比最小值為0.985，最大值為 0.997，都接近于 1；短焦模式系統(tǒng)斯特列爾比最小值為 0.850，最大值為 0.990，只有子午方向邊緣光線斯特列爾比略小，其他也接近于 1。分析結(jié)果表明短波紅外成像鏡組成像質(zhì)量良好，光學(xué)設(shè)計滿足系統(tǒng)要求。

2.3 偏振調(diào)制鏡組設(shè)計結(jié)果

偏振調(diào)制鏡組由偏振片（P）、普克爾斯盒（PC）、四分之一波片（QWP）、成像鏡組（L）、MCCD 相機組成，MCCD 可分別在 0°，45°，90°，135°四個偏振方向成像，通過這四個偏振方向光強相互計算得出PC所引入相位延遲，進而間接算出光束飛行時間，實現(xiàn)并行激光測距。P，PC，QWP 使用 BK7 平板玻璃表示，L 使用成都光明生產(chǎn)的 HLAK1 和 HZF6 兩種玻璃材料，光闌設(shè)置在 PC 第 1 面上，與望遠鏡組合置后光路圖如圖 6 所示。同樣使用前述的 MTF、點列圖等方法對其像質(zhì)分析可知，各視場 MTF 均接近衍射極限，光斑均在艾里斑內(nèi)、RMS 半徑大小均在 0.002 mm 以下，均小于探測器 3.45 μm 像元大小。同樣光學(xué)設(shè)計滿足系統(tǒng)要求。

3. 結(jié)果分析

3.1 公差分析

對 2.2 節(jié)和 2.3 節(jié)中所設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)（已經(jīng)與 2.1 節(jié)所設(shè)計望遠鏡組合置成一套系統(tǒng)，共孔徑部分公差分配值保持一致）進行公差分析，將望遠鏡的主鏡表面 α 傾斜與成像像面位置作為補償器，主鏡補償范圍為±0.002 rad，成像像面補償范圍為±0.5 mm，使用復(fù)色 MTF 公差標(biāo)準(zhǔn)反向靈敏度計算，分別在空間頻率33 和 50 lp/mm 處所有視場及所有變焦范圍內(nèi)進行分析。經(jīng)過反復(fù)調(diào)整分析，系統(tǒng)參數(shù)公差值部分如表 2 所示，由公差結(jié)果可得，大部分公差在工業(yè)級范圍內(nèi)，只有少數(shù)公差在精確級公差范圍內(nèi)，說明系統(tǒng)整體屬于較易加工裝調(diào)的范圍。

3.2 成像仿真分析

如圖 7 所示，根據(jù)前面光學(xué)設(shè)計結(jié)果，使用 Lighttools 軟件建立系統(tǒng)仿真模型，其中偏振器件 P，PC，QWP 按調(diào)制原理分別設(shè)置為線性起偏器、旋轉(zhuǎn) 45°線性延遲片、旋轉(zhuǎn) 0°線性延遲片。如圖 8 所示，在距模型進光口 15 km 的系統(tǒng)視場范圍內(nèi)設(shè)置待測光源，以仿真不同形狀目標(biāo)物體在系統(tǒng)中成像過程，在視場范圍外設(shè)置有雜散光光源，以仿真視場范圍外雜散光。

圖 7 系統(tǒng) Lighttools 仿真模型圖

通過對 10^7條光線追跡，相對光線功率閾值設(shè)置為 10^-12，在雜散光條件下，正向模擬完成系統(tǒng)成像仿真過程，成像結(jié)果如圖 9 所示。由分析可知，視場范圍內(nèi)，雜散光較少，可以忽略；短波紅外短焦模式時，目標(biāo)探測識別單元邊緣視場存在少量畸變，畸變量小于 5%，目標(biāo)邊緣成像清晰；能分辨直徑 1 m 的獨立正方形目標(biāo)，當(dāng)形狀相似的目標(biāo)之間距離小于 3.25 m 時，系統(tǒng)無法完全區(qū)分。短波紅外長焦模式時，視場范圍內(nèi)成像畸變較小，目標(biāo)邊緣成像清晰，能分辨直徑1 m 的獨立正方形目標(biāo)，當(dāng)形狀相似的目標(biāo)之間距離為 2.25 m 時，系統(tǒng)依然可以進行區(qū)分，而偏振成像激光雷達與短波紅外長焦模式成像視場范圍、成像質(zhì)量與目標(biāo)探測識別單元長焦成像基本一致。整體來說，系統(tǒng)成像質(zhì)量較好。

將偏振成像激光雷達與短波紅外長焦模式成像結(jié)果比較，如圖 10 所示，偏振成像激光雷達接收照度值約為短波紅外長焦模式下的 2.4 倍，且偏振成像激光雷達整體能量分布更加均衡。

4. 總結(jié)

本文針對基于偏振調(diào)制的非掃描型三維成像激光雷達存在需要雙相機、成像視場角受電光晶體限制、成像質(zhì)量易受到入射角度及云霧等大氣條件的影響等缺點，提出采用偏振成像激光雷達與短波紅外變焦光學(xué)系統(tǒng)通過共孔徑的方式，來復(fù)合構(gòu)建雙模目標(biāo)探測成像系統(tǒng)。采用 CodeV 軟件完成望遠鏡組、短波紅外成像鏡組、偏振調(diào)制鏡組及系統(tǒng)整體光學(xué)設(shè)計，并對完成系統(tǒng)像質(zhì)分析，可知所設(shè)計光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量良好，光學(xué)設(shè)計滿足系統(tǒng)設(shè)計要求。使用 Lighttools 軟件對光學(xué)系統(tǒng)成像過程進行仿真，由結(jié)果可知偏振成像激光雷達及短波紅外成像質(zhì)量均較好，雜散光對系統(tǒng)成像影響很小，目標(biāo)邊緣成像清晰，均能分辨直徑 1 m 的獨立正方形目標(biāo)；短波紅外短焦模式視場范圍為其長焦模式的 9 倍；短波紅外長焦模式與偏振成像激光雷達視場范圍基本一致；偏振成像激光雷達接收照度值約為短波紅外長焦模式下的 2.4 倍，且偏振成像激光雷達整體能量分布更加均衡，成像效果更佳。







審核編輯：劉清