王書宇，艾 磊，陶聲祥，顧國華

(陸軍炮兵防空兵學(xué)院 高過載彈藥制導(dǎo)控制與信息感知實(shí)驗(yàn)室， 合肥 230031)

隨著激光技術(shù)、電子技術(shù)以及光電探測技術(shù)的發(fā)展，促使激光主動成像技術(shù)不斷發(fā)展。由于該技術(shù)具有探測距離遠(yuǎn)、可夜間成像等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)對雨雪、霧有一定穿透能力，近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)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(xué)院(MIT)，德國陸軍大學(xué)等單位紛紛投入巨資進(jìn)行開發(fā)[1-5]，已研制成功多種基于激光距離選通成像系統(tǒng)應(yīng)用于軍事領(lǐng)域。國內(nèi)相關(guān)研究開展相對較晚，哈爾濱大學(xué)張繁輝等[6]構(gòu)建了一套激光距離選通系統(tǒng)，并在夜間對700 m的樓體進(jìn)行了成像。裝備學(xué)院[7]設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了532 nm和860 nm兩個(gè)波長的選通成像系統(tǒng)，成功對距離5 m到約20 km范圍的目標(biāo)進(jìn)行了成像實(shí)驗(yàn)。國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)[8]解決了一系列激光主動成像的技術(shù)難點(diǎn)，制作了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。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(tǒng)大都體積龐大、使用困難。為此，本文在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離成像的同時(shí)對系統(tǒng)小型化進(jìn)行了專門設(shè)計(jì)，使其方便攜帶，并對系統(tǒng)成像的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)了自適應(yīng)調(diào)節(jié)功能，進(jìn)一步提高了成像的質(zhì)量。

1 激光距離選通系統(tǒng)

激光距離選通成像系統(tǒng)的工作原理如圖1所示，激光照明系統(tǒng)發(fā)射激光脈沖對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行照射，在激光脈沖傳輸?shù)倪^程中，部分激光能量可能會被空氣中的散射介質(zhì)散射或者中間場景反射，這時(shí)接收器的選通門處于關(guān)閉狀態(tài)，拒絕了大氣后向反射及背景雜波；而當(dāng)目標(biāo)區(qū)域反射回的激光信號到達(dá)接收器時(shí)候，系統(tǒng)選通門打開，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行成像，之后選通門重新關(guān)閉[12]。

為使系統(tǒng)成像距離遠(yuǎn)，首先需要選擇合適功率的激光發(fā)射器和感光能力強(qiáng)的成像器件。當(dāng)遠(yuǎn)距離選通成像時(shí)，容易出現(xiàn)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(fā)散角、發(fā)射脈沖功率等參數(shù)與選通距離的關(guān)系，以獲得最佳的成像效果。同時(shí)，為了使該系統(tǒng)體積小、方便攜帶，在激光器和光學(xué)系統(tǒng)的選用和結(jié)構(gòu)上需要專門設(shè)計(jì)，以滿足整個(gè)系統(tǒng)的小型化需求。

本文設(shè)計(jì)的激光距離選通系統(tǒng)主要由發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)、脈沖激光器模塊、激光驅(qū)動模塊、同步控制模塊、ICCD成像模塊和接收光學(xué)鏡頭等組成，如圖2。其中激光驅(qū)動電路、脈沖激光器、發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)組成激光照明系統(tǒng)，負(fù)責(zé)控制與調(diào)節(jié)激光。同步控制模塊、ICCD成像模塊、接收光學(xué)系統(tǒng)組成選通成像系統(tǒng)，負(fù)責(zé)選通控制并成像。電動調(diào)焦機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)變焦位置，實(shí)現(xiàn)激光照射范圍與視場范圍同步。

2 小型化關(guān)鍵技術(shù)

2.1 大功率半導(dǎo)體激光器小型化技術(shù)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的觀測距離為4 km，其激光功率計(jì)算公式[13]如下：

(1)

其中Ed、Sg為攝像機(jī)CCD參數(shù)，Ed為攝像機(jī)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(xué)系統(tǒng)參數(shù)，ε為光源發(fā)射系統(tǒng)透過率，τ為接收系統(tǒng)光學(xué)透過率，D為接收系統(tǒng)鏡頭直徑，Ω為接收視場，θ為發(fā)射視場；K、a、η為與光源有關(guān)的參數(shù)，K為光源的光視效能，a為激光脈沖的占空比，η為電源調(diào)制效率；μ為大氣消光系數(shù)；R為成像距離。根據(jù)計(jì)算，激光的理論功率需要達(dá)到30 W，而目前市場上大功率激光器的體積龐大，笨重復(fù)雜。為滿足小型化和重復(fù)頻率的要求，特選擇體積小重復(fù)頻率高的半導(dǎo)體激光器。目前市場上半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的陽極相連，由于半導(dǎo)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(tǒng)選用4個(gè)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(lián)或激光器并聯(lián)。由于半導(dǎo)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(lián)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(shí)光功率的穩(wěn)定性。因此本系統(tǒng)采取4個(gè)單體激光器以串聯(lián)方式集成。其整體驅(qū)動電壓在8 V左右，電流在10 A左右，此時(shí)，流過4個(gè)激光器的電流一致，同時(shí)激光器的光功率輸出也比較穩(wěn)定。既使有電壓波動，4個(gè)激光器的電流也是同步變化，驅(qū)動電源只需控制10 A的恒流輸出。

為滿足小光束發(fā)散角及光斑均勻性的設(shè)計(jì)要求，4個(gè)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(dá)50%～60%，最大可達(dá)80%。

2.2 大功率激光脈沖驅(qū)動小型化技術(shù)

在激光電源驅(qū)動方面，由于大功率激光器驅(qū)動電流大，驅(qū)動過程中發(fā)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(wěn)定電流，也就是說既要滿足在每個(gè)脈沖輸出時(shí)電流的穩(wěn)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(diǎn)需要解決的問題。

為解決此問題，驅(qū)動電源采用集成式電源驅(qū)動模塊LMZ13610進(jìn)行恒流源驅(qū)動，它的輸出電流可以達(dá)到10 A，輸入電壓最大可以達(dá)到36 V，電源在電流控制模式下輸出電壓最大可以達(dá)到輸入電壓，PWM調(diào)制頻率最高可達(dá)600 kHz，符合激光器驅(qū)動的要求，同時(shí)為解決脈沖電流穩(wěn)定性和脈沖上升沿電壓沖擊問題，增加了一個(gè)電流負(fù)反饋回路，電流負(fù)反饋電路采取電阻串聯(lián)的方式取樣負(fù)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(qū)動電路如圖4所示，這樣不但在驅(qū)動負(fù)載時(shí)穩(wěn)定電流也可以快速抑制電流脈沖上升時(shí)的電壓沖擊，實(shí)現(xiàn)激光器驅(qū)動電壓和電流的控制和保護(hù)。

2.3 光學(xué)系統(tǒng)小型化技術(shù)

本系統(tǒng)的光學(xué)部分主要包括激光發(fā)射端和成像接收端。由于光學(xué)鏡頭、像增強(qiáng)器以及CCD攝像機(jī)的尺寸各不相同，因此，在設(shè)計(jì)時(shí)采用中繼組投影鏡組作為轉(zhuǎn)像裝置對三者進(jìn)行連接。通過選擇合適的有效孔徑、焦距等參數(shù)，使選通物鏡、像增強(qiáng)器、中繼組投影鏡與CCD攝像機(jī)在尺寸及外形上合理匹配，既提高了系統(tǒng)的分辨力，又減輕了重量，滿足系統(tǒng)遠(yuǎn)距離、小型化的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

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(qiáng)器熒光屏圖像投影在低照度CCD模組靶面上，將光學(xué)圖像通過CCD模組轉(zhuǎn)換為電信號。由于像增強(qiáng)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(yīng)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(shù)。在設(shè)計(jì)時(shí)，通過專用儀器(平行光管等)調(diào)試，調(diào)節(jié)各透鏡之間的間隔，保證理論設(shè)計(jì)參數(shù)的實(shí)現(xiàn)。

3 其他關(guān)鍵技術(shù)

3.1 時(shí)間同步控制技術(shù)

時(shí)間同步控制技術(shù)就是激光器輸出與ICCD攝像機(jī)選通快門的時(shí)間同步控制，如圖6所示。

本系統(tǒng)中，激光器輸出與ICCD攝像機(jī)快門開關(guān)的時(shí)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(shí)鐘周期為8.3 ns，內(nèi)部帶有高速可編程的PWM輸出口，PWM輸出的頻率、占空比可調(diào)，PWM口的PWMH和PWML口線輸出連續(xù)脈沖模式和相位可以自由設(shè)定。電路通過PWMH和PWML分別控制激光輸出和選通像增強(qiáng)器光輸入。因此，系統(tǒng)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(diào)焦機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

激光照明光斑的大小取決于激光照明鏡頭焦距，攝像機(jī)成像視場大小取決于攝像機(jī)鏡頭焦距。因此，只要控制這兩個(gè)焦距同步就可以控制激光照明光斑與成像視場重合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)視場同步控制。為使激光光斑與選通成像視場相匹配，系統(tǒng)采用焦距連續(xù)可調(diào)的激光發(fā)射鏡頭和攝像機(jī)鏡頭，并針對這兩種鏡頭設(shè)計(jì)了一種電動變焦機(jī)構(gòu)。主要包括兩個(gè)部分：智能化電路控制部分和具有變焦位置信號反饋的機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)部分。

智能化電路控制部分由微處理器，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片和驅(qū)動芯片組成，目的是為了智能化處理和控制變焦位置。當(dāng)選通距離發(fā)生變化時(shí)，激光鏡頭和攝像機(jī)鏡頭的焦距位置信號反饋進(jìn)入微處理器，根據(jù)微處理器中預(yù)先測量后設(shè)定的邏輯數(shù)據(jù)，判斷兩者的變焦位置是否達(dá)到最優(yōu)匹配狀態(tài)，然后自動驅(qū)動機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)焦。

機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)由1個(gè)直流電機(jī)通過齒輪傳動機(jī)構(gòu)帶動1組變倍透鏡的軸向運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)焦距位置的變化，從而改變激光器發(fā)射角大小，達(dá)到激光光斑和選通成像視場同步。

電動調(diào)焦機(jī)構(gòu)特點(diǎn)是去除了人為調(diào)焦的方式，實(shí)現(xiàn)微處理器驅(qū)動自動調(diào)焦，使系統(tǒng)選通過程更迅速高效。微處理內(nèi)部的既定邏輯數(shù)據(jù)是通過大量重復(fù)性實(shí)驗(yàn)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(nèi)部的邏輯判斷數(shù)據(jù)獲取方法如下：首先將位置測量程序?qū)懭胛⑻幚砥髦?，接著通過重復(fù)多次手動調(diào)節(jié)鏡頭焦距和激光照明器焦距，得到最優(yōu)值，以實(shí)現(xiàn)激光照明光斑和鏡頭視場的范圍匹配，達(dá)到最佳的變焦位置。然后通過計(jì)算機(jī)串行接口傳輸相應(yīng)的鏡頭和照明器變焦位置數(shù)據(jù)，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(shù)據(jù)。由于微控制器內(nèi)部的判斷邏輯數(shù)據(jù)是經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)得到的，因此在保證變焦傳動精度的前提下，能夠?qū)崿F(xiàn)觀測距離和激光器功率、觀測視場和激光光斑的最優(yōu)匹配。

通過上述方法得到邏輯數(shù)據(jù)作為參數(shù)寫入控制程序，內(nèi)部邏輯控制數(shù)據(jù)如下：

鏡頭數(shù)據(jù):

{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(shù)據(jù)：

{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(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

通過系統(tǒng)設(shè)計(jì)與關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)的便攜式遠(yuǎn)距離激光距離選通樣機(jī)如圖9所示，該系統(tǒng)樣機(jī)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(jī)分別對4 km處的城市大樓和郊區(qū)的塔吊進(jìn)行距離選通成像，成像效果如圖10所示。

使用改進(jìn)前后的系統(tǒng)分別對選通距離為1 000～4 000 m，間隔距離為500 m的目標(biāo)區(qū)域成像，并使用Matlab軟件進(jìn)行信噪比的對比分析，采用國際通用圖像信噪比計(jì)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(biāo)準(zhǔn)偏差[14]。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

從圖11看，在不同選通距離上，系統(tǒng)改進(jìn)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(wěn)定在8以上，符合目標(biāo)識別要求。同時(shí)與改進(jìn)前的距離選通系統(tǒng)相比，信噪比平均提升1.37。從4 km處目標(biāo)成像對比圖來看，采用電動變焦機(jī)構(gòu)的系統(tǒng)在獲取遠(yuǎn)距離的成像目標(biāo)時(shí)，能夠很好的抑制后向散射光，成像清晰，可辨識度更強(qiáng)。其激光脈沖頻率、激光散射角可隨選通距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)，較好地抑制了過度曝光和曝光不足的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

本文對便攜式遠(yuǎn)距離激光選通成像系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，重點(diǎn)研究了脈沖激光器小型化技術(shù)，光學(xué)系統(tǒng)小型化技術(shù)和激光驅(qū)動電源小型化技術(shù)，提出了一種電機(jī)變焦機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了激光照明光斑與攝像機(jī)成像視場同步的設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的小型化系統(tǒng)成本較低，可以精確實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離選通成像，同時(shí)成像的亮度和清晰度有很大提升，實(shí)現(xiàn)了激光脈沖頻率、激光散射角隨選通距離自適應(yīng)調(diào)節(jié)的功能，避免了出現(xiàn)過度曝光和曝光不足，采集后的圖像信息信噪比高，可實(shí)際用于安防監(jiān)控便攜式軍事偵察等場合，具有十分廣闊的應(yīng)用前景。