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1、第10卷 第1期 2010年1月 16711815 (2010) 120030205科 学 技 术 与 工 程 Science Technology and EngineeringVol110 No11 Jan12010 2010 Sci1Tech1Engng1物理学基于重叠因子的激光主动成像系统参数分析赵 云 李迎春1孙华燕1郭惠超(装备指挥技术学院研究生管理大队,光电装备系1,北京101416)摘 要 重叠因子是分析成像系统收发视场匹配的重要参数。介绍了选通型激光主动成像系统的工作原理,定性分析了系统成像性能与重叠因子的关系。将重叠因子引入了系统的分析设计中。从实际出发,分析计算重叠因子与
2、系统发散角、 视场角等参数的关系。结果表明利用重叠因子分析和设计系统发散角等参数的方法是可行的。关键词 主动成像 重叠因子 视场分析中图法分类号 O432112; 文献标志码 A2009年9月15日收到第一作者简介:赵 云(1984) ,男,硕士,研究方向:光电信息处理与激光成像。E2mail: zhaoyunhappyyeah. net。随着军事及其他领域对目标探测及识别要求的不断提高,激光主动成像技术越来越受到关注,近些年得到长足发展1。为了克服后向散射对系统成像性能的影响,选通技术被应用于激光主动成像系统中,系统信噪比得到很大程度提高;同时,优化合理的系统结构对整个系统的成像性能与探测距
3、离也会产生影响。系统设计时,如何权衡各子系统指标及优化结构是一个比较复杂的过程,本文针对这一问题,引入重叠因子概念,通过对重叠因子的仿真计算,分析了其与距离选通激光主动成像系统发散角、 视场角等参数的关系,为实际系统的构建和优化提供了依据。1 激光主动成像系统及视场分析1. 1 距离选通激光主动成像系统工作原理激光主动成像系统是将脉冲激光技术、 距离选通技术和数字图像处理技术相结合产生的一种激光主动成像系统2 。辅以距离选通技术的激光主动成像系统,大幅度降低了大气后向散射及背景噪声的影响,系统信噪比明显改善,成像质量和探测距离得到很大程度的改善,并且提高了在恶劣天气条件下的工作能力。距离选通激
4、光主动成像系统以近红外脉冲激光器作为照明光源,以选通型I CCD作为接收器件。其工作过程为:脉冲激光器发射高功率短脉冲激光,发射光束经大气传输到达目标空间,此时接收器的选通门一直是关闭的;脉冲激光由目标表面反射后经大气传输到达接收器,同步控制装置开启选通门,接收器接收光信号成像;当这一过程完成后,选通门再次关闭,选通门开启的持续时间与发射脉冲宽度一致。其工作原理如图1所示3 。典型的距离选通激光主动成像系统由激光照明系统、 选通型成像系统、 同步控制与图像处理系统等组成。激光器的选取要遵循峰值功率大、 脉冲宽度窄、 大气传输特性好的原则;探测器应具有超短快门成像能力,高空间分辨率和高量子效率,
5、低噪声,有足够的增益动态范围;同步控制的精度越高越好。但在工程应用中,由于技术瓶颈和产品造价等因素,激光器及其他器件的指标不可能完全达到最优,这就要求设计者根据系统应用要求,合理选取器件指标,使系统既达到应用要求,造价又最低。1. 2 视场分析距离选通激光主动成像系统的视场决定于两个方面:照明视场和接收视场。如图2所示,其中,1期赵 云,等:基于重叠因子的激光主动成像系统参数分析图1 距离选通激光主动成像系统工作原理图为激光发散角,其决定激光照亮的目标范围,即照明视场,这个范围内目标有足够的亮度可以成像;为接收视场角,决定接收视场的大小,视场角的大小由接收光学系统和探测器成像面尺寸共同决定4。
6、图2 收发视场示意图照明视场与目标的关系通常有大视场小目标和小视场大目标两种。对于大视场小目标,在系统设计时只要求视场能够完全覆盖目标,略大于目标即可,以节约激光能量,视场过大会导致激光能量的损失;对于小视场大目标,只能对目标的一部分成像,可以通过扫描多次成像等方法对整个目标成像。基于以上分析,我们对视场分析时,认为照明视场与目标基本匹配。当激光照明视场与接收视场完全一致时激光能量利用效率最高,接收视场过大则背景噪声会变大,过小则信号会有损失。因此,在系统设计时不能只从激光能量角度考虑发散角,还要从视场匹配的角度考虑其与接收视场同步。为了使接收视场和照明视场同步,激光能量的利用效率达到最高,设
7、计和优化系统时,我们要充分考虑系统同轴或非同轴、 收发系统间距及视场角和发散角的选择问题。2 重叠因子重叠因子指任一探测距离上,激光光强在收发视场重合截面上的积分与光强在发射视场截面上积分的比值,探测距离不同,其数值不同,在系统参数不变的情况下,为距离的函数。距离选通激光主动成像系统有同轴和非同轴系统,下面分别介绍两种系统的重叠因子。2. 1 同轴系统重叠因子对于同轴系统,原则上只要是接收视场角大于激光束发散角,即可使得重叠因子总为1。但要做到系统的收发同轴,必须有次镜的存在,这就使得在探测近距离目标时接收望远镜不能全部接收激光大气回波信号。假设系统已满足接收视场角大于激光束发散角的条件,在距
8、离R处接收光束的截面上,次镜的挡光面积为S1(近似为常数) ,发射光束的面积为S2,则该系统的重叠因子可表示5 为:(R)=S2- S1S2=1-S1S2(1)当R值较大且满足S2S时,(R)1,即可认为发射光束的回波信号全部进入接收系统。在同轴系统的设计时,可以利用重叠因子,合理选择接收系统口径、 次镜口径、 发散角等参数,达到系统优化。2. 2 非同轴系统重叠因子图3是非同轴激光主动成像系统重叠因子示意图。用R表示系统探测距离,当RR1时,(R) =0称为探测盲区,此时无激光大气回波信号,R1称为盲区距离;当RR2时,(R) =1称为充满区,激光能量全部被利用,R2称为充满区距离;当R1R
9、R2时,0 (R) 1称为过渡区,此时部分回波信号进入接13科 学 技 术 与 工 程10卷收系统,激光能量有效利用率随距离逐渐增加。设光强分布均匀,光束初始半径W,发散角 t,接收望远镜的直径Dr,接收平面视场角 r,两光轴间距为d,由几何关系,距离R处发射光束剖面半径r1、 接收光束剖面半径r2分别为:r1=w +rR 2,r2=Dr+rR 2(2)图3 系统重叠因子截面示意图盲区距离R1和充满区距离R2近似关系式5 R1=d - (Dr+Dt) r+t,R2=d - (Dr- Dt) r-t(3)由式(3)可知,接收视场角 r愈大,R1、R2愈小,则重叠因子对系统距离上的影响愈小,但背景
10、辐射噪声也相应增加,因此,需综合考虑r和t大小的最佳匹配,通常接收视场角略大于激光束发散角。要选择合适的接收视场角 r和激光束发散角 t,必须先解得重叠因子。在两光轴平行的情况下,根据重叠因子定义,其表达式6 为:(R)=Prec(R)Ptran(R)= D1(R)h (x, y, z)dxdy D (R)h (x, y, z)dxdy(4)式(4)中,D1(R)为距离R处发射场与接收场的重叠面积,D(R)为距离R处发射场面积,h(x,y,z)为激光束的强度分布函数。若两光轴存在夹角,则积分区为重叠面积在该平面上的投影。根据以上对系统视场及重叠因子的分析可知,重叠因子越大,进入接收视场的回波能
11、量越大,成像质量越好。重叠因子是反映收发视场匹配的关键参数之一,其大小与激光光束的发散角、 接收光学系统的视场角、 收发系统接光轴之间的距离及两者间的不平行度有关。因此,分析重叠因子,对设计优化主动成像系统的结构有指导作用。3 仿真分析由于距离选通激光主动成像系统特殊的工作体制,一般采用非同轴系统。用Matlab对距离选通激光主动成像系统重叠因子进行仿真分析,设收发光轴平行,系统工作波长 = 1. 06m,光斑初始半径w=2 mm。3. 1 重叠因子与发散角、 视场角及光轴间距关系分别改变接收光学系统视场角、 激光发散角及两光轴间距,仿真重叠因子随距离的变化,分析各参数对重叠因子的影响。结果如
12、图4 图6,其中,横坐标表示探测距离R,单位为km;纵坐标为重叠因子;d为收发光轴间距;t为激光发散角;r为接收视场角;Dr为接收望远镜口径。231期赵 云,等:基于重叠因子的激光主动成像系统参数分析图6 重叠因子与发散角的关系图4中视场角 r从0. 8 mrad增至1. 5 mrad时重叠因子到达1的距离从3 km减小到0. 5 km,探测盲区减小到300 m,探测范围增大,迅速到达充满区,说明同条件下大视场角系统在探测范围和接收回波强度上均优于小视场角系统,视场角越大,系统性能改善越明显,但视场角增大,接收背景噪声也会增大,因此必须合理选择视场角;图5说明收发光轴间距越小,系统性能越优良,
13、当间距d为0. 5 m时,盲区距离在500 m以下,过渡区距离在(400500)m,由于受器件自身尺寸的影响,实际收发系统间距不可能很小;从图6中我们可以看出重叠因子与激光发散角变化的关系,发散角越小,盲区距离越大,到达1的距离越小,过渡区变化越快,说明小发散角系统在探测远距离目标时有利,而大发散角系统的盲区范围小,探测近距离目标有利。3. 2 利用重叠因子设计系统参数重叠因子在近距离探测时受发散角、 视场角、 光轴间距影响较大,因此,用重叠因子设计近距离探测系统指导意义更明显。设探测距离R= 1. 5 km,通过分析重叠因子,合理选择系统视场角、 发散角及光轴间距。图7、 图8中,d为收发光
14、轴间距;t为激光发散角;r接收视场角;Dr为接收望远镜口径。图7中激光发散角不同,重叠因子为1时的视场角也不同,说明系统设计过程中需要而且可以通过分析重叠因子使得发散角和视场角达到匹配。探测距离一定时,激光器的发散角越小,系统所需的接收光学系统的视场角也越小。在实际工程中一般优先考虑激光器的能量及发图7 视场角与发散角匹配图散角等参数。在探测距离R= 1. 5 km,我们选定t=0. 8 mrad,根据图7,确定接收视场角为 r= 1. 5mrad,下面分析收发光轴间距。仿真结果如图8,从图中看出两光轴间距不得大于0. 6 m,考虑到接收望远镜口径、 激光器体积及支架等其他因素,光轴间距应在0
15、. 4 m左右。以上的分析是在探测距离R=1. 5 km条件下进行的,根据3. 1的分析可知,大发散角系统适合近距离目标探测,小发散角系统适合远距离目标探测,因此探测距离较小时,对发散角分析和选择的结论会出现不同,但这种利用重叠因子分析系统的方法仍然有效。图8 光轴间距与重叠因子匹配图4 结论把重叠因子引入距离选通激光主动成像系统的参数设计和结构分析中,用计算机仿真的方法,给出了重叠因子与激光发散角、 接收视场角等参数的关系,通过分析,明确了各参数对系统成像性能的影33科 学 技 术 与 工 程10卷响,并给出量化数据。在实际设计构建系统时,可以根据应用需求,利用该方法,匹配系统各参数指标,优
16、化系统性能。但在实际系统设计时需要考虑大气等因素的影响。参 考 文 献1 蔡喜平,赵 远,黄建明,等.成像激光雷达系统性能的研究.光学技术,2001; 27 (1) : 60622 McDonald T E, Yates G J, Cverna F H,et al .Range gated imagingexperimentsusinggatedintensifiers .ProcSPIE, 1999; 3642:1421483 徐效文,郭 劲,于前洋.距离选通激光成像系统发展现状.仪器仪表学报, 2003; 24(4) : 6166184 Snell K J, ParentA ,LevesqueM,et al.An active range2gated near2IR sys
