王书宇，艾 磊，陶声祥，顾国华

(陆军炮兵防空兵学院 高过载弹药制导控制与信息感知实验室， 合肥 230031)

随着激光技术、电子技术以及光电探测技术的发展，促使激光主动成像技术不断发展。由于该技术具有探测距离远、可夜间成像等优点，同时对雨雪、雾有一定穿透能力，近年来受到国内外的广泛关注。目前，加拿大Obzerv公司，瑞典国防研究中心(FOI)，英国BAE公司，美国INTEVAC公司、麻省理工学院(MIT)，德国陆军大学等单位纷纷投入巨资进行开发[1-5]，已研制成功多种基于激光距离选通成像系统应用于军事领域。国内相关研究开展相对较晚，哈尔滨大学张繁辉等[6]构建了一套激光距离选通系统，并在夜间对700 m的楼体进行了成像。装备学院[7]设计并实现了532 nm和860 nm两个波长的选通成像系统，成功对距离5 m到约20 km范围的目标进行了成像实验。国防科学技术大学[8]解决了一系列激光主动成像的技术难点，制作了实验样机。另外在水下和三维成像方面，也都取得了一定的成果[9-11]。以上这些激光成像系统大都体积庞大、使用困难。为此，本文在实现远距离成像的同时对系统小型化进行了专门设计，使其方便携带，并对系统成像的关键参数设计了自适应调节功能，进一步提高了成像的质量。

1 激光距离选通系统

激光距离选通成像系统的工作原理如图1所示，激光照明系统发射激光脉冲对目标区域进行照射，在激光脉冲传输的过程中，部分激光能量可能会被空气中的散射介质散射或者中间场景反射，这时接收器的选通门处于关闭状态，拒绝了大气后向反射及背景杂波；而当目标区域反射回的激光信号到达接收器时候，系统选通门打开，对目标区域进行成像，之后选通门重新关闭[12]。

为使系统成像距离远，首先需要选择合适功率的激光发射器和感光能力强的成像器件。当远距离选通成像时，容易出现激光照射能量和照射范围过大或过小，激光能量分散不均，因此需要考虑激光发散角、发射脉冲功率等参数与选通距离的关系，以获得最佳的成像效果。同时，为了使该系统体积小、方便携带，在激光器和光学系统的选用和结构上需要专门设计，以满足整个系统的小型化需求。

本文设计的激光距离选通系统主要由发射光学系统、脉冲激光器模块、激光驱动模块、同步控制模块、ICCD成像模块和接收光学镜头等组成，如图2。其中激光驱动电路、脉冲激光器、发射光学系统组成激光照明系统，负责控制与调节激光。同步控制模块、ICCD成像模块、接收光学系统组成选通成像系统，负责选通控制并成像。电动调焦机构主要负责调节变焦位置，实现激光照射范围与视场范围同步。

2 小型化关键技术

2.1 大功率半导体激光器小型化技术

系统设计的观测距离为4 km，其激光功率计算公式[13]如下：

(1)

其中Ed、Sg为摄像机CCD参数，Ed为摄像机光电阴极平均照度的灵敏度阈值，Sg为光电阴极面积；ε、τ、D以及θ、Ω为光学系统参数，ε为光源发射系统透过率，τ为接收系统光学透过率，D为接收系统镜头直径，Ω为接收视场，θ为发射视场；K、a、η为与光源有关的参数，K为光源的光视效能，a为激光脉冲的占空比，η为电源调制效率；μ为大气消光系数；R为成像距离。根据计算，激光的理论功率需要达到30 W，而目前市场上大功率激光器的体积庞大，笨重复杂。为满足小型化和重复频率的要求，特选择体积小重复频率高的半导体激光器。目前市场上半导体激光器单体最大功率一般为10 W，封装体积最小的是C-mount封装。这种封装的散热块与半导体激光器的阳极相连，由于半导体激光器正向耐压只有2 V左右，这样从散热外壳所引入的干扰信号或者静电很容易造成激光器击穿损坏，所以隔离激光器的散热壳体与安装外壳相对困难。因此，本系统选用4个8 W的单体激光器集成，采用阴极接散热块的F-mount封装，以解决因功率较大带来的激光器损坏问题。

电路有两种集成方式：激光器串联或激光器并联。由于半导体激光器输出的光功率直接取决于流过激光器的电流，若采取并联方式不容易控制电流平衡，容易造成各单体之间光功率输出的差异变大，影响激光器的寿命和激光照明时光功率的稳定性。因此本系统采取4个单体激光器以串联方式集成。其整体驱动电压在8 V左右，电流在10 A左右，此时，流过4个激光器的电流一致，同时激光器的光功率输出也比较稳定。既使有电压波动，4个激光器的电流也是同步变化，驱动电源只需控制10 A的恒流输出。

为满足小光束发散角及光斑均匀性的设计要求，4个激光器的出光光束需要耦合成一根光纤。其耦合方式一般分为两种：分离透镜耦合和光纤直接耦合。为尽可能减小光纤耦合过程中的光能损耗，减小激光器的体积，采用锥端球面微透镜直接耦合的方式。如图3所示，其制作方法是先将光纤端部制成锥形，以减小端面半径；然后在锥端形成微透镜，这样的耦合效率一般可达50%～60%，最大可达80%。

2.2 大功率激光脉冲驱动小型化技术

在激光电源驱动方面，由于大功率激光器驱动电流大，驱动过程中发热量大，很容易损坏，如何在高频率脉冲输出的情况下快速的稳定电流，也就是说既要满足在每个脉冲输出时电流的稳定速度要快又要防止在脉冲的上升沿电压冲击过大，这是重点需要解决的问题。

为解决此问题，驱动电源采用集成式电源驱动模块LMZ13610进行恒流源驱动，它的输出电流可以达到10 A，输入电压最大可以达到36 V，电源在电流控制模式下输出电压最大可以达到输入电压，PWM调制频率最高可达600 kHz，符合激光器驱动的要求，同时为解决脉冲电流稳定性和脉冲上升沿电压冲击问题，增加了一个电流负反馈回路，电流负反馈电路采取电阻串联的方式取样负载电流，为了降低取样电阻上的功率消耗，采用1 W、2 mΩ的精密电流测量电阻，激光驱动电路如图4所示，这样不但在驱动负载时稳定电流也可以快速抑制电流脉冲上升时的电压冲击，实现激光器驱动电压和电流的控制和保护。

2.3 光学系统小型化技术

本系统的光学部分主要包括激光发射端和成像接收端。由于光学镜头、像增强器以及CCD摄像机的尺寸各不相同，因此，在设计时采用中继组投影镜组作为转像装置对三者进行连接。通过选择合适的有效孔径、焦距等参数，使选通物镜、像增强器、中继组投影镜与CCD摄像机在尺寸及外形上合理匹配，既提高了系统的分辨力，又减轻了重量，满足系统远距离、小型化的设计目标。

如图5所示，中继组投影镜组由投影镜框、隔圈和透镜组成。其功能是将像增强器荧光屏图像投影在低照度CCD模组靶面上，将光学图像通过CCD模组转换为电信号。由于像增强器的荧光屏尺寸和CCD的靶面尺寸存在一定差别，所以投影镜组起到“聚光”的效果，即通过一系列透镜的会聚作用，将荧光屏的出射光斑缩小到适应CCD成像靶面的大小。因此，为了尽可能减少光束能量的损失，需要合理选取投影镜组的有效通过孔径、焦距等参数。在设计时，通过专用仪器(平行光管等)调试，调节各透镜之间的间隔，保证理论设计参数的实现。

3 其他关键技术

3.1 时间同步控制技术

时间同步控制技术就是激光器输出与ICCD摄像机选通快门的时间同步控制，如图6所示。

本系统中，激光器输出与ICCD摄像机快门开关的时间同步控制选用MICROCHIP公司的dspic33ep512mc806处理器。该处理器主频为120 MHz，时钟周期为8.3 ns，内部带有高速可编程的PWM输出口，PWM输出的频率、占空比可调，PWM口的PWMH和PWML口线输出连续脉冲模式和相位可以自由设定。电路通过PWMH和PWML分别控制激光输出和选通像增强器光输入。因此，系统中只需通过程序控制PWM的占空比和PWMH与PWML的相位差就可以控制选通成像的距离和景深。控制原理如图7所示。

3.2 电动调焦机构设计

激光照明光斑的大小取决于激光照明镜头焦距，摄像机成像视场大小取决于摄像机镜头焦距。因此，只要控制这两个焦距同步就可以控制激光照明光斑与成像视场重合，进而实现视场同步控制。为使激光光斑与选通成像视场相匹配，系统采用焦距连续可调的激光发射镜头和摄像机镜头，并针对这两种镜头设计了一种电动变焦机构。主要包括两个部分：智能化电路控制部分和具有变焦位置信号反馈的机械传动机构部分。

智能化电路控制部分由微处理器，模数转换芯片和驱动芯片组成，目的是为了智能化处理和控制变焦位置。当选通距离发生变化时，激光镜头和摄像机镜头的焦距位置信号反馈进入微处理器，根据微处理器中预先测量后设定的逻辑数据，判断两者的变焦位置是否达到最优匹配状态，然后自动驱动机械传动机构进行调焦。

机械传动机构由1个直流电机通过齿轮传动机构带动1组变倍透镜的轴向运动来实现焦距位置的变化，从而改变激光器发射角大小，达到激光光斑和选通成像视场同步。

电动调焦机构特点是去除了人为调焦的方式，实现微处理器驱动自动调焦，使系统选通过程更迅速高效。微处理内部的既定逻辑数据是通过大量重复性实验得到，代表最佳的变焦位置。其中激光器里电动变焦控制流程图如图8。

微处理器内部的逻辑判断数据获取方法如下：首先将位置测量程序写入微处理器中，接着通过重复多次手动调节镜头焦距和激光照明器焦距，得到最优值，以实现激光照明光斑和镜头视场的范围匹配，达到最佳的变焦位置。然后通过计算机串行接口传输相应的镜头和照明器变焦位置数据，记录下来，按照该办法顺序改变选通距离，最终得到一组不同选通距离的逻辑判断数据。由于微控制器内部的判断逻辑数据是经过多次实验得到的，因此在保证变焦传动精度的前提下，能够实现观测距离和激光器功率、观测视场和激光光斑的最优匹配。

通过上述方法得到逻辑数据作为参数写入控制程序，内部逻辑控制数据如下：

镜头数据:

{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}。

激光照明数据：

{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 实验结果与分析

通过系统设计与关键技术攻关，实现的便携式远距离激光距离选通样机如图9所示，该系统样机长宽高约为30 cm×20 cm×10 cm，其中物镜的口径为9 cm。在夜间，照度为1×10-3lx，使用样机分别对4 km处的城市大楼和郊区的塔吊进行距离选通成像，成像效果如图10所示。

使用改进前后的系统分别对选通距离为1 000～4 000 m，间隔距离为500 m的目标区域成像，并使用Matlab软件进行信噪比的对比分析，采用国际通用图像信噪比计算方法，如式(2)所示：

(2)

式(2)中:μ(DN)为距离选通图像灰度均值;σ(DN)为灰度值标准偏差[14]。实验结果如图11所示。

从图11看，在不同选通距离上，系统改进后的距离选通图像信噪比虽随选通距离的增大而下降，但稳定在8以上，符合目标识别要求。同时与改进前的距离选通系统相比，信噪比平均提升1.37。从4 km处目标成像对比图来看，采用电动变焦机构的系统在获取远距离的成像目标时，能够很好的抑制后向散射光，成像清晰，可辨识度更强。其激光脉冲频率、激光散射角可随选通距离自适应调节，较好地抑制了过度曝光和曝光不足的现象。

5 结论

本文对便携式远距离激光选通成像系统进行了设计，重点研究了脉冲激光器小型化技术，光学系统小型化技术和激光驱动电源小型化技术，提出了一种电机变焦机构，实现了激光照明光斑与摄像机成像视场同步的设计。实验结果表明：改进后的小型化系统成本较低，可以精确实现远距离选通成像，同时成像的亮度和清晰度有很大提升，实现了激光脉冲频率、激光散射角随选通距离自适应调节的功能，避免了出现过度曝光和曝光不足，采集后的图像信息信噪比高，可实际用于安防监控便携式军事侦察等场合，具有十分广阔的应用前景。