近红外激光主动夜视照明系统总体设计的方法

艾 磊

(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，安徽 合肥 230031)

引言

激光主动成像技术的激光主要在近红外波段，具有成像距离远，成像清晰，可以抑制背景干扰，识别目标及要害，并且还可以测距等特点，可作为被动成像的有益补充，因而受到国内外各个政府和军队的高度重视，其中激光距离选通技术更是研究的热点[1-7]。众所周知，对于激光主动成像系统而言，激光照明系统的性能指标，对整个系统设计至关重要，这将直接影响主动夜视系统的成像效果和成像距离。目前，激光器发展迅速，光学元器件的制造工艺也越来越先进精密，这极大地推动了主动夜视系统的发展。目前，人们主要研究了大气的传输效应对光源的影响[8]，激光器发射功率的计算以及近红外距离选通作用距离模型[9-13]，激光器的光斑整形、均匀化以及光纤耦合方法[14，15]，大功率半导体激光的驱动电路设计[16-19]，红外LED光源的照明系统[20]，而很少提及激光照明系统总体设计的方法。因此，本文提出了近红外激光照明系统总体设计的方法，这对实际主动夜视系统的照明系统设计具有一定的参考价值。

1 大气的传输效应对光源的影响

由于大气中存在各种气体和微粒，将对激光产生吸收和散射，因此造成激光能量损失，导致探测器接收信号减弱，这就是所谓的大气衰减[21，22]。激光大气衰减的主要因素有大气分子的吸收和散射，以及大气气溶胶的吸收和散射。 根据文献[23]，在近红外波段，激光传输衰减主要包括大气分子吸收和瑞利散射，大气气溶胶的米氏散射，其具体原因就不再赘述。

我们将激光透过率较高的波段称为“大气窗口”，激光照明使用的激光器通常使用近红外半导体激光器，其波段也都在窗口之内，波长有808、830、850、915、940 nm和980 nm等，其中808 nm半导体激光器工艺最成熟，使用也做广泛，一个主要原因是普通CCD/CMOS图像传感器在近红外波段量子效率随着波长的延伸逐步降低，所以为了获得最好的照明效果，通常选用808 nm半导体激光器。

由于大气分子直径远小于激光波长的粒子，激光还会发生瑞利散射，瑞利散射系数的经验公式为

(1)

式中σm为瑞利系数；N为单位体积中的分子数；A为分子的散射截面；λ为光波波长。由此可知瑞利散射系数与分子密度成正比，与波长的四次方成反比。波长越长，散射越弱；波长越短，散射越强烈。因此应该选择A很小激光器，这样瑞利散射的衰减可以忽略不计。

大气气溶胶衰减一般用大气能见度来估算。大气能见度定义为：在白日水平天空背景下，对于0.55 μm的光，可分辨足够大的绝对黑体的最远视程。气溶胶的衰减系数为

(2)

式中V为大气能见度；λ为激光波长；q为与波长和能见度密切相关的常数。

对于近红外光有：

晴朗的天气下，取V=15 km，q=1.3。对于808 nm激光，可由式(2)求得气溶胶衰减系数为

2 总体设计方法

激光照明系统主要包括半导体激光器、恒流激光驱动、光束整形及光斑调节光学镜头组成。其工作过程主要是由恒流激光驱动电路控制驱动近红外半导体激光器发出近红外波段的激光，再由光束整形、光斑调节光学镜头调整激光束的发散角以及形状，使其成圆形或者方形输出。

针对激光照明系统的各个组成部分，本文通过查阅收集资料，提出了激光照明系统的总体设计方法，实践证明将该方法用于激光主动照明系统设计效果显著，对成像的清晰度 和距离有一定提高。

2.1 近红外激光器

近红外激光器设计主要包括近红外激光波长选择，作用距离方程的研究，激光功率的计算。

1)激光的波长。在夜间，为了避免可见光的暴露，选择的激光波长最好大于0.76 μm，还需要考虑激光在大气中的传输特性，普通图像传感器在近红外区域量子效率随着波长的延伸逐步降低。同时为了使激光功率与探测距离达到最优配置，提高整个系统的性价比，尽可能使用激光波长处于“大气窗口”中。

2)激光作用距离方程。根据文献[12,24]的详细推导，激光照明的作用距离和激光功率的关系方程可表示为

(3)

式(3)称为使反射率为ρ的朗伯体成像所需的最小激光发射功率，也称为激光的平均功率。其中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；K为光源的光视效能；D为接收系统镜头直径，Ω为接收视场；θ为发射视场；ε为光源发射系统透过率，τ为接收系统光学透过率；μ为大气消光系数，R为成像距离；τa=exp(-2μR)为大气透过率。

假设激光脉冲的占空比为a，激光峰值功率Pc，电源调制效率为η，则P=Pcaη，故

(4)

式(4)中η取决于调制电压的质量和调制频率，根据文献[25]中提到的一种电压调制方法，当调制频率在(25 ～100) kHz，η取0.8～0.2。式(4)充分阐明了及激光功率和摄像机参数，以及成像距离和视场之间的关系。

3)激光功率计算。根据式(4)可知，激光的峰值功率涉及到相机的有两个参数：Ed为光电阴极平均照度的灵敏度阈值；Sg为光电阴极面积。对于大多数商业化的CCD和CMOS相机而言，尺寸型号已经标准化了，常见的CCD大小为1/4″,1/3″,1/2″和1″, 对应的尺寸见表1。

表1 常见CCD型号及尺寸

计算中采用最常见的CCD型号1/2″和1/3″，普通红外相机的光电阴极平均照度的灵敏度阈值Ed约为10-2～10-3lx，微光夜视产品可以通过前段耦合像增强器可以达到10-6～10-7lx，但平均照度的灵敏度阈值Ed越低，其所对应的相机价格越昂贵。所以在高性价比的原则下，我们可以固定其他参数，可以得到激光峰值功率Pc与成像距离之间的关系，根据文献[24，25]，我们取参数如下：激光光视效能K=20；电源调制效率η=30%；激光脉冲占空比a=0.2(当Dview=L/2时，其中L是成像距离，Dview是景深)；发射系统光学透过率ε=0.8；接收系统光学透过率τ=0.8；接收望远镜直径D=0.1 m；大气衰减系数μ=0.000 05；目标漫反射ρ=0.1。

假设系统光学发射和接收系统均可变焦，则发射角、接收角和视场相关。以观察一辆汽车为例，假设保持视场(8×8) m2不变，则接收角Ω=8/R，则激光照射范围应略大于接收视场，故取发射角θ=9/R。

由表2知，在光电阴极面积Sg=17.28×10-6m2，普通相机光电阴极平均照度的灵敏度阈值Ed大于10-4lx的条件下，固定其他参数值，若需观察2 000 m的目标，则需激光器的峰值功率大于50 W。经过市场调研，可知单管半导体激光器功率一般有<5、5、10和>10 W远距离照明时，通常有单管组合成多管激光器模组，组成不同功率的激光器，如15、20、30和60 W等，市面上出售的最大可达200～300 W。激光功率的选择，跟夜视距离的平方成正比，跟所选镜头F数的平方成正比，跟摄像机的灵敏度阈值成正比。

表2 Ed，Pc和R之间的关系(Sg=17.28×10-6 m2)

2.2 恒流激光驱动

激光器驱动的关键在于高频、大电流和瞬时保护，半导体激光器特点是耐压低，内阻小，因此，注入电流的稳定性，对激光器驱动有直接影响，激光器需要纹波小，少毛刺恒稳流的驱动电路。

恒流源系统组成如图1所示，整体设计方案采用深度负反馈控制原理，对驱动电流进行直接的有效控制，由此获得最低的电流偏差和最高的激光器输出稳定性。

图1 恒流驱动系统方框图Fig.1 Block diagram of constant current drive system

整个恒流源主要由电压基准电路、电压电流转换电路、保护电路、末级电路和显示电路组成[26]。在设计中，为了解决脉冲电流稳定性和脉冲上升沿电压冲击问题，增加了对电流的负反馈控制，这样就可在驱动负载时稳定电流，也可以快速抑制电流脉冲上升沿时电压的冲击，电流的负反馈电路采用电阻串联的方式取样负载电流，降低取样电阻的消耗。同时为了满足电压基准的要求，可以增加一级放大电路进行放大，放大器可以采用轨型运放控制，这样就可以调节放大倍数实现对脉冲电流的调节。

2.3 光束整形

半导体激光器的不足之处在于其出光发散角大，成椭圆形高斯光束，光束质量差，不能用于直接照明。为了在远距离较好的获得较高的光束质量，就需要对激光光束进行整形设计。激光束压缩透镜主要用于将激光光束发散角进行压缩，在一般距离上观察时为了在不同距离上都能正常观察目标，通常采用变倍镜头，对近距离的目标，将光束发散角变大，这样照明范围大，光强度变弱，成像部分不会因为光强度大而饱和；对于远距离的目标，让将光束发散角变小，这样照明范围小，光强度变强，成像部分不会因为远距离衰减，从而增大观察距离。激光光束整形是在已经设计定型的半导体激光器上进行的，主要有3种技术方案：以半导体激光器准连续堆叠阵列为基础，采用宏透镜进行光束整形；以光纤耦合输出半导体激光器为基础，采用宏透镜进行整形；采用微透镜对半导体激光器进行整形。

图2是采用宏透镜对光纤耦合(耦合方式如图3所示)输出后的激光光束进行整形，主要利用了一组光束整形镜头对光束进行了压缩，最后按照设计的发散角输出。

图2 光束整形镜头Fig.2 Beam shaping lens

图3 光纤耦合方式Fig.3 Fiber coupling mode

3 试验结果

根据以上近红外激光主动夜视总体设计技术，我们设计了一套激光照明系统。采用光纤耦合了4个波长为808 nm的半导体激光器，设计了大功率恒源流激光脉冲驱动电路以及光束整形光学系统，并进行了照明成像试验，试验结果如图4所示，整形后的远场光斑如图5所示。

图4 夜间照明试验Fig.4 Night lighting test

图5 光纤耦合及宏透镜整形后远场光斑Fig.5 Fiber coupling and far field facula after macro lens shaping

4 结束语

笔者对近红外激光主动夜视照明系统总体设计进行了研究，对涉及到的关键技术进行了介绍和研究，具有一定的参考价值。试验表明，运用本文研究的技术方法可有效建立一套激光照明系统，且激光照明光斑均匀，光束质量高，可以在夜间实现对远距离目标清晰成像。