第40卷第5期 V01.40 NO.5 红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering 2011年5月 Mav 2011 视场外激光干扰CCD探测系统实验研究与理论分析 李海燕,朱敏,吕俊伟,王宏伟 (海军航空工程学院,山东烟台264001) 摘 要:为了对抗CCD成像制导武器,采用激光辐照方式进行压制性干扰极为有效。由于距目标较 远,难以保证激光束能够视场内入射进行饱和干扰,故实施激光视场外干扰。首先进行了视场外激光 干扰VC.210B型CCD探测系统的实验,然后利用激光束通过光学系统时的衍射和散射概念,深入分 析了视场外激光干扰CCD探测系统的原理,讨论了激光散斑对比度与入射角之间的关系。实验结果 和分析结论表明:视场外激光可实现对CCD探测系统的有效干扰,这种干扰主要是由于CCD探测系 统的结构对视场外激光的散射和衍射以及视场外激光散斑效应引起的。 关键词:CCD; 激光干扰; 激光散斑 中图分类号:TN249 文献标志码:A 文章编号:1007—2276(2011)05—0840—04 Experiment research and theory analysis for off—axis laser disturbing CCD detection system Li Haiyan,Zhu Min,Lv Junwei,Wang Hongwei (Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai 264001,China) Abstract:The laser suppressant interference is very eficifent to confront CCD imaging guidance weapons. The laser beam usually can t enter the view of field and disturb the CCD because of the long range from hte objects.So it S more important to implement off—axis laser disturbance.Firstly,the experiments of off— axis laser disturbing VC一210B CCD were carried out.Then the theory of off—axis laser disturbance was analyzed deeply by using the conceptions of diffraction and scatter as laser beam passing through optical system.Finally,the relation between the incidence angles and speckle contrast was discussed. Experimental results and theory analysis show that off—axis laser can disturb CCD imaging detection system eficientfly.The main source is the diffraction and scatter,especially the speckle effect of off—axis laser introduced by the restructure of CCD detection system. Key words:CCD: 1aser disturbance; 1aser speckle 收稿日期:2010—08—02; 修订日期:2010—09—26 基金项目:国家自然科学基金(5l005242);863课题基 ̄(2006AA703218D);海军航空工程学院青年基金(HYQN200805) 作者简介:李海燕(1979一),女,讲师,硕士,研究方向为光电对抗、高能激光技术及应用。Emaill:haiyanli0609@sohu.com 第5期 李海燕等:视场外激光干扰CCD探测系统实验研究与理论分析 841 出光孔径为4113113。激光器、光阑和中性滤光片安装在 0引言 成像制导是一种具有较强抗干扰能力的制导体 制,代表了当今精确制导武器的发展方向.在军事领 光学导轨上,被测CCD探测器固定在一个六自由度 液压转台上,控制旋转可观察和测量不同视场角时激 光对CCD探测器的干扰情况。由于CCD的饱和阈值 域得到了广泛应用。CCD成像制导武器的核心部 件——CCD探测器具有极高的探测灵敏度。极易受 到激光的干扰和损伤,利用激光辐照CCD器件对成 像型精确制导武器进行压制性干扰是一种很有效的 方法。按照激光束与探测器视场的位置关系,可将其 分为视场内饱和与视场外干扰两种:前者指激光束人 射于探测系统视场之内,其光斑或像点直接落在 CCD探测器表面上所产生的饱和现象。后者指激光 束位于探测系统视场之外,激光束的几何像点落在 CCD芯片之外,但仍能形成有效的干扰。CCD探测器 作为成像跟踪系统制导和侦察的关键部件.除了要有 极高的探测灵敏度外,还要具有较小的视场角与较高 的杂光抑制能力。激光武器在实战环境中距离敌方动 目标较远,即使人射激光束能够准确地辐照CCD成 像制导武器的导引头部位.也无法保证其进入探测器 视场内部,直射CCD探测器表面,故研究视场外激光 对CCD探测系统的干扰尤为重要『1]。文中通过实验研 究和理论分析两种方式,利用激光束通过光学系统时 的衍射和散射概念,同时考虑光学系统对入射激光的 漫反射。深入分析了视场外激光干扰CCD探测系统 的原理。 1实验 1.1器件参数 实验中采用的CCD探测系统为索尼公司VC. 210B型0.85 cm(1/3 in)靶面黑白微型摄像机,水平清 晰度420线,像素500(水平)x582(垂直),感光面积 4.9mmx3.7ITnTI,最低照度0.05lx(F=I.2)。光学镜头 的视场约为52。x44。,光圈F=2.0,镜头焦距3.6mnl, 镜头材料为石英玻璃。 1-2实验装置 激光视场外辐照CCD探测器的实验装置如图1 所示。激光功率计测量精度为±5%,最小探测功率达 l0 W级。利用TDS210型数字实时示波器.采用中 性滤光片组定量衰减连续激光能量。实验中采用平均 功率为25mW的He Ne连续激光辐照CCD探测器. 非常小,必须考虑背景光的影响,为减小误差,实验在 暗室内进行。 图l激光视场外辐照CCD探测器实验装置图 Fig.1 Experiment device sketch of CCD detector irradiated by off—axis laser 1.3实验过程 实验初始调整激光束与CCD探测系统光轴对 准,激光器出光孑L与CCD探测器之间的距离为1.2m。 用示波器和监视器分别观察CCD输出的视频信号和 图像,由示波器显示的视频信号波形和监视器的图像 判断人射到CCD的光信号是否使CCD饱和。首先将 激光衰减到使CCD探测器处于视场内饱和状态,此 时激光在CCD探测器靶面功率密度为2.8W/cm。。然 后控制转台带动其上的CCD探测器进行转动,使得 激光入射方向与CCD探测器系统光轴之间的夹角时 时发生变化.并调整探测器位置保证激光束始终辐照 探测器的镜头中心。 实验发现,随入射激光功率和辐照时间的增加, CCD被干扰的面积逐步增大。图2(a)是激光束视场 外入射时的干扰图像,图2(b)是散斑干涉图像。尽管 此时激光束已超出CCD的视场,但仍可干扰探测器 成像。在不改变激光功率的情况下,随着激光光束与 CCD探测器光轴夹角的增大,对探测器的干扰能力 一一 图2视场外激光干扰CCD探测器的图像 Fig.2 Images of off—axis laser disturbing CCD detector 红外与激光工程 第40卷 相应减弱。这与理论上的推理是一致的。 场外激光的部分能量落在处于视场内的CCD探测器 上,只要人射激光功率密度足够强,视场外照射也可 2理论分析 实验证明,视场外激光也能有效干扰CCD探测 器,使得目标的信噪比降低,对比度下降,扩展目标成 像模糊,从而影响CCD成像制导武器系统的探测或 有效干扰探测器【 。 2.2散斑效应 2.2.1散癍成因 图3示出视场外激光散斑的成因。当激光照射到 粗糙光学表面上时,由于表面上的大量无规则分布面 识别能力。如果视场外的激光能量足够强,使CCD探 测器饱和.其原理同视场内激光辐照CCD探测器产 生饱和效应和“光饱和串音”现象的产生原理一致。但 视场外激光对CCD探测系统的干扰不一定是由于饱 和效应产生的,而是由于CCD探测系统的结构对视 元所散射的子波相干叠加,形成的反射光场具有随机 的空间光强分布,呈现颗粒状的结构,称为激光散斑 效应_5_。通常,按照光场的传播方式,可以把散斑分为 两类,一类是通过自由空间传播形成的近场散斑(与 菲涅耳衍射对应)和远场散斑(与夫琅和费衍射对应), 另一类是像面散斑l61。 场外激光的散射和衍射作用引起的。 2.1散射与衍射 VC一210B型面阵CCD探测系统的光学系统结构 由外遮光罩、主镜筒、主镜、次镜、光阑、CCD探测器阵 列组成。视场外光线进入该探测系统的途径如下『2】。 。。o (1)单次散射:当偏轴角较小时,部分视场外激光直接 射到主镜上,然后散射进入光学系统的视场;(2)多次 三詈 … 0 0 o o CCD 散射:视场外激光由外遮光罩、主镜筒等散射至主镜, 然后散射进入视场;(3)单次衍射:视场外激光由主镜 边缘衍射进入视场;(4)二次衍射:视场外激光经外遮 图3视场外激光散斑的成因 Fig.3 Cause for off—axis laser speckle 光罩外端口和主镜边缘两次衍射进入视场;(5)衍 射一散射:视场外激光经外遮光罩外端口衍射后,经主 镜散射进入视场;(6)散射一衍射:视场外激光经外遮 光罩、主镜筒等散射至主镜边缘,再经衍射后进入视 一光学镜筒的内壁、光阑的表面、光学元件的透射 面等无论怎样处理,当与光波长相比时都是相当粗糙 的。当激光入射时总会有部分光被反射和散射,其中 些经多次反射后会在像面上出现一串大大小小的 场。其中以第一种、第三种途径为主,但当入射激光能 量较大时,经其他四种途径进入CCD探测系统的视 亮环或光点。当不同的散射光线在CCD的表面上相 干叠加时,产生增亮的干涉,或者变暗的干涉【7J。由于 镜头内散射中心分布不规则,它们的散射光在CCD 表面形成非常不规则的亮暗相间的斑点。当入射激光 场外激光干扰作用也不可小视。 假设入射激光束是平面波,在焦平面处激光束呈 爱里斑分布,任一点P的光强为㈣: 2一 足够强,这种散斑亮点可使CCD局部饱和,激光强度 再高,出现“串音”,可使整个CCD饱和【4】。即使激光 能量不足以使CCD产生饱和效应,散斑的出现也会 (手) 音(手) 音( …】 = = (1) 2 I,l 严重影响成像质量,降低图像的清晰度和分辨率,影 响成像制导武器后续的图像处理、目标识别与跟踪环 节.达到激光武器压制性干扰的目的。 ( 式中:0为衍射角;10=A ,为0=0处的光强;尺为入射光 瞳半径;人为人射激光波长;m=('rrRsinO)/h; (・)为一 阶贝塞耳函数。以第一暗环为边界的爱里斑的光强占 2.2.2散斑强度与入射角度的关系 事先测得VC.210B型摄像机的水平视场角约为 26。.故从26。开始观察视场外激光对CCD探测器的 整个入射光束光强的84%,第一、二、三…暗环外的激 光约占总能量的16%、8%、6%…。由于衍射效应,视 散斑干扰效果。利用数字图像采集卡获取不同入射角 度的激光散斑图像,设定转台转动频率为1(。)/s,观 第5期 李海燕等:视场外激光干扰CCD探测系统实验研究与理论分析 察对目标的捕捉情况。通过对获取的一系列激光散斑 图进行数字图像处理,分析散斑图像的对比度,研究 激光散斑与测量角度的关系。 有效干扰角度增加,还需要进一步的研究。 参考文献: [1]Li Haiyan,Zhu Min,Lu Hongyi.Off—axis laser disturbing CCD 散斑图像的对比度是观察面上散斑强度变化的 规范化标准差,可用来定量表征散斑的强度变化。其 定义为嘲: r————2 1imaging guidance weapons[J】.Infared and Laser Engineering, 2009,38(1):66-69.(in Chinese) 112 李海燕,朱敏,卢洪义.视场外激光对CCD成像制导武器的 二 ) f21 干扰研究[J].红外与激光工程,2009,38(1):66—69. I(x,Y) 式中:I(x,),)是观察面上( ,),)点处的散斑强度。 实验发现,视场外激光引起的散斑强度与入射角 度紧密相联。图4给出了实验得到的激光散斑的对比 度与入射角之间关系。当光束传播路径发生变化时,入 射光束的从漫射面上反射的子波与理想表面上的子波 有一个位相差,它是产生散斑干涉的必要条件。CCD像 面上任意点处的强度是由来自许多独立的表面面积的 组元相干叠加而成,这些不同的子波走过的距离通常 会相差几个、几十个或许多个波长。当入射角为27。时, 计算所得的 值最大,干扰图像上的散斑噪声最强,足 以遮挡住CCD探测系统对目标的成像。 茜0・ 鲁0. d 8 0. 0 薯0. 0 0. 0 26 27 28 29 30 Incident angle/(。) 图4散斑的对比度与入射角之间关系 Fig.4 Relation between the incidence angles and the speckle contrast 3结论 视场外激光干扰CCD成像探测系统可以使被探 测的目标信号完全湮没在杂光背景中,系统根本无法 提取目标。或因像面杂散光分布不均匀。在系统探测 器上形成虚假信号,致使系统探测到伪目标,甚至导 致整个系统失效。文中通过实验验证了视场外激光对 CCD探测系统的有效干扰.并对其成因进行了理论 分析。实际上因为受实验条件限制.使用的激光器只 有25 mW,如果增大激光能量.能不能够促使视场外 [2】Huang Qiang.Analysis of stray light in space optical system [J].Infrared,2006,27(1):28-29.(in Chinese) 黄强.空间光学系统的杂散光分析【J].红外,2006,27(1): 28-29. [3] Yao Qijan.Optics Tutorial[M].Beijing:Higher Education Publishing House,1989:122-123.(in Chinese) 姚启钧.光学教程[M].北京:高等教育出版社,1989:122— 123. 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