摘要
针对大视场(fieldofview,FOV)、宽波段、高精度的星载激光告警成像需求,开展了基于光谱补偿技术的超大视场成像光学系统设计。设计并实现了182°成像视场的超广角光学系统,并通过滤光片光谱透过率设计对探测器光谱响应不均匀性进行了有效补偿。通过鬼像分析优化了光学系统的结构布局,并提出了系统的杂散光抑制措施。试验结果表明:采用所提光谱补偿措施,在实现太阳直射光抑制的同时,光学系统在激光告警波段内的光谱响应度差异由8.0dB降低至0.5dB;采用滤光片与衰减片分离放置的结构形式,杂散光强度与信号光主峰强度的比值降低至1.7×10 -5,实现了杂散光的有效抑制。
Abstract
To address the requirements for large field of view (FOV), broad bandwidth and high-precision satellite-borne laser warning imaging, an ultra-large FOV imaging optical system based on spectral compensation technology was designed. An ultra-wide-angle optical system with a 182° imaging FOV was designed and implemented. Through designing the spectral transmittance of optical filters, the non-uniform spectral response of the detector was effectively compensated. The structural layout of the optical system was optimized according to ghost image analysis, and stray light suppression measures were proposed. Experimental results demonstrate that the proposed spectral compensation method reduces the spectral responsivity variation from 8.0 dB to 0.5 dB in the laser warning band, while effectively suppressing direct sunlight interference. Furthermore, by adopting a separated filter-attenuator configuration, the ratio of stray light intensity to the main signal peak intensity is reduced to 1.7×10-5, which achieves effective stray light suppression.
Keywords
0 引言
激光告警是指对来袭目标的激光辐射源进行探测并生成告警信号。随着激光技术的发展，激光告警装置的信号形式由单波段向多波段发展，探测能力由粗略目标识别向高精度目标信息获取发展，探测视场由有限空域向全空域发展[1-3]。
目前卫星平台面临的激光威胁具有诸多不确定性，包括来袭方向、入射波长以及入射光强等[4-5]，这要求激光告警装置具备大视场、宽波段以及高动态的探测能力[6-7]。为实现目标激光辐射源的方位角和光强等参数的精确测量并可靠告警，需解决激光告警装置的光谱响应非均匀性问题，同时抑制太阳直射及强入射光条件下的杂散光。
为满足卫星平台的全空域、宽波段、高精度的激光告警需求，本文基于大视场（field of view，FOV）光学系统成像原理，开展半球视场成像光学系统设计，并提出其宽波段光谱补偿滤光组合方案; 同时，对太阳直射条件下的杂散光抑制方法开展研究，并通过仿真验证光谱补偿和杂散光抑制效果。
1 光学系统设计
1.1 大视场光学系统成像原理
光学系统采用超广角结构形式，设计时综合考虑系统焦距、入瞳尺寸、滤光片与衰减片的级联方式，并结合光电探测器的光敏面尺寸和光谱响应特性，最终实现182°的成像视场。
超广角光学系统是一种具有超大视场和大孔径特性的成像系统，其前光组一般采用2~3片负弯月形透镜，将物方超大视场压缩至常规镜头的视场范围[10]。前组透镜是超广角光学系统最重要的组成部分，主要作用是扩大光学系统的视场角。前组透镜通过减小大视场角入射光线与光轴的夹角，降低后组透镜的视场角需求，从而有效提升系统像差的校正能力。前组透镜会引入足够的桶形畸变，保证物方在半视场角大于90°时仍能正常成像。同时，前组透镜能显著减小物方半视场角对应的像方半视场角，从而保证成像面照度分布均匀。为了平衡前组透镜引入的像差，后组透镜一般采用非对称结构形式。设计时应根据后截距、视场角和相对孔径等参数要求，确定最优的光学系统结构形式。超广角光学系统成像关系图如图1所示。图中，ω 为激光入射角，f' 为光学系统焦距，H'为像方主点，F'为像方焦点，l'为后工作距离。
图1超广角光学系统成像关系图
根据相似成像原理，超广角光学系统成像的像高
(1)
对式（1）进行微分，得到光学系统的空间分辨率
(2)
在像高和最大视场角一定的前提下，系统的空间分辨率与焦距成正比。因此，通过减小系统焦距可以获得更高的空间分辨率。
1.2 光谱补偿滤光设计
由于探测器对不同入射波长的响应度存在差异，在相同入射光强条件下，探测器输出的信号幅度会随入射波长的变化而变化。若不对这种响应的不均匀性进行补偿，则激光告警装置对不同波长入射光的光强测量结果将出现偏差。
本文以典型的近红外1064nm 波段激光告警装置为例，进行光谱补偿设计及其性能验证。告警探测器选用近红外增强型硅基 CMOS传感器，告警波段为1064±40nm。图2为该型探测器在1064±40nm 范围内的光谱量子效率曲线。由于探测器的量子效率与响应度成正比，因此可以用量子效率的相对差异来表征其响应度的相对差异。由图2可以看出，在告警波段内，探测器的量子效率差异可达到8.0dB，这表明其响应度差异也为8.0dB。
图2告警波段内探测器的光谱量子效率曲线
光谱补偿滤光方案采用滤光片与衰减片组合，通过调整其光谱透过率来补偿探测器的光谱响应不均匀性。补偿原理是设计滤光片与衰减片组合的光谱透过率曲线，使其与探测器的光谱量子效率曲线形成互补关系，即使两者的乘积在工作频段内基本恒定。
此外，为了使光学系统工作在告警所需的入射光强范围内，滤光片与衰减片组合需对探测器全响应波段的光信号进行衰减。同时，为了抑制太阳直射信号中非告警波段的光谱，还需使滤光片与衰减片组合的光谱透过率在告警波段范围外，比告警波段范围内低两个数量级以上。
2 光学系统结构及参数确定
基于第1.1节的分析，确定光学系统的结构形式及设计参数。根据式（1）计算，系统焦距应小于1mm。经过优化设计，最终确定的系统焦距为0.8mm，全视场角为182°。透镜选用耐辐照石英玻璃，以满足空间应用中的抗辐照要求。光学系统结构主要包括前组透镜和后组透镜两部分，其中前组透镜包括4片镜片，后组透镜包括 2片镜片，其结构如图3所示。
图3光学系统结构图
平行光束经过该光学系统后，在光敏面处产生光斑，其点列图如图4所示。其中:红色、蓝色和绿色的点表示1024，1064，1104nm 波长的光斑; 黑色圆为艾里斑; “物面:0°”表示0°视场; “像面:（0，0）mm”表示艾里斑中心坐标。
图4光学系统点列图
分析可知:在全视场范围内，各视场角的弥散斑尺寸均小于艾里斑尺寸（直径为13μm）; 在未离焦的状态下，单个视场的弥散斑覆盖探测器 3个像元，通过系统离焦调整，可使单个视场的弥散斑尺寸扩展至4~8个像元，从而满足系统角分辨率需求。
光学系统的相对照度如图5所示。可知，全视场内的相对照度均优于0.90，边缘视场的探测性能完全满足应用需求。
图5光学系统相对照度图
3 光谱补偿设计
光学系统中的滤光片和衰减片均为平片结构，确定其安装位置时需考虑入射角对滤光性能的影响。理论分析表明，入射角越小，滤光性能越好。根据前文对半球探测视场的分析，后组透镜的入射角较小，因此将滤光片和衰减片置于后组透镜中较为合理。滤光片和衰减片采用两种放置方式:一是相邻放置，即均置于后组透镜前端; 二是分离放置，即分别置于后组中第一透镜的前后位置。滤光片与衰减片不同放置方式下的光学系统结构图如图6所示。
本文利用 Macleod光学薄膜设计软件对滤光片与衰减片组合的光谱透过率曲线进行迭代优化设计。其设计思路为:一是利用衰减片的膜系实现对入射光的全波段均匀衰减，同时保证激光告警波段内的光谱透过率曲线平坦; 二是利用滤光片的膜系实现激光告警波段内的光谱响应度补偿和带外光谱抑制，保证综合带外抑制优于30dB。
经过迭代优化，最终得到滤光片与衰减片组合膜系的光谱透过率曲线，如图7所示。
图6滤光片与衰减片不同放置方式下的光学系统结构图
图7滤光片与衰减片组合模系的光谱透过率曲线
通过综合考虑滤光片与衰减片的光谱透过率以及探测器的光谱响应度，获得经光谱补偿后的归一化系统综合光谱响应度曲线，如图8所示。可以看出，经光谱补偿后，光学系统在激光告警波段内的光谱响应不均匀性得到了极大改善，响应度差异从8.0dB降低至0.5dB。
图8光谱补偿后的归一化系统综合光谱响应度曲线
4 杂散光分析及抑制
4.1 杂散光分析
考虑到激光告警装置的工况需求，光学系统的衰减系数一般在10-6 量级。由于衰减片主要基于反射膜实现衰减，且滤光片及衰减片均为平行放置的平片结构，两者之间的二次反射易产生杂散光。如果杂散光成像到探测器上形成鬼像，则会显著降低激光告警装置的角度解算精度。基于鬼像分析，对比了本文所提滤光片及衰减片在相邻放置和分离放置两种方式下的杂散光抑制性能。
分别对图6所示两种结构形式的光学系统开展鬼像分析，重点分析衰减片及滤光片之间的二次反射，并进行光线追迹。滤光片与衰减片不同放置方式下的光学系统鬼像点列图仿真结果如图9所示。对比可知:在衰减片和滤光片相邻放置方式下，鬼像光斑半径的均方根（RMS）值为 23μm，信号光斑半径的 RMS值为2μm，杂散光强度与信号光主峰强度的比值约为0.007; 在二者分离放置方式下，鬼像光斑半径的 RMS值增至480μm，该比值则降低至1.7×10-5。通过信号处理可将杂散光作为背景噪声滤除，不影响系统功能。试验数据表明，采用衰减片和滤光片分离放置方式时系统的杂散光抑制效果更好。
基于以上分析，光学系统的杂散光抑制设计应主要考虑以下几点:a）将滤光片和衰减片置于后组透镜中，以降低滤光片制备难度，并减少入射到后组透镜的杂散光; b）结合鬼像仿真，优化光学系统结构，减少平面间二次反射引入的杂散光; c）对光学透镜及滤光片进行高透过率膜系设计，以降低其在激光告警波段内的二次反射能量。
图9滤光片与衰减片不同放置方式下的光学系统鬼像点列图
4.2 试验验证
为验证设计的光学系统性能，对激光告警装置进行不同视场角下的成像测试，研究滤光片与衰减片的不同放置方式对成像性能的影响。
在0°视场角下，滤光片与衰减片不同放置方式下的目标光斑图像如图10所示。可知:当滤光片与衰减片相邻放置时，除中心像点外，还存在以中心像点为中心的圆环状强杂散光，如图10（a）所示; 当二者分离放置时，在保持中心像点强度相同的条件下，圆环状的杂散光得到了较好抑制，如图10（b）所示。
图10滤光片与衰减片不同放置方式下的目标光斑图像
5 结论
为满足复杂环境下大视场、宽波段、高精度的激光告警需求，本文对超广角光学系统进行了理论分析，结果表明系统焦距越小，其分辨率越高。根据理论分析，设计并实现了182°成像视场的超广角光学系统。针对探测器光谱响应不均匀的特性，提出了互补性滤光片光谱透过率设计思路。通过鬼像分析优化了光学系统的结构布局，并提出了该系统的杂散光抑制措施。试验结果表明: 经光谱补偿后，系统光谱响应不均匀性得到了显著改善; 同时，采用滤光片和衰减片分离放置的结构形式可有效抑制杂散光。