激光探潜系统中杂散光抑制措施分析

李海燕，胡云安，王连生

（海军航空工程学院 a.控制工程系；b.新装备培训中心，山东 烟台 264001）

0 引言

光学系统成像时，到达像面上的光线除了按正常光路进行的成像光线外，还有一部分是不参加成像的非成像光线在像面上的扩散，这部分非成像光线称为杂散光[1-3]。激光探潜系统的红外光（IR）和蓝绿光（GR）光学系统中杂散光的存在，使得目标的信噪比降低，影响了整个系统的探测和识别能力。严重时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，所以必须予以抑制和消除。

本文针对立式布局、IR/GR 分离光学系统的激光探潜系统，对IR系统中杂散辐射和GR系统中杂散光的来源进行了详细的分析，并给出了相应的抑制措施，展望了未来消杂光技术的发展趋势。

1 激光探潜系统的光学系统结构

激光探潜系统中的光学系统，按照红外光和蓝绿光光学系统的布局不同可分为两类[4]：一类是IR接收和GR接收共享一主物镜的光学系统，如加拿大的LARSEN500系统；另一类是IR接收和GR接收截然分开的光学系统，如澳大利亚的WRELADSⅡ系统。按照光接收系统主物镜的形式，也可分为两类：一类是反射式（或折反式）望远镜系统，如澳大利亚和加拿大方案；另一类是透射式望远镜系统，如美国的ABS系统。

采用立式结构，光发射和接收系统分离的光学系统结构如图1所示。此种结构下，激光器和光电探测器均垂直安置，且IR和GR的发射和接收光学系统都是分离的独立光学系统，缩小了占地体积，装配校正方便[4]。

图1 IR/GR接收分离的光学系统

脉冲激光器发射的红外激光束透过GR/IR 分光镜，经过红外光发射系统扩束后，垂直向下射出，到达海平面后返回的第一激光脉冲作为时间基线被红外光接收系统接收；蓝绿激光束被GR/IR 分光镜反射后，经过蓝绿光发射系统射向扫描反射镜，经过大气信道、海水界面和海水信道到达水下目标，从水下目标反射的激光脉冲信号沿着相反方向返回到蓝绿光接收系统，此时作为第二次激光脉冲达到时间。

2 IR系统杂散辐射抑制技术

2.1 IR系统杂散辐射分析

红外系统在激光探潜系统中的主要作用是定高和确定时间基线。IR接收系统由红外接收望远镜、红外窄带滤波器和红外探测透镜组成。其中，红外接收望远镜包括2个固定透镜和2个可动透镜，焦距可变[4]。整个系统垂直向下安置，探测红外光从水面返回的反射信号。

2.1.1 IR系统杂散辐射来源

对于IR接收系统而言，杂散辐射主要来自光学系统外部环境红外辐射和光机内部热辐射两种红外杂散光源。前者包括视场外海面红外辐射和反射太阳光中的红外波段辐射，后者主要指电机、温控热源等光机内部产生的红外辐射。

激光探潜系统中IR 光学系统的杂散光背景为海面大气背景，包括海水红外辐射、海平面对太阳光反射的红外波段[5]。其中，海面对太阳光的反射是大气散射、海水表面和云层对太阳辐射反射的共同结果。

内部热辐射是光学系统内辐射源（如温度较高的光学元件和其他表面）产生的红外辐射经反射、折射或衍射到达焦平面的辐射能，包括镜筒辐射和镜组辐射。外部环境入射的辐射被壁面吸收，提高了壁面的温度，促使光学元件自身辐射的杂散光对焦平面信号形成很强的干扰。内壁面反射率的提高增大了杂散光在光学系统内部的反射次数，增强了到达焦平面的杂散辐射通量[1]。

2.1.2 内部热辐射分析原理与过程

内部热辐射是红外光学系统中杂散辐射的主要来源，成为影响系统成像质量的重要因素。因此，必须研究光学系统中各像面接收内部热辐射量级大小。

辐射出射度是指辐射源表面单位面积上发射的辐射通量总和，它是辐射源上位置的函数，与波长、温度有直接的联系，表示为M (λ,T)。

由普朗克定律可知，在一定的温度与波长下，黑体的辐射出射度与波长、温度的关系为[6]：

式中：h是普朗克常数，h=6.63×10-34J⋅s；k是玻尔兹曼常数，k=1.38×10-23J⋅K；c是光速，c=2.99×108m/s；c1=2πhc2，称为第一辐射常数；c2=ch/k，称为第二辐射常数。

为求得光学系统中某发射面在单位时间内，单位面积上发射的λ1～λ2波段的辐射能，可将M (λ,T)在相应波段范围内进行积分，即：

式中：ε是表面的发射率，代表在同一温度下，物体的辐射出射度与黑体的辐射出射度之比。

确定系统的工作温度及各光学系统表面的发射率，取得与红外探测器相匹配的波段，利用式(1)、(2)，通过分布计算累计求和的方法，即可计算出光学系统内部各主要辐射表面的辐射能量。

2.2 IR系统杂散辐射抑制措施

首先，根据式(2)，降低光机系统内部各表面的发射率可有效抑制杂散辐射，具体可采取的措施有：① 采用特殊的消杂光表面工艺消除光学元件表面对杂散辐射的反射与散射，如金属表面阳极氧化以后用染料染黑，磨砂以后进行酸蚀处理和等离子喷被等[3]；② 利用红外消杂光涂料的表面粗糙度和多孔性来散射和吸收杂散光，也可降低IR系统的杂散辐射[7]。选择涂料颗粒尺寸接近红外探测器响应波段的涂料，消光效果最佳。

其次，由式(2)可知，物体表面辐射的能量与温度有直接的联系，故降低IR系统工作温度也可抑制IR系统杂散辐射。可采用制冷剂进行冷却、在主镜后加冷板、温阑和冷光阑相匹配以消除镜座辐射和小入射角背景辐射[3]等措施。

此外，可从优化激光探潜系统中IR系统的光学结构入手来抑制和消除杂散辐射。由于遮光罩可以减弱大部分照射在镜筒之上的杂光，而在镜筒内部设置的挡光环可以有效衰减到达像面的杂散光能量。所以可采用遮光罩阻挡直接到达光学系统表面的非成像光线，利用罩内挡光环来阻挡和散射大入射角入射的杂散辐射，改变镜筒表面的散射特征。正在研制的反射式挡光环可把大多数入射辐射直接反射到镜筒外，从而可减轻镜筒热负荷。另外，可将孔径光阑、视场光阑等进行组合减小关键表面的数目和被照射表面的面积，进而减小光学系统中的杂散辐射[7，8]。

3 GR系统杂散光抑制技术

3.1 GR系统杂散光分析

蓝绿激光系统是激光探潜系统的核心部分，主要起到探测潜艇目标的作用。GR接收系统包括扫描反射镜、卡塞格林望远镜、可变视场光阑、蓝绿光窄带滤波器、蓝绿光探测透镜和光电探测器。蓝绿激光（波长532 nm）垂直向下发射，经过大气、海水界面和水下到达潜艇后，从潜艇返回的激光脉冲信号沿着相反方向，被GR接收系统探测[4]。

3.1.1 GR系统杂散光来源

对于GR接收系统而言，杂散光主要包括外部杂散光和成像杂散光[9]。由于激光探潜系统不直接面对太阳，外部杂散光的主要来源为背景光的干扰，如海水表面的散射、漫射光及大气漫射光等进入系统，经系统内部构件的多次反射、折射或衍射到达探测器[10]。成像杂散光指成像光线经非光路表面散射、或经光路表面的非正常传播而进入探测器的辐射能量。

从图1可以看出，GR接收系统采用的是折反式的卡塞格林系统，这种系统经常会出现3种杂散光[9]：一是不经主镜，次镜由物空间直接射到或经过校正镜和场镜后射到像面的杂光，又称为漏光杂散光；二是视场内的不按成像光路，经镜面来回反射到像面的杂光；三是视场外的光线经筒壁漫反射进入系统而射到像面的杂光。此外光学系统透射面残余反射的杂散光也不容忽视[5]。

3.1.2 GR杂散光分析原理与过程

以两个表面间照度公式为理论基础，可定性地研究抑制杂光的方法。两个表面间照度公式为[3]：

式中：ФT、ФS分别为入射在目标物体的元面积（如像面）和入射在源物体的元面积（如镜筒）上的能量辐射；BRDFS为源物体表面单元的双向散射分布函数；GCFS-T为形状系数。

BRDFS的值随着入射和出射角度的变化而变化，且从来不会减小到0；GCFS-T的值通过改变两个表面的方向可以减小，甚至使其为0。所以应主要从光学系统的散射路径出发进行消杂光结构的设计。

在杂光分析中，首先，应从像面出发来研究那些能够在像面或者中间像面处看到的表面（关键表面）的杂散辐射。如图1中次镜的遮光罩内表面是一个关键表面，为减小其在像面的投影面积，一般将其设计为接近于圆柱的锥面。其次，研究被照射的表面，减小其面积或将其从被照射的路径上移出。对于那些既是被照射表面又是关键表面的表面，应尽最大努力阻挡或移除。再次，应采用阻挡的方法或者更改设计来消除所有连接被照射表面和关键表面的散射路径。最后，决定采用何种涂料或是否要采用挡光环结构，以降低BRDFS值。

为了彻底消除漏光杂散光和残余反射杂散光，同时又要保证正常光束的通过，需要对杂散光进行非常精确地分析，目前国内外广泛应用的杂散光分析软件主要有Zemax、TracePro、LightTools、ASAP、OptiCAD 等，利用MonteCarlo法进行光线追迹计算各阶鬼像杂散光和各种衍射杂散光。

3.2 GR系统杂散光抑制措施

针对激光探潜系统GR接收系统的折反式卡塞格林光学系统，应系统地按照从外至内的顺序，逐层抑制和消除系统杂散光。

首先，在系统的最前方加外遮光罩，既可防止来自视场外的杂光，也可抑制直射杂光。来自视场外的部分光线经过外遮光罩内壁的多次反射可衰减，进而消除筒壁漫反射杂光。其次，在系统中加内遮光筒和在次镜上加遮光罩来消除漏光杂散光，如果内遮光筒的加入导致边缘视场的传函过低，此时可只用外遮光筒或用外遮光筒加次镜遮光罩的方法消除杂散光[9]，也可在主次镜上加上专门的筒形消杂光光阑。再次，同时在镜筒壁和透镜边缘涂消光涂料，并在镜筒内壁和内遮光筒的内壁加挡光环来抑制和消除杂散光[9]，并采用镀增透膜和提高镜面光洁度的方法抑制视场内来回反射至像面的杂散光。如果采取了上述措施后，仍然不能满足系统杂散光消除的要求，还可以采用诸如将孔径光阑放置在次镜上，镜筒内部安装叶片，并且涂黑以降低衍射系数。视场光阑放置在二次成像面上，并且严格控制尺寸等手段来进一步抑制和消除杂散光[11]。

4 展望

对于消杂光技术，应该打破传统的围绕各种光阑设计和涂层设计的局限，把系统的光、机、热及杂光分析技术结合起来，通过建立各种物理模型和数学模型，利用大型的杂光分析软件确定初步设计方案。经过计算机的模拟测试、评估方案，并不断完善、优化。最终设计的加工初样应进行系统杂光测试，依据结果来判定分析设计的可靠性。这对于降低成本、缩短研制周期和提高分析精度是非常重要的。

[1]杜胜华,夏新林,孙创.星载多波段红外光学系统的杂散辐射分析[J].光子学报,2008,37(4)∶765-766.

[2]原育凯.光学系统杂散光的消除方法[J].大气与环境光学学报,2007,2(1)∶7-8.

[3]王赛,张锦旭,郭劲.红外系统中杂散辐射的抑制方法[J].光机电信息,2002(12)∶21-24.

[4]徐啓阳,杨坤涛,王新兵,等.蓝绿激光雷达海洋探测[M].北京∶国防工业出版社,2002∶186-192.

[5]王春雷,李晓俊,杨日杰.大气辐射传输对红外探潜的影响分析[J].海军航空工程学院学报,2008,23(3)∶257-260.

[6]安毓英,刘继芳,李庆辉.光电子技术[M].北京∶电子工业出版社,2007∶7-9.

[7]岑兆丰,李晓彤,朱启华.光学系统杂散光分析[J].红外与激光工程,2007,36(3)∶300-303.

[8]XI XIAO,LI XIAO-TONG,CEN ZHAO-FENG.Influence of thermal radiations in infrared optical systems[C]//Proceedings of SPIE,Optical Design and Testing II.2005∶362-367.

[9]史光辉.消除卡塞格林系统杂光的措施[J].光学精密工程,1997,5(5)∶10-15.

[10]付跃刚,刘智颖,张磊,等.机载激光通信系统的杂散光分析[J].仪器仪表学报,2006,27(6)∶684-685.

[11]钟兴,张雷,金光.反射光学系统杂散光的消除[J].红外与激光工程,2008,37(2)∶316-318.