复合式激光远场光斑分布定量测量技术研究

黄 伟,马松山,李晓芹,郭绍禹

(中国电子科技集团公司第二十七研究所,河南 郑州 450047)

1 引 言

强激光在大气传输过程中,受到大气湍流、热晕和消光等的影响,远场功率密度分布相对于激光器出口有较大变化,准确测量强激光远场光斑强度时空分布,是直接获取激光光斑到靶能量、光束质量和质心漂移等重要参数的有效手段,对于分析强激光的大气传输效应,评价强激光系统的光束控制能力,以及评估激光武器的作战效能具有重要意义[1-2]。

目前,远场激光光斑的能量分布测量一般有两种方法,一种是摄像法,采用漫反射靶板接收远场激光照射,由相机采集漫反射靶板上激光光斑的反射图像,测量激光光斑的相对能量分布；另外一种是阵列探测方法,即用探测器阵列靶接收远场激光光斑,靶面上激光探测器按照一定的密度排布,通过探测器后端处理电路对激光探测器的响应信号进行处理,并采用一定的方法对探测阵列的每个探测单元进行精确标定,得到激光远场光斑空间的绝对能量密度分布。摄像法采用非接触式测量,结构简单,分辨率较高,但较难实现激光光斑空间分布的定量测量,适合于激光光斑相对空间分布实时测量[3]；阵列探测方法具有信噪比高、响应灵敏、动态范围宽、时间分辨率高等特点,可以实时测量激光远场光斑时间和空间分布以及靶面的绝对光强,但阵列探测法空间分辨率低,对远场大光斑测量需要探测器数量巨大,带来成本较高[4]。因此,本文采用摄像法与阵列探测方法进行有机结合的复合测量技术。

2 工作原理及系统组成

2.1 工作原理

摄像法与阵列探测复合测量系统的工作原理是:利用漫反射靶板作为反射界面,通过调节光学衰减片、相机积分时间、光学镜头焦距、光圈大小等参数获得清晰的光斑图像,采集模块采集漫反射靶板远场激光光斑图像,经图像处理单元进行预处理,得出激光光斑图像的灰度值送入数据处理单元；同时在漫反射靶面上按一定间隔布置激光探测器阵列,靶板后面设置探测器后端处理电路,当强激光照射漫反射靶板时,靶面上的探测器阵列对光斑抽样采集各探测点的激光能量,并由探测器的光敏面积处理得到该点对应的激光能量密度,再根据各点的能量密度,结合相机测量光斑灰度值,进行数据拟合处理,从而给出整个光斑的能量密度分布。

2.2 系统组成

强激光远场光斑分布测量系统由被测强激光、漫反射靶板、探测器阵列、相机、图像处理模块、信号处理模块和数据处理模块组成,其组成框图如图1所示。

图1 强激光远场光斑分布测量系统组成框图Fig.1 Composition block diagram of far field laser spot of high power laser distributed measurement system

漫反射靶板材质采用铝板,尺寸为500 mm×500 mm,靶面反射率>90%。探测器阵列选用PIN-Si探测器,能较好地响应1.06 μm波段激光,探测器阵列通过采集光纤按照特定的布局排布于漫反射靶板；信号处理模块主要完成对直流电平采集、运算,并将运算结果送出,其组成主要有放大电路、AD数据采集、DSP综合运算、通信等几部分组成。相机的作用是能拍摄整个激光光斑,并且保证测量精度,测试中前加1.06 μm窄带滤光片,消除太阳光以及杂光干扰,并加适当衰减片,使得采集到的光斑图像不饱和且灰度层次分明,并且根据相机的曝光时间同步探测器阵列的采集时间。图像预处理模块主要是对采集到的图像进行降噪处理,以提高图像质量,根据图像的噪声具有高频的特性,图像信号具有低频的特性,因此选用低通滤波器,对图像进行降噪处理。同时,针对靶板图像产生的形状畸变和光强畸变,需要通过靶板形状和光强的标定,得到畸变校正的对应函数和消底背景图像,实现形状和光强的校正。数据处理模块将采集到的图像和探测器阵列采集到的各点的功率密度进行拟合处理,得到强激光远场光斑的空间功率密度分布值。

3 漫反射靶板设计和系统标定

3.1 漫反射靶板设计

为实现更好的精度,在反射靶板上按照特定布局安置多路光纤束,探测器阵列通过光纤束对特定点的激光能量进行采样,光纤束两端通过耦合插芯分别固定于反射靶板相应位置和光电探测器光窗上,光纤采用高损伤阈值双石英光纤,光纤纤芯和包层都为石英,可有效提高光纤损伤阈值,选取光纤直径为600 μm,可以有效的降低光纤芯径对漫靶面成像带来的影响。光纤探测通道选取25路,中心9路探测器通道的相邻通道间距1 cm,形成3 cm×3 cm范围,尽可能的保证光斑中心的探测器分辨率最高(在实际使用中,激光发射系统和光斑检测系统需要通过望远镜来相互对准以确保激光光束垂直入射在靶板中心)。靶板其他范围通道根据靶面大小等分排列,光纤布局形式如图2所示。

图2 漫反射靶板多路探测器阵列布局Fig.2 Multi-channel detector array layout of diffuse target board

在解算探测阵列的功率密度时,对于第i个第j个探测器Dij,则入射到光电探测器光敏面的功率密度Pij(t)为:

式中,Vij(t)为t时刻输出电压信号值,Tt为光学衰减单元透射率,Aij为该通道放大器电压放大倍数,Rij为光电探测器的响应率,Rl为光电探测器的负载电阻。则靶板上该点的功率密度值Sij(t)为:

式中,AD靶板上导光光纤的芯经。

3.2 系统标定

3.2.1 单元探测器功率绝对值标校

在激光远场光斑时空分布测量过程中,单个探测器功率绝对值的准确性是保证测量结果准确性的关键因素。为了校正由于系统装配和探测器响应线性度的系统性偏差,利用弱激光进行靶板探测器的标定,实验原理如图3所示。

图3 单元探测器功率绝对值标校原理图Fig.3 Calibration principle diagram of cell detector absolute value

标校光源选用波长为1064 nm连续光纤激光器,其输出功率为100 W,功率稳定性为±1%,用标准功率计和透反比已知的分光镜监测靶面输入激光功率,并与靶板探测器实测结果进行比对,确定校准系数。分光镜的透反比在实验前由两个标准功率计进行实时测量给出。为了降低标定结果测量不确定度,一个标定点重复采集10次数据,取其平均值给出整系统在该功率密度条件下的校准系数。调节激光功率或光束直径,改变输出的功率密度,由此获取该探测器全量程范围内的拟合曲线。测试结果如图4所示,结果表明探测器阵列的线性动态范围上限为5000 W/cm2,测量下限为2W/cm2,图中直线为数据拟合线。

图4 单通道探测器线性度和动态范围Fig.4 Linearity and dynamic range of single channel detector

3.2.2 阵列探测器功率相对值标校

探测器阵列灵敏度一致性是保证测量结果准确性的重要因素。在标定过程,标校激光源发射一定功率激光,经扩束准直系统准直,调好系统光路,依据实际需求,通过调整电流值和衰减片对功率进行衰减,探测器探测激光信号,并经光电转换输出相应的幅值电压,电压信号由数字示波器采集并显示,记录该幅值电压,完成一个探测器的标校,在保证激光器输出光功率及入射角度不变的情况下,重复上述步骤逐个依次完成25个探测器的标校,形成曲线如图5所示,实测结果表明探测器阵列灵敏度不一致性小于5%。

图5 探测器阵列灵敏度一致性测量结果Fig.5 Coherence measurement result of detector array sensitivity

3.2.3 系统误差分析

强激光远场光斑分布测量系统测量精度主要受以下几个方面影响:

(1)探测模块静态误差

探测模块是测试靶面的基本组成单元,单个模块的精度是测试系统精度的保证,主要受探测器、放大电路、运算电路等方面的影响,本设备运用了高稳定模块化设计思路,硬件进行了固化,通过高速数字电路补偿,消除各模块的固有误差,大大降低了引入误差。

(2)探测模块安装误差

探测模块是通过安装接口安装于靶板上,原则上与入射光垂直,但是受靶板定位精度、安装精度的影响,将引入外部安装误差,影响测量精度。

(3)激光入射角度引入误差

本系统测量值为垂直入射到靶面的激光能量,标定的激光功率均为激光垂直入射到检测面的量,检测单元设计为小视场(±5°),因此,在外场测试时,由于入射角度很难达到垂直入射条件,因此会影响测量结果的精度。

(4)标校误差

单个探测器在标校过程中,标校光源输出功率的稳定度、功率计的标较精度以及分光镜的标较精度对探测器绝对值的标校影响较大,因此在标校中尽量选用稳定度高的光源,激光功率计选用中国计量院标校过的功率计,同时对单个探测器进行多次标定,为模块单独建立分段拟合曲线和数据库。此外,探测阵列靶中探测器的一致性对测试结果精度影响较大,系统通过标校单个探测器,尽量选用一致性高的探测器进行测试。

(5)模型误差

探测阵列采用米字排布结合激光高斯分布进行建模,在建模过程中,实测点精度会很高,虚拟点只能反映其变化趋势和相对功率,模型引入误差较大,因此实际采样点(探测单元)分布密度越大测量误差越小,密度越小测量误差越大,具体情况根据实际布局和模型引入有关。

(6)图像处理误差

相机曝光时间与探测器采集时间要求精确同步,并且相机背景图像需要对通过与标准光源进行对比,软件进行均值处理,实现了不超过10%的系统测量误差。

4 系统远场光斑测量试验与结果分析

基于本测量系统开展了万瓦级强激光远场光斑分布测量系统试验。原始激光通过自适应光学矫正后采用离轴反射镜扩束输出。在大气能见度约5 km,测量激光器距离靶板780 m条件下,试验测量强激光的远场光斑分布,结果如图6所示,图6(a)为采集模块采集到的第38帧瞬间光斑灰度分布图像,(b)为第139帧瞬间光斑灰度分布图像,(c)为连续150帧瞬间光斑灰度分布图像的灰度分布合成图像。探测器阵列测量采集到的各点的功率密度与图(c)进行拟合的结果如图7所示。设定e-1光强分布,通过迭代计算出光斑面积、激光功率和平均功率密度如图8～10所示。

图6 短曝光和合成光斑灰度分布图像Fig.6 Power density distribution of far-field laser spot after synthesis

图7 合成后的强激光远场光斑功率密度分布Fig.7 Result curve of spot area measurement for 31 consecutive frames of short exposure

图8 连续31帧短曝光光斑面积测量结果曲线Fig.8 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

图9 连续31帧短曝光光斑功率测量结果曲线Fig.9 Rresult curve of power measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

图10 连续31帧短曝光光斑平均功率密度测量结果曲线Fig.10 Result curve of mean power density measurement for 31 consecutive frames of short exposure spot

5 结 论

采用摄像和阵列探测复合测量技术实现了强激光远场光斑空间分布的测量,获得了较为详细的激光远场光斑时空分布特性,为激光武器系统毁伤效能评估、强激光大气传输效率、激光系统光束质量的评价提供重要依据。该系统具有探测光斑面积大,测量误差小等优点,可实现对波长为1064±10 nm、功率密度动态范围为2～5000 W/cm2激光的远场光斑分布实时测量。