多波长激光探测微小摄像头机理研究

屈嘉惠，张海洋，范 瑜，汪 林，王鹤颖，赵长明

（1.北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081；2.北京理工大学 光电学院，北京 100081；3.光电对抗测试评估技术重点实验室，河南 洛阳 471003）

引言

小型成像系统，如微小摄像头、激光瞄准镜、微光夜视仪等，具有隐蔽、高效探测目标的功能，具有重要的军事和民用价值。由于这些设备自身不辐射或发射任何可探测信息，且大多工作于隐蔽环境中，通常在军事对抗中难以通过被动检测的方式检测出来[1-2]，部分微小摄像头被非法应用于民用领域，严重威胁了人们的隐私安全。目前检测微小摄像头的装置主要应用猫眼效应，通过主动发射特定波长的激光，接收回波信号并检测衍射光斑图样进行判断[3-7]，但其检测方法仍存在不足：进入目标的激光能量低，回波较弱，光斑对比度差；易对形状相近的干扰物进行误判；可见光与近红外光、短波红外光同时成像，对后续目标识别造成干扰。当前，针对前2 种问题各学者已提出一些解决方案，如光斑的压缩感知与特征提取[8-11]、震动识别技术[12]、波动光学建模法[13]、光学截面色差识别[14]、高光谱探测法[15]、光斑周期性识别算法[16-17]等。

多波长激光检测系统发射3 种类型激光，包括可见光、近红外激光和短波红外激光。实验利用多波长激光探测目标并接收对应的回波光斑图样，通过对比高亮光斑对目标进行位置识别。利用几何光学和波动光学理论，对目标与探测系统的物象关系进行计算并估计可探测范围。仿真3 种波段激光的探测距离与探测面接收辐照度之间的关系，并对其衰减趋势进行分析。

1 系统理论模型及探测原理分析

1.1 主动探测模型

由于具有微小摄像头的光电设备存在“猫眼效应”，即接收到探测器发出的激光后，经设备内部探测器或分划板反射，光线按原路返回（光线无离焦）或大致按照原路返回（光线有微小离焦量），光功率比周围漫反射高2～4 个数量级[18-21]。以探测激光正入射为例，由面阵CMOS 探测器接收回波衍射图样信息，如图1 所示。

基于Huygens-Fresnel 衍射和角谱衍射理论，分析激光的传输过程。由于发射系统与目标之间的距离远大于目标尺寸，傍轴近似下，发射激光目标前的入射光场可写作：

图 1 “猫眼目标”激光主动探测模型Fig.1 Laser active detection model of cat-eye target

式中：A为常数；L为发射系统与微小目标的间距。

从波面变换的观点看，透镜1 将发散球面波变换成一个会聚球面波，考虑透镜孔径的有限大小，将透镜1 的孔径函数表述为

式中，r0为透镜1 的孔径半径。以平面波角谱方法讨论激光传输衍射问题，微小镜头目标光敏面/分划板处的光场角谱分布可写作：

式中，f1为透镜1 的焦距。经微小镜头目标光敏面/分划板反射后，设均匀反射率为ρ(fx,fy)，透镜2 前的光场分布为

探测相机的前置表面光场分布为

式中，L为探测距离。工业相机COMS 面阵模块的接收光场分布为

式中，d为成像系统中探测面与成像透镜的距离。探测面上的辐照强度可表示为

1.2 微小摄像头回波特性分析

由于设备制造安装、使用环境、操作方法的差异，非理想情况下焦平面与光敏面之间存在一定的误差，即产生一定范围内的离焦量，从而影响回波激光发散角和接收系统的景深范围。已知工业相机成像系统的焦距f和光圈F，由于景深的存在，成像系统的焦平面处存在容许弥散圆，设该弥散圆的直径为δ，对焦点物距、像距分别为l和l′，前景深物距、像距分别为l1和，后景深物距、像距分别为l2和l′2，景深范围为 ΔL，前、后景深分别为ΔL1和ΔL2，如图2 所示。

图 2 成像系统景深原理图Fig.2 Schematic diagram of depth of field of imaging system

在目标参数已知的情况下，该系统前景深为

同理可得，后景深为

实验成像系统采用面阵工业相机和短波红外相机，其规格参数如表1 所示。

表 1 工业相机规格参数表Table 1 Specification parameters of industrial camera

由表1 可知面阵工业相机的结构参数，设对焦点物距l=2 m，成像系统D=25.6 mm，焦距f=200 mm，将参数代入（8）式、（9）式得：

同理，由表1 可知短波红外相机结构参数，其他参数与上述系统一致，将参数代入（8）式、（9）式得：

1.3 多波长激光特征

微小摄像头设备一般采用CCD 或CMOS 成像。由于近红外、短波红外光存在与可见光相似的反射光成像特性，为防止目标多次成像降低探测识别精确度，可见光成像系统一般会加入红外截止滤光片（IR-cut filter，IRCF）消除干扰[22]。采用宽带可调谐激光器在一定范围内改变激光输出波长，在各波段选取几种常用激光波长：532 nm、852 nm、1 064 nm、1 550 nm。

IRCF 按工作原理分为反射式和吸收式，两者的主要区别在于基底玻璃材料不同，反射式IRCF采用普通白玻璃表面镀膜，系统接收的回波成像受未携带目标信息的反射红外光干扰；吸收式IRCF采用蓝玻璃表面镀膜，蓝玻璃中的铜离子对红外光有较强吸收作用，成像效果好，因此多数摄像头采用吸收式IRCF。

短波红外波长大于红外截止滤光片的截止波长，以高透过率进入微小摄像头目标，其与物体相互作用的方式与可见光类似，即短波红外光可作为反射光成像。短波红外具有可见光、近红外、中波红外和长波红外无法传递的信息源，填补了目前红外激光探测的空缺。同时，由于1 550 nm 激光处于人眼安全波段，该设计系统的使用场景几乎不会受到限制，具有较大的研究价值和应用前景。

2 实验与分析

2.1 实验装置

实验装置如图3 所示，包括可调谐激光器、偏振分束器、1/4 波片、长焦透镜，工业相机和计算机。其中，为观察不同波段的探测情况，工业相机分别选择面阵工业相机和短波红外相机，具体参数如上表1 所示。可调谐激光器发射设定波长激光，调整激光发射角度，令微小摄像头处于探测范围内，反射激光经长焦透镜整形、通过1/4 波片和偏振分束器后进入工业相机，利用计算机进行回波图像的识别、处理及显示。选定手机后置摄像头作为微小摄像头目标，光圈数为F/1.8，包含吸收型IRCF，可见光、短波红外部分透过率高，近红外部分吸收率高。

图 3 实验装置结构图Fig.3 Structure diagram of experimental device

2.2 仿真与数据分析

基于（5）式、（6）式仿真多波长激光的回波光斑及探测面辐照强度分布，分析可见光、近红外和短波红外3 个波段激光的微小摄像头探测能力，在各波段选取几种常用激光波长，如表2 所示。

探测相机前置透镜组焦距为200 mm，相机对焦距离为2 m，成像系统探测面与成像透镜的距离为250 mm。上述1.1 激光主动探测模型从夫朗禾费角谱衍射理论的角度分析回波传输过程及探测相机传感器光强分布的内部机理。为观察较为清晰的回波光斑变化趋势，定性分析各激光波长下的回波光斑图样并定量讨论其回波辐照强度，设定微小摄像头探测距离L依次为0.5 m、1 m、1.5 m、2 m、2.5 m、3 m，目标处于成像系统景深可探测范围内。基于图1 理论模型及其传输特性分析，在探测面及各透镜传输面采样计算，仿真532 nm、852 nm、1 064 nm 和1 550 nm 激光在系统探测面的猫眼目标回波，如图4、图5、图6、图7 所示。

可见光532 nm 在相机探测面处的回波光斑及强度分布曲线如图4 所示。随着探测距离的增加，光斑条纹间距变小、密集度更高，回波能量向圆环中心聚集。L=2 m 处为光斑聚焦点，此时猫眼目标回波中心光强为极大值；当L＞2 m 时，回波圆环出现明显的向外扩散趋势，这些特征在各波段表现一致。微小摄像头内吸收型红外截止滤光片的存在使得近红外波段激光852 nm、1 064 nm 回波效率大幅降低，导致探测距离近、系统误判率高等问题。

表 2 常用探测激光说明Table 2 Description of commonly-used detection laser

图 4 532 nm 激光回波光斑及强度分布曲线Fig.4 532 nm laser echo spot and intensity distribution curve

图 5 852 nm 激光回波光斑及强度分布曲线Fig.5 852 nm laser echo spot and intensity distribution curve

图 6 1 064 nm 激光回波光斑及强度分布曲线Fig.6 1 064 nm laser echo spot and intensity distribution curve

不同波段的激光在探测距离上具有相似的变化趋势，不同的是，近红外波段852 nm、1 064 nm激光回波中心辐照强度与可见光波段相比明显下降，短波红外1 550 nm 激光在各探测距离上中心辐照强度与532 nm 可见光近似，为定量分析各波段的探测能力，对不同波长、探测距离下的总辐照强度和光斑半径进行最小二乘法的曲线拟合，结果如图8、图9 所示。

如图8 所示，4 个波长均在聚焦点2 m 处存在探测面最大总辐照强度，其中，532 nm 为3.502 0 W/mm2，1 550 nm 的探测面总辐照强度为6.467 7 W/mm2，回波能量比532 nm 高出1 倍。1 064 nm和852 nm 的探测面总辐照强度相比于可见光532 nm 依次减小，可探测能力较差。将上述最小二乘法拟合曲线在探测距离0.5 m～3 m 处以步长0.5 m进行曲线斜率分析，结果如表3 所示。

图 7 1 550 nm 激光回波光斑及强度分布曲线Fig.7 1 550 nm laser echo spot and intensity distribution curve

图 8 探测面总辐照强度与探测距离关系曲线Fig.8 Relation curves of total irradiation intensity of detection surface and detection distance

图 9 光斑半径与探测距离关系曲线Fig.9 Relation curves of spot radius and detection distance

由表3 可知，532 nm 的总辐照强度在0.5 m～1 m缓慢下降，斜率接近0，曲线较为稳定。1 m～1.5 m和1.5 m～2 m 处呈上升趋势，其中在1.5 m～2 m处快速上升，以2 m 为临界点，在2 m～2.5 m 曲线快速下降，探测面接收辐照强度发生突变，2.5 m后，曲线趋于平稳。852 nm、1 064 nm 和1 550 nm波段的曲线变化趋势与532 nm 近似，不同的是，由于红外截止滤光片的存在，852 nm 和1 064 nm 在1.5 m～2 m、2 m～2.5 m 范围内曲线变化较为缓慢，回波光强能量聚焦程度低，可探测范围较小。1 550 nm 与532 nm 相比，中心光斑处的辐照强度较低，但在突变距离范围1.5 m～2 m、2 m～2.5 m内的总光斑辐照强度远高于532 nm，且该范围内斜率近似为532 nm 的2 倍，在此标准下，1 550 nm的探测性能优于532 nm。

表 3 探测面总辐照强度与探测距离关系曲线分段斜率Table 3 Segmentation slope of relation curves of total irradiation intensity of detection surface and detection distance（×10-3 W/mm3）

由于探测面总辐照强度曲线近似高斯型分布，辐照强度从探测面中心（x=y=0）向边缘平滑降落，为简化计算，规定辐照强度降落为最大强度的1/e 时，该点与中心点的距离为光斑尺寸。

如图9 所示，4 个波段的探测面光斑半径随探测距离的增加呈下降趋势，至2 m 处光斑半径最小，当探测距离大于2 m 时，光斑以极小斜率缓慢上升。截取1 m、2 m、3 m 处的光斑半径进行对比，在1 m 处，532 nm 的光斑半径最大，值为0.936 mm；在2 m 处，532 nm 的光斑半径小于1 064 nm 的光斑半径，值为0.012 mm；在3 m 处，532 nm 的光斑半径最小，值为0.18 mm，表明532 nm 激光的光斑聚焦程度高，在相同的探测发射功率下，532 nm 的衍射光斑特征明显且可探测距离远。1 550 nm 的探测面光斑半径在1 m 和2 m 处均为最小光斑半径，当探测距离大于3 m 时，该光斑半径大于532 nm，与532 nm 激光相比，1 550 nm 的光斑聚焦程度较低，长距离探测性能较差。852 nm 和1 064 nm 的光斑半径变化特征与1 550 nm 相似，但长距离探测情况下，由于光孔限度与光波长之比直接决定衍射光斑的聚焦程度，1 550 nm 的衍射效果更明显，光斑聚焦程度更低，衍射光斑特征不明显，识别困难。

2.3 实验结果及分析

如图3 所示搭建实验装置图，主要参数与仿真实验参数一致。使用可调谐激光器分别发射4 个波长的激光，垂直进入偏振分束器，调整装置角度，保证视场位于目标可探测范围，反射的s 偏振光经1/4 波片后变为圆偏振光照射探测区域，被探测区域目标反射后不改变偏振方向，回波再次经过1/4 波片转变为p 偏振光经偏振分束器透射，工业相机接收微小摄像头猫眼效应产生的衍射光斑图样，由计算机显示目标图样信息和处理结果。室内、自然光照射条件下532 nm、852 nm、1 064 nm和1 550 nm 激光的实验结果如图10、图11、图12、图13 所示。

如图10 所示，L=0.5 m 处光斑条纹明显，中心光斑外衍射环密集，且半径越大条纹越稀疏。由于系统内部光学元件间、微小摄像头存在镜面反射，强反射图样位于探测面目标光斑附近。L=2 m处为光斑聚焦点，此时猫眼目标回波中心光强为极大值，随着探测距离的增加，532 nm 回波光斑条纹间距变小，回波能量向圆环中心聚集，中心能量峰值达到最大。当L＞2 m 时，回波圆环再次出现明显的向外扩散趋势，光斑衍射特征明显，但光束能量在传播过程中存在光学系统、大气等方面的衰减，探测面辐照强度降低，识别目标光斑难度较高。

图 10 532 nm 激光回波光斑实验图Fig.10 Experimental diagram of 532 nm laser echo spot

图 11 852 nm 激光回波光斑实验图Fig.11 Experimental diagram of 852 nm laser echo spot

图 12 1 064 nm 激光回波光斑实验图Fig.12 Experimental diagram of 1 064 nm laser echo spot

图 13 1 550 nm 激光回波光斑实验图Fig.13 Experimental diagram of 1 550 nm laser echo spot

如图11 所示，L=0.5 m 处光斑级数较少，与可见光532 nm 相比，各级条纹的间距增大，探测面目标辐照强度降低，且视场受系统内部光学元件间、微小摄像头的镜面反射干扰严重，后向散射图样与目标光斑存在空间重合，系统探测效果差。L=2 m处为光斑聚焦点，此时猫眼目标回波中心辐照强度为极大值，除中心光斑外，各衍射级次能量迅速降低。当L＞2 m 时，回波光斑条纹间距增大，回波衍射环再次出现明显的向外扩散趋势。

如图12 所示，由于目标内部存在红外截止滤光片，探测面接收光斑整体辐照强度降低，光斑变化趋势与上述波段近似，但由于回波能量较弱，系统探测器接收信号困难。当L＞2 m 时，几乎无法捕捉目标光斑，探测距离受限，实际应用困难。

如图13 所示，与可见光波段相比，由于波长较长，1 550 nm 回波光束衍射特征明显。由于1 550 nm处于红外截止滤光片的截止波段外，几乎不受其吸收/反射的影响，激光能量利用率高，具有较远的可探测距离。L=0.5 m 时，目标与探测对焦点距离较远，可以清晰观察到5 级衍射环，随着光斑半径的增大，外侧衍射环的宽度增加但辐照强度降低。L=2 m 时，光束被聚焦为中心亮斑，由于工业相机前透镜的镜面反射和内置滤光片的反射，中心光斑周围存在衍射圆环，且随着距离L的增加，接收屏的总辐照强度减弱。

852 nm 和1 064 nm 受红外截止滤光片的干扰严重，能量在短距离内迅速衰减，无法进行长距离探测。1 550 nm 与可见光532 nm 探测特性接近，在0.5 m～3 m 的测试范围内衍射环识别特征明显，上述532 nm、852 nm、1 064 nm 和1 550 nm 4 个波长在探测距离0.5 m～3 m 处的衍射特征如表4 所示。上述实验结果与仿真模拟结果一致，验证了短波红外1 550 nm 激光应用于微小摄像头探测的可行性。

表 4 不同波长激光在部分探测距离处的光斑特征Table 4 Spot characteristics of different-wavelength lasers at partial detection distances

3 结论

针对可见光探测微小目标的波段单一性、缺乏隐蔽性和人眼安全性等问题，对近红外、短波红外激光探测微小摄像头的机理进行研究。建立激光主动探测模型，在系统景深允许范围内，采集多波长激光回波光斑及其探测面辐照强度特征，分析了包含吸收型红外截止滤光片的微小摄像头的有效探测波长。微小摄像头对近红外波段吸收率高，对短波红外透过率高，1 550 nm 几乎不受红外截止滤光片的影响。实验仿真数据及最小二乘法拟合曲线表明，从探测面总辐照强度和回波光斑半径分析，1 550 nm 激光的探测面总辐照强度高于可见光532 nm，但回波光斑聚焦程度较低，852 nm和1 064 nm 激光位于红外截止滤光片的工作波段，探测效果差，只能进行短距离探测。仿真和实验结果与原理分析一致，红外波段的探测机理研究为拓宽微小摄像头的可探测波长范围提供了可能性。