高速飞行器红外/激光复合凝视成像设计与约束条件分析

王海伟

(1.中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术实验室， 上海 200083;2.中国科学院大学， 北京 100049)

0 引言

红外探测体制为传统光学探测体制，在各类平台中都有广泛的应用。红外探测体制具有高灵敏度、高空间分辨率和作用距离远等优点，同时隐蔽性好适于复杂场景下的应用。激光探测技术由于具有较高距离、角度和速度分辨率，能同时获取目标距离与强度等图像，以及强抗干扰性等特点，已广泛应用于森林调查、地貌测绘、武器制导等领域的图像绘制与目标识别[1]。

采用红外与激光雷达复合成像的方式系统可靠性和目标检测概率相对单模工作得到有效提升。针对高速飞行器应用，激光雷达与红外被动探测采用复合集成式设计，功耗和体积得以消减，同时作用距离延长，全天候使用条件得到扩展。红外成像探测获得场景红外辐射灰度像，主动激光雷达探测信息受环境影响小，可以获得三维点云距离图像和回波强度像[2-3]。

图1中上图为Raytheon公布的针对相同的掩体目标利用激光雷达、红外成像仪以及毫米波雷达所成的图像。通过对比可以发现，毫米波雷达难以获取目标的形貌全面信息。而激光雷达图像能够清晰表达目标的外形特征。在结合红外图像提供的目标温度特征就可以大大增加目标识别的概率。图1表示了激光雷达图像与地物灰度图像多模式图像融合的效果。

从图像融合的角度，红外前视凝视成像探测与激光雷达复合，同时获目标区域的红外/激光多维图像，可以同时描绘目标场景温度分布、反射率特性以及三维精细形貌特征。多种图像相融合可以多维度表达复杂背景下特定军事目标的特征，通过多样特征对目标进行匹配识别，可以大大增加系统可靠性，提高目标识别概率，降低虚警概率[4]。

1 红外/激光复合成像系统工作体制选择

对于超音速飞机、高速导弹等高速飞行器，飞行马赫数达到1～10，在对地目标末制导应用中，需要完成针对地面复杂场景下目标快速捕获、识别与跟踪。为避免扫描成像系统因平台运动引起的图像模糊和畸变问题，红外和激光成像系统采用非扫描凝视成像工作体制是最佳选择。

热红外成像与一般的可见光、近红外不同，它记录的是目标自身的红外辐射，通过目标与背景间的热辐射差异来识别目标，因而具有识别特定辐射特性目标的能力。如能发现隐藏在树林和草丛中的人员和车辆；探测出伪装或诱饵环境下的军事目标；识别复杂场景下的特定工业设施。同时长波穿透能力较中波更强，对于烟、雾的极限条件，长波红外也具有更好的适应性，所以红外凝视成像系统适于选用长波红外焦平面阵列探测器(8 μm～14 μm)。

红外探测器是决定红外凝视成像系统技术性能指标的关键所在。目前，国际上长波红外焦平面阵列朝着多波段、高灵敏度和大面阵等方向发展，国内近年来在这方面已经取得了较大的进步，目前图像规模达到640×512的制冷型高性能长波红外焦平面探测器已经开始广泛使用。

以规模为640×512面阵长波器件进行分析，根据经典Johnson判则[5]，为准确识别目标，目标周数要求大于3.5，即覆盖像素数达到7，如图2所示。

计算式为

(1)

式中：D为目标截面尺寸；R为工作距离；φ为瞬时视场。以建筑、桥梁等典型地物目标为例,目标尺度以7 m量级分析。因高速平台的轻小型化要求，以红外成像系统望远镜口径为120 mm计算，为满足衍射极限要求，瞬时视场不低于0.2 mrad，由此计算红外系统最远工作距离约5 km，全视场约7.3°×5.8°。

根据典型红外系统噪声等效温差(NETD)计算方法，基于以上条件，以目标背景温度区分度为2 K考虑，应用制冷型高性能长波焦平面器件，系统NETD不超过50 mK。信噪比计算式为

(2)

式中：∂为衰减系数，典型值选取0.25/km。依据以上作用距离评估模型[5]，为满足热红外信号信噪比大于10，估算出热红外成像系统作用距离不超过5.5 km，综合考虑目标识别空间分辨的分析结果，热红外成像系统作用距离设计为5 km。

凝视成像激光雷达中大面阵APD阵列探测器为核心部件, 从体制上分为线性APD和盖革模式APD两类。以普林斯顿大学、雷声公司和ASC公司为代表，国外在2000年之后就纷纷开展大面阵APD阵列探测器的研制，已经研制成功规模达到256×256面阵的探测器[6]。国内相关单位也积极开展类似研究并取得了一定的进展。

针对面目标的激光雷达方程为

(3)

基于高速飞行器平台的激光雷达设计难点集中于探测器规模过小和激光器能量需求较大两方面。应用256×256焦平面探测器，以作用距离5 km、瞬时视场两倍于红外瞬时视场、目标反射率0.1、光学收发效率0.5、大气单程衰减0.6作为工作条件，按照最小回波信号为1×10-7W计算，得出激光器单脉冲能量需求超出1 J(激光脉宽2 ns)，显然这是轻小型平台无法承受的。

相比于线性体制，盖革模式APD阵列探测器则具有以下优点：a)各像元一致性高，增益一致性好，各象元间的噪声差异不大；b)高灵敏度，理论上单光子即可触发GmAPD工作；c)高重频，图像刷新率可以达到千帧量级。

综合以上考虑,盖革模式APD阵列探测器更适合于高速飞行器平台应用。激光雷达全视场达到6°×6°左右，与红外全视场接近，有利于后期双模图像融合处理。同样为满足Johnson判据，要求系统作用距离不超过2.5 km。而以盖革APD量子效率0.2、以及以4个光电子数为接收回波阈值[7]，计算得出激光器单脉冲能量需求不超过10 mJ，此量级激光器更容易实现小型化。

在激光雷达系统中可通过空间滤波抑制背景光(加超窄带滤光片)和时间滤波(多帧累积相关滤波)滤除随机光子事件[8]，为了进一步抑制背景光干扰，激光器工作波长可选择背景辐射水平远低于可见光波段的1 550 nm工作波长。本方案能够实现高帧频、远距离、高分辨率等需要，同时也降低了激光器以及光机系统的设计压力。

结合红外和激光雷达凝视成像系统的各自特点，在高速飞行器末制导对地寻的应用中，红外/激光复合凝视成像系统工作过程可以规划为：远界时红外凝视成像系统开机进入红外成像阶段，近界时激光雷达开机，进入红外/激光复合成像阶段，获取目标多维融合精细图像，实现精确制导。

2 红外/激光复合成像探测系统设计

为实现高速飞行器平台应用，红外/激光复合探测系统设计需要重点解决:

a) 合理利用平台约束空间，实现最优化、小型化、紧凑型设计；

b) 光机系统高可靠性设计，抗力学环境设计；

c) 根据背景需求，合理设计二维转动机构；

d) 在上述基础上实现轻量化、低功耗设计。

图3(a)为一种红外/激光复合成像系统望远镜共口径接收方案，红外/激光采用共卡式望远镜接收，红外和激光在望远镜后光路分光，分别被红外探测组件和激光探测组件接收，图4为该技术方案光学望远镜分光示意图。红外、激光探测组件和激光器放置于头部内，激光通过高能光纤中继，采用扩束镜旁轴发射。红外和激光探测器组件输出原始图像信息通过电缆与后电子系统相连，完成目标识别和跟踪等图像处理和控制工作。

（三）创新小学英语教师的培训模式。首先，要创新教师培训方法。《意见》要求各级师范院校、教师进修院校、中小学教研室在当地教育行政部门的规划和指导下对在职小学教师进行培训。壮民族地区小学应给予教师成长方面的支持，主动加强与高等院校的联系，邀请高等院校的教师到本校给予教师专业知识和教学水平方面的支持。

该布局结构紧凑，空间利用率高，可实现大光学口径设计，同轴反射式望远镜单视场最大为3.5°左右，视场略显不足，但仍能适应部分场合应用。而图3(b)的构型，热红外与激光雷达采取分立视场，仅在结构上复合，设计优点是充分满足红外/激光各自设计需求，但在体积重量上有明显的劣势。根据不同的实际需求，可以具体选择何种复合布局形式。

图3所示为典型红外/激光探测系统安装于伺服框架机构上采用共形头罩，具体设计与应用场景和战术指标相关。如大气层内应用中当飞行器马赫数低于3时可采用球形头罩，复合探测系统安装于二维伺服框架上，采取两轴四框架结构，可在俯仰和偏航方向实现大角度转动。当飞行器马赫数高于3时，平台运动引起的热效应会降低红外系统作用距离甚至导致红外系统无法工作，所以一般采用锥形头罩设计并开侧窗，同时还需考虑窗口制冷措施，此时为考虑轻小型化往往选择二维伺服镜的方案，而红外/激光探测系统安装于固定结构中，通过反射镜和伺服镜构成紧凑的折叠光路，并最终透过侧窗进行探测，采用这种方案的伺服角度相对较小，如图4所示。

受到空间、功耗和散热等条件的限制，激光器技术也是高速飞行器平台红外/激光复合成像系统的关键技术。目前比较成熟的大功率激光器技术路线有：

a) 尾纤LD端面泵浦的被动调Q激光器经过复合调制后放大输出；

b) 采用种子注入光纤放大的全光纤路线；

c) 采用大功率LD侧面泵浦的电光调Q激光器；

针对光纤激光器体制，由于其结构紧凑、体积小外形尺寸可以灵活排布、光束质量高、发热量低等优点以及可以弯曲盘旋在有限的空间内。所以在激光输出能量要求不高的应用背景下(低于1 mJ)，光纤激光器是优选方案。当能量更高时则需采取多级输出，且需要采用芯径80 μm以上的粗光纤，因此整机重量难以降低，此时光纤激光器就没有优势了。

采用尾纤LD端面泵浦的被动调Q激光器，需要考虑尾纤LD的结构排布问题，体积难以缩减。如果不希望增加放大级，则必须采用高功率的尾纤LD，转弯半径和LD自身的重量增加。

采用VCSEL阵列的方式，可以采用单级振荡输出，由于泵浦光斑较大，适于大能量的脉冲输出。整机结构较紧凑，重量上有优势。其原理示意图如图5所示。

激光器由种子源LD阵列、晶体以及驱动电路等构成。激光输出后，经激光发射光学完成光学扩束和整形后输出。

红外/激光复合成像系统还需要考虑共用窗口头罩的材料选取问题。红外探测系统波长属于长波波段，而激光探测一般采用近红外短波波长。所以长波和短波光学复合时就要考虑光学材料的透射特性问题，需要选用投射波段较宽的材料。如硒化锌(ZnSe)材料，具有可见光到24 μm红外的透明区间。

光学伺服机构、激光器、红外制冷系统功耗较大，特别是激光器峰值功耗可能高于200 W(大于10 mJ输出)，需要根据具体飞行器平台特殊考虑，重点开展激光驱动电路和散热的优化设计。

高速飞行器对凝视成像提出了高实时性要求，一般要超过20 Fps，长波红外系统积分时间较短，非扫描激光雷达工作于近界距离，成像时间也较短(≤50 us)，所以红外/激光探测体制对平台振动、速度和加速度敏感度不高。

3 红外/激光复合成像约束条件分析

红外/激光复合成像系统中红外系统作为被动探测系统，依赖于目标的辐射特性(目标辐射率和温度)，目标红外辐射特性的变化最终会导致系统最终作用距离以及图像信噪比的变化，关系到目标识别概率，直接影响最终的战术使用。受天时和季节性因素影响较大。激光探测系统为主动探测体制，因目标激光反射特性不随时间和季节发生明显变化，基本不受上述因素的影响。

针对不同的应用背景，需要重点开展红外目标特性研究。例如攻击目标为地物目标时，需要重点分析车辆、土壤、岩石和植被等在不同时间段和不同季节内的红外辐射特性，为红外系统工作参数选择提供输入，留有设计余度以扩展天时适用性，并为将来战术应用提供依据。

在红外/激光复合探测成像系统中，大气对探测影响主要包括大气分子吸收；大气中气溶胶质粒、微粒的散射; 云雾产生的影响；雨产生的衰减。

大气因素对红外探测系统与激光探测系统约束性相近。针对大气效应,被动探测体制只要考虑单程大气衰减问题，而激光主动探测体制需要研究发射和接收双程的影响。在一般的条件下(能见度大于9 km)，红外系统工作距离不超过10 km时大气衰减趋势不明显，超过10 km后大气衰减加剧[9]。红外/激光复合系统在能见度良好是受大气影响较弱。

在特殊天气条件下，如大雾、霾，能见度较差时，红外/激光的作用距离会成倍衰减。受雨水的影响就更为严重。按照相关文献的计算方法[10],在能见度降低为2 km的恶劣条件下，红外/激光复合系统中红外系统作用距离会衰减到3.5 km以内，而激光雷达受双程路径影响衰减会更严重会降低到1.6 km以内。而雨天时根据相关文献给出的计算方法[11]，在小雨天气时(2.5 mm/h)，红外系统作用距离会衰减到2 km以内，而激光雷达作用距离会衰减至0.5 km以内，中雨及以上红外/激光复合系统不能正常工作。

综合以上天气条件约束分析，红外系统作用距离远，但对天时条件较为敏感、而激光不受天时季节性因素影响，适应性和抗干扰能力强。红外和激光复合可使得高速飞行器在天气适用性上得到扩展，作用距离和其他工作参数的也得到优化和提升。而特殊天气条件下红外和激光均受到限制，在战术应用上需要合理考虑。

对于高速飞行器大气层内应用来说，因飞行器高速飞行引起的气动光学效应与大气湍流效应较严重，会带来光学像差等问题。大气湍流和气动光学效应主要带来了图像失真和光束漂移和扩展等问题，影响的结果为图像模糊和图像畸变。由于飞行器空间有限，限制了采取如自适应光学手段解决湍流问题。从设计上最有效的方法是降低器件的积分时间。对于红外积分器件，积分时间越长湍流的影响会长时累加，所以一般积分越长，图像模糊，积分时间越短图像越清晰，还可以通过飞行器气动结构的设计上来减小影响，如加入气流分隔板修正控制整弹的湍流场减少光学扰动，这些设计可以改善对图像影响但不能完全消除[12]。

针对激光探测系统，激光光束漂移和偏差是影响激光探测瞄准精度和图像质量的关键因素。激光光束漂移是指激光经过湍流后光束偏折而引起指向误差，而光束扩展则降低了光束质量引起能量损失并进一步导致激光成像质量下降。实际设计中，减小激光脉冲宽度可以有效减少该问题。

4 结论

红外和激光图像信息的融合可以从目标三维形貌和辐射特性等多维度表达目标特性，适合复杂背景下的导航和目标识别。针对高速飞行器高实时探测需求和严格资源约束条件的特殊应用背景，提出了凝视长波红外焦平面和单光子面阵激光雷达的复合高速成像工作体制。红外成像系统面阵器件成熟、作用距离远，从使用流程规划上先期开机，进入近界时激光雷达开机红外/激光复合工作。文中给出了红外/激光光学共口径以及光学分立结构复合两种构型结构可以实际应用中参考，也分析了适应轻小型平台应用的基于VCSEL泵浦大功率激光器的关键技术。

最后，恶劣的天气条件会限制红外/激光复合系统的应用，主要体现在作用距离衰减和信噪比降低。此外，大气湍流和气动效应对红外/激光复合探测系统造成的影响仍需要进一步的开展研究。

本文对高速飞行器中红外/激光复合成像探测通用设计方面提供了一些参考，同时对使用约束条件也进行了简要的分析，但本文并未针对特定应用场景进行针对性分析，仍需结合实际具体情况开展深入分析。同时在复合系统轻小型化设计方面也需要进一步开展工作，才能真正满足实际需求。