一种应用距离选通成像技术的微光望远镜

一种应用距离选通成像技术的微光望远镜张跃民;刘晓莉;陈洲;赵路民;张红;张金涛【摘要】利用红外波长的激光对微光系统进行辅助照明,改善目标区域的环境照度和对比度,使目标从视场中凸显出来,提高微光系统的探测距离,改善观察效果.采用距离选通技术,合理匹配激光脉冲与选通像增强器的工作时序,屏蔽目标前后非目标反射光以及来自大气中悬浮微粒产生的杂散光干扰,解决同轴照明后向散射问题,达到只观察选定距离内目标的目的.通过微光选通望远镜的工程实践,将激光距离选通技术成功地运用于微光探测领域中,在无月星光,照度为1×10-3 lx,大气能见度为10 km条件下,对中型坦克或卡车侧面目标的识别距离可达到1 400m.%Under the help of auxiliary lighting on low-light level system by using laser with infrared wavelength,environmental illumination and contrast of object area can be improved,making the object outstand from vision area,which can effectively enlarge the range of lowlight detection and improve the observation effects.Adopting range gating technology,properly arranging the work order between laser pulse and gated image intensifier,shielding the object from troubling by inflected light around the object and stray light from airborne suspended particulates,solving coaxial illumination back scattering problem,the object only from the selected range can be observed.Through engineering practices of laser assistant low-light level binoculars,the range gating technology is successfully applied to low-light detecting area,and the recognizable range for medium tank and the truck broadside is up to 1 400 m under simple background conditions,withoutmoonlight or starlight,with illumination of 1 × 10-3lx and atmosphere visibility of 10 km.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2013(034)004【总页数】5页(P667-671)【关键词】激光照明;微光选通望远镜;距离选通;后向散射【作者】张跃民;刘晓莉;陈洲;赵路民;张红;张金涛【作者单位】河南平原光电有限公司,河南焦作454001;焦作大学机电工程学院,河南焦作454000;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001;河南平原光电有限公司,河南焦作454001【正文语种】中文【中图分类】TN249引言微光望远镜主要用于夜间观察、搜索目标，可利用镜内分划观测炸点位置，修正射击偏差，同时也可作为夜间侦察、监控装备使用。

采用二代或超二代像增强器的微光望远镜普遍夜视距离近，其夜视距离很难适应用户的使用要求。

围绕提高微光望远镜的夜视距离，从微光望远镜的物镜形式、相对孔径（D／f′）、光能损失、放大率、分辨率、传递函数、消杂散光情况等方面进行研究，可以使夜视距离从600m提高到800m。

为进一步提高微光望远镜的夜视距离，改善目标区域的环境照度和对比度无疑是一种合理的技术捷径。

实践证明，采用激光辅助照明的微光选通望远镜，在夜间照度偏低、能见度不高、以及目标隐藏在树林、山洞和建筑物窗玻璃后面等特殊情况下，均能大幅度提高夜视距离，改善观察效果。

微光望远镜的核心器件是像增强器，最新的四代双近帖聚焦像增强器阴极灵敏度已高达2000μA／lm，对中型车辆的识别距离可达到2 000m。

而超二代像增强器的阴极灵敏度只有700μA／lm～800μA／lm，对中型车辆的识别距离只有800m。

要提高现有应用超二代像增强器微光望远镜的夜视距离，采用激光辅助照明来提高目标的环境照度，使夜视距离满足用户要求是其最佳选择。

激光辅助照明是用半导体激光器照射到目标表面，提高目标表面的照度。

但是因为激光照明光轴与望远镜光轴一致，使用中容易出现大气后向散射，影响观察效果。

采用带选通功能的像增强器和脉冲激光辅助照明的微光选通望远镜，可以解决同轴照明产生的后向散射问题。

1 产品组成及工作原理1．1 产品组成微光选通望远镜包括微光望远镜和激光辅助照明两部分。

其中，微光望远镜包括物镜、镜身、像增强器、选通电源、电源变换、分划照明、电池及目镜等；激光辅助照明包括半导体脉冲激光器、激光电源和脉冲匹配电路等。

系统框图如图1所示。

图1 微光选通望远镜系统框图Fig．1 System diagram of range gating low-light level telescope1．2 基本原理在夜间条件下，目标反射的自然光经微光望远镜的物镜，将目标成像在像增强器的阴极面上，此图像是很微弱的光学图像，经过像增强器的光电像增强作用，使微弱的光学图像转换成电子图像，再经电子光学系统强电场的作用，最后在像增强器的荧光屏（阳极面）上得到亮度增强的光学图像，然后通过目镜放大，供使用者观察。

采用带选通功能的像增强器和脉冲激光辅助照明时，由激光器发射短脉冲激光对目标进行照射。

当目标反射光到达像增强器时，选通门开启，让来自目标的反射光进入像增强器。

选通门开启持续时间与激光脉冲一致，这样形成的目标图像只与特定距离的反射光有关，实现滤除后向散射光和非目标反射光，达到只观察选定距离内目标的目的，使目标成像清晰，从而提高夜视距离。

2 产品关键技术设计微光选通望远镜的物镜设计、像增强器的选择匹配、激光光源的选择、系统硬件设计及控制程序设计是本产品的几项关键技术。

2．1 物镜设计本微光物镜选用折射式物镜，最重要的是其口径相对较小且中心部位像质好，这样可以使整个产品的质量轻、分辨力高。

2．2 像增强器选择像增强器选用北方夜视公司的1XZ18／18WHS-7型高性能微光像增强器。

该像增强器具有电子快门技术，能满足距离选通应用要求。

1XZ18／18WHS-7主要参数见表1，光谱响应曲线如图2所示。

表1 1XZ18／18WHS-7主要参数Table 1 Main parameters of 1XZ18／18WHS-7参数数值最小值典型值信噪比／dB 25 28亮度增益／cd·m-2lx-1 8×10316×103分辨力／lp·mm-1 64 70照度动态范围／lx 1．0×10-6 5．0×104图2 1XZ18／18WHS-7选通型像增强器光谱响应特性Fig．2 Spectrum response characteristics of gating image intensifier 1XZ18／18WHS-7 2．3 激光光源选择激光光源的选择主要从像增强器的响应灵敏度、空气中的透过率、红曝现象几个方面考虑。

根据超二代1XZ18／18WHS-7型高性能微光像增强器的光谱响应，选用808nm的半导体激光器作为激光光源。

该波长的激光器对超二代像增强器的响应好，在空气中的透过率高，但存在红曝问题，采取加装滤波片来控制红曝问题。

2．4 系统硬件设计及控制程序设计激光照明距离选通技术的关键在于如何实现微光像增强器门控脉冲和激光脉冲之间的精确时序匹配，图1中匹配电路的功能就是控制二者之间的时序关系。

匹配电路采用FPGA程序控制，用2个按键改变时序的前后相对关系，其软件的流程如图3所示。

图3 距离选通软件设计流程Fig．3 Software design flow of range gating3 设计参数分析与试验3．1 快门速度和选通占空比的计算微光选通望远镜要求以夜视距离800m为起始点，按键控制激光照明在800m～1 400m之间扫描，景深200m，因此，激光器脉宽和电子快门选通宽度为激光起始位置为800m，对应延时时间：扫描终止位置为1 400m，对应延时时间为设激光步进速度为V，则激光脉冲与选通门控脉冲之间的延时为式中T为按键按下的时间（注：激光向前扫描时，V取正；激光向后扫描时，V取负）。

激光最高频率：激光的最大占空比为实际上，由于脉冲激光器重频为k（k＜v），实际脉冲周期td＝1／k，对应的脉冲占空比ηd＝topen／td。

通过计算，脉冲激光器的频率为60kHz，脉冲宽度为700ns。

3．2 产品传递函数计算微光选通望远镜的目镜、物镜和像增强器传递函数数据如表2所示。

表2 系统各部分的传递函数Table 2 Transmission function of system elements?根据已知的传递函数数据，用公式MTF（f）＝exp［-（f／fc）n］来逼近目镜、物镜和像增强器传递函数，如图4所示。

图4 目镜、物镜和像增强器的MTF曲线Fig．4 MTF curves of eyepiece，objective lens and image intensifier3．3 最小工作照度分析若采用物镜焦距f′＝100mm，则识别l＝1．5km处的目标（d＝2．3m＊2．3m），所需要的空间分辨力为对应于目标25%左右的对比度，系统最小工作照度约为0．005lx。

3．4 像增强器最小工作光阴极电流密度和激光器功率计算设色温2 856K的标准光源照射目标，在目标上形成的光通量为式中Pλ为目标上的光谱辐射通量。

根据普朗克公式M0（λ，T）且有辐射分布函数，2 856K的标准光源1．014 7 μm。

设照射到阴极面上的辐射照度Em为Emax·m0（λ，T），Emax为峰值辐照度（W·m-2／μm），则对应的照度值为设像增强器阴极面最小可工作照度Evmin（lx），则得对应最小工作照度Evmin，像增强器最小工作光阴极电流密度为式中R（λ）为光电阴极的光谱响应率（mA／W）。