激光水下成像发射光学系统的研究

　　1　引　言

　　距离选通激光水下成像技术是目前用于水下目标探测的最先进的技术,它主动发射激光脉冲照射目标,以ICCD作为光电探测器接收目标对激光的漫反射光而形成图像,由于利用了激光脉冲所独具的时间特性来减小水体的散射光噪声,它可以在相同条件下,使其对水下目标的成像距离达到普通光成像方式的3~6倍[1-2],所以一些发达国家都进行了距离选通激光水下成像系统的研究。不过,这些研究主要都是围绕着如何增大系统的成像距离和提高系统成像质量来展开的,专门研究激光水下成像发射光学系统的文献较少,而实际应用中,如果不通过光学系统对激光器所发射的激光束进行变换,是不能使系统对处于不同距离处的目标都能获得比较理想的图像的:激光对近距离目标的照明光斑小,目标所反射的激光会因光功率密度过大而使ICCD探测单元饱和出现亮斑;激光对远距离目标的照明光斑大,因为水体的衰减效应,此时到达目标表面的光强本来就比近距离目标小,更大的光斑将使目标的照明光功率密度比近距离小得多,这将使ICCD对远距离目标的成像因照明光能量不足而出现图像模糊以至无法分辨,所以,有必要对激光水下成像发射光学系统进行研究。

　　本文设计了一种变倍的发射光学系统,使激光照明光斑的大小具有可调性,可以让系统根据目标距离远近调节光斑大小,保证系统对一定距离范围内的目标都能获得比较理想的成像效果,提出了激光水下成像变倍发射光学系统的控制方案。

　　2　理论分析

　　距离选通激光水下成像系统的光源为倍频Nd∶YAG脉冲激光器(波长为532nm),其所发射激光经测试近似为基模高斯光束,光束束腰直径为2. 7mm,发散角为5mrad。如图1所示为本文所设计的变倍发射光学系统结构示意图,该系统由3个镜组组成[3-4],其中,A为固定组, B为变倍组, C为补偿组。镜组B与镜组C共同构成动镜组,它们的相对位置固定。

　　镜组A、B、C的等效焦距依次为fA=-45mm,fB=75mm,fC=200mm,设w01为入射激光束的束腰直径,ω02与ω03分别为光束通过镜组A、C后的束腰半径,LA为入射光束光腰位置到镜组A的距离,LAB为镜组A、B间的距离,LBC=30mm为镜组B、C间的距离,LC为高斯光束通过镜组C后束腰位置到镜组C的距离。设入射光束腰位置为原点。

　　当出射光腰在焦平面上时,扩束望远系统可达到最大扩束比,因此把入射光腰设在镜组A的焦平面上。随着镜组B、C的移动,发射光学系统可以看成是离焦的望远系统,根据高斯光束的传输特性[5],有:

　　其中,q(z)为z远处的高斯光束的复曲率半径(q参数);R(z)为z远处等相位面的曲率半径;ω(z)为与束腰相距为z处的光斑大小;q01为初始q参数值,高斯光束通过发射光学系统的变换矩阵为[6]: