基于编码成像的激光能量调控方法研究.pdf
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1、第3卷第1期2 0 2 4年1月信 息 对 抗 技 术I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g yV o l.3 N o.1J a n.2 0 2 4引用格式:吴云龙,叶庆,孔辉,等.基于编码成像的激光能量调控方法研究J.信息对抗技术,2 0 2 4,3(1):8 7-9 6.WU Y u n l o n g,Y E Q i n g,KON G H u i,e t a l.S t u d y o n l a s e r e n e r g y m o d u l a t i o n m e t h o
2、 d b a s e d o n t h e c o d i n g i m a g i n g s y s t e mJ.I n f o r m a t i o n C o u n t e r m e a s u r e T e c h n o l o g y,2 0 2 4,3(1):8 7-9 6.(i n C h i n e s e)基于编码成像的激光能量调控方法研究吴云龙1,叶 庆1*,孔 辉1,张 慧2,陈大可3(1.国防科技大学电子对抗学院,安徽合肥 2 3 0 0 3 7;2.地理信息工程国家重点实验室,北京 1 0 0 0 8 8;3.中国空间技术研究院,北京 1 0 0 0
3、 9 4)摘 要 为了有效提升光电成像系统焦平面探测器在外界存在激光干扰条件下的环境适应性,同时不显著降低原成像系统成像性能,提出了一种基于编码成像的激光能量调控方法,构建了一套以液晶空间光调制器为核心器件的编码成像实验系统并对该系统的成像性能进行了测试,设计了一套基于编码成像的激光能量调控实验验证系统并开展了多参数条件下编码成像抗激光干扰实验研究。实验结果表明,基于编码成像的激光能量调控方法可在不显著降低成像质量前提下有效提升焦平面探测器的抗激光干扰性能。关键词 编码成像;激光干扰;液晶空间光调制器;能量调控中图分类号 TN 9 7 文章编号 2 0 9 7-1 6 3 X(2 0 2 4)
4、0 1-0 0 8 7-1 0文献标志码 A D O I 1 0.1 2 3 9 9/j.i s s n.2 0 9 7-1 6 3 x.2 0 2 4.0 1.0 0 9S t u dy o n l a s e r e n e rg y m o d u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n t h e c o d i ng i m agi ng sys t e mWU Y u n l o n g1,Y E Q i n g1*,KON G H u i1,Z HAN G H u i2,CHE N D a k e3(1.C o l l e g e o f E
5、l e c t r o n i c E n g i n e e r i n g,N a t i o n a l U n i v e r s i t y o f D e f e n s e T e c h n o l o g y,H e f e i 2 3 0 0 3 7,C h i n a;2.S t a t e K e y L a b o r a t o r y o f G e o-I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g,B e i j i n g 1 0 0 0 8 8,C h i n a;3.C h i n a A c a d e m y
6、o f S p a c e T e c h n o l o g y,B e i j i n g 1 0 0 0 9 4,C h i n a)A b s t r a c t A l a s e r e n e r g y m o d u l a t i o n m e t h o d b a s e d o n t h e c o d i n g i m a g i n g s y s t e m w a s p r o-p o s e d,w h i c h a l l o w e d t h e f o c a l p l a n e d e t e c t o r t o i m p r
7、o v e i t s e n v i r o n m e n t a l a d a p t a b i l i t y w i t h t h e e x i s t e n c e o f l a s e r j a mm i n g a n d k e e p i t s i m a g i n g q u a l i t y w i t h s m a l l f r a c t i o n l o s s.A c o d i n g i m a g i n g s y s t e m b a s e d o n t h e l i q u i d c r y s t a l s p
8、 a t i a l l i g h t m o d u l a t o r w a s c o n s t r u c t e d a n d i t s i m-a g i n g p e r f o r m a n c e w a s t e s t e d.A l a s e r e n e r g y m o d u l a t i o n e x p e r i m e n t a l v a l i d a t i o n s y s t e m w a s d e s i g n e d a n d e x p e r i m e n t o n t h e c a p a c
9、 i t y o f r e s i s t i n g l a s e r j a mm i n g b y u s i n g c o d i n g i m a g i n g m e t h o d u n d e r m u l t i p l e p a r a m e t e r s w a s c o n d u c t e d.T h e e x p e r i m e n t r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e p r o p o s e d l a s e r e n e r g y m o d u l a t i
10、o n m e t h o d b a s e d o n t h e c o d i n g i m a g i n g s y s t e m c a n i m p r o v e t h e c a p a c i t y o f r e s i s t i n g l a s e r j a mm i n g o f f o c a l p l a n e d e t e c t o r e f f e c t i v e l y w i t h o u t s i g n i f i c a n t l o s s o f i m a g i n g q u a l i t y.K
11、 e y w o r d s c o d i n g i m a g i n g;l a s e r j a mm i n g;l i q u i d c r y s t a l s p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r;e n e r g y m o d u l a t i o n收稿日期:2 0 2 3-0 8-1 8 修回日期:2 0 2 3-1 1-0 6通信作者:叶庆,E-m a i l:y e q i n g 1 8n u d t.e d u.c n基金项目:先进激光技术安徽省实验室青年基金资助项目(AHL 2 0 2 1 QN 0 3);
12、国防科技大学校科研基金资助项目(Z K 2 0-4 1);中国空间技术研究院创新基金资助项目(1 0 2 0 J 2 0 2 1 0 1 1 7)信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年0 引言波前编码成像技术作为一种新型的数字光学成像技术,通过在其光学系统的光瞳位置增加1块相位掩膜板对光的波前进行相位调制编码,产生具有离焦不变性的弥散中间像,该中间像经过数字图像解码后再次恢复为清晰图像。波前编码成像技术可以有效解决普通焦平面光学成像系统固有的景深焦深过小、存在色差等一般 问 题,从 而 引 起 了 学 者 的 广 泛 关 注 和研究1-5。波前 编 码 技 术 首 先 由 科 罗 拉 多 大
13、学 的C A THE Y和D OWS K I于1 9 9 5年提出1。目前关于波前编码技术的研究主要集中在设计新型相位板和优化图像重构算法等方面。在新型相位板设计方面,目前主要分为2大类:旋转对称型相位板6-7和非旋转对称型相位板8-1 8。旋转对称型相位板制作工艺相对简单,但是存在调制深度较低、景深扩展范围有限等问题。而非旋转对称型相位板则可以实现大范围的景深扩展,因此在实际应用方面的研究较多。已提出的非旋转对称型相位板主要有:三次型分布1、正弦型分布8、对数型分布9、自由型分布1 2、有理数型分布1 3、改进的正弦型分布1 4以及正切型分布1 7等。每种类型的相位板都有自身的优越性,如正切
14、型相位板在景深扩展上效果较好1 7,而自由型相位板则在抑制场曲等高阶像差上具有较大灵活性1 2。在重构算法设计研究方面,逆滤波算法1最先被提出,但是当系统存在噪声时,由于信号和噪声同时被放大,导致该算法噪声抑制作用较差。为解决传统逆滤波算法重构图像过程中噪声大、质量差的问题,各种改进型逆滤波算法被相继提出,包括利用高斯型低通滤波器进行图像频谱预处理1 9、通过预估图像信噪比的先验信息实现保留原始图像高频信息的同时有效抑制图像噪声2 0-2 1、通过进一步引入正则化参数以及对比度调节参数大幅提升维纳滤波算法在图像重构中噪声抑制的效果2 2等方法。随后,陆续有学者分别提出了自适应图像反卷积算法、小
15、波变换、迭代算法等多种图像重构优化方法,均展示了较为优越的噪声抑制效果2 3-2 5。当前,更多学者已由对波前编码成像技术的方法研究转向实际应用研究。丁贵鹏等2 6将波前编码成像技术应用于透雾连续变焦光学系统设计中。周军等2 7基于波前编码成像技术设计并研制了大焦深弹载双色红外探测系统,可将传统探测系统的焦深拓展1 0倍。冯斌等2 8-3 0基于波前编码成像技术研制了无热化红外成像系统样机并开展了实验验证,研究结果表明该系统可实现宽温度范围有效工作并将系统的焦深拓展1 5.2倍。王磊等3 1将波前编码成像技术应用于激光防御领域,用于抑制成像系统的猫眼回波,理论研究结果表明离焦编码成像系统可将激
16、光回波功率减弱2个量级以上。综上所述,目前将编码成像技术应用于激光能量调控领域的研究较少,尤其在公开报道中缺少相关实验研究,仅有极少数研究工作从理论上分析了激光对编码成像系统工作性能的影响3 2。基于此,提出了一种基于编码成像技术的激光能量调控方法,并利用液晶空间光调制器为核心器件开展了实验验证。1 基于编码成像的激光能量调控基本原理波前编码成像系统主要由3部分组成:前端光学系统(以透镜为主)、C C D或CMO S等光学传感器件以及数字信号处理系统(包括电子器件和软件程序),如图1所示。在普通光学系统的孔径光阑或光瞳位置增加一个相位掩膜板,此相位掩膜板一般是非球面的。当光路通过该相位掩膜板后
17、,相当于引入了一个附加相位函数,即光波被相位调制,使整个光学系统的点扩散函数(p o i n t s p r e a d f u n c t i o n,P S F)产生变化。普通光学系统在成像时,来自物平面的光聚焦在焦平面上的一点,此时物上的每一点与像上的每一点一一对应。而在焦平面沿光轴方向的前后位置,光线未被成功聚焦,则光在焦平面上将是一个圆形弥散斑,其直径与离焦量大小成正比例关系。与普通光学系统中物平面上的一点唯一对应像平面上的一点有区别的是,相位掩膜板在波前编码成像系统中的使用,使得光经过系统时被相位调制,即对光信息产生了编码过程。经过编码(相位调制)后,来自物平面的光将不再会聚到焦平
18、面上的一个点,而是在像平面沿光轴方向前后一定空间按特定规律均匀分布的,即此时不存在确定的焦点。因此,无论光电探测器是88第1期吴云龙,等:基于编码成像的激光能量调控方法研究 否处于原先焦平面的位置,都将观察到一个模糊的像。在上述过程中,当外界存在相关激光干扰时,激光波前在成像光学系统传输过程中同样会受到掩膜板的空间相位调制,从而使相干光束在探测器接收面由一个聚焦光点扩展成一个弥散斑,弥散斑的空间分布主要由相位掩膜板的面型函数分布决定。在入射激光能量一定的条件下,弥散斑的存在会有效降低辐照在探测器表面的激光峰值光强,从而一定程度上起到了保护成像探测器件不受干扰激光破坏的作用,提升了光电成像系统在
19、激光干扰条件下的环境适应性。图1 波前编码成像系统组成F i g.1 T h e c o m p o s i t i o n o f w a v e f r o n t c o d i n g s y s t e m 波前编码成像技术除了增加了对光波的编码(相位调制)过程之外,与传统光学成像系统相比还增加了解码(解调)过程。光直接通过掩膜板编码后的成像是模糊的,必须对该模糊像进行后期处理,即解码后才能再次得到清晰的图像。2 编码成像实验系统设计与成像实验2.1 编码成像系统点扩散函数测量目前,已有研究中关于编码成像实验大多是通过制备相位掩膜板和编码成像镜头而开展的,该方法的优点是实验装置紧凑、
20、易于调节,缺点是单片相位掩膜板制备成本高(通常在万元以上),制备周期长且相位掩膜板的面型函数一经确定写入便无法再改变,因此不利于在实验中进行动态参数调节和开展对比实验。鉴于此,本文提出利用通用型液晶空间光调制器为核心器件,通过加载预先生成的多参数可调的数字相位掩膜板,实现对入射波前的编码调制。在开展编码成像实验之前,首先要对成像系统的点扩散函数(P S F)进行测量,方便后续进行图像解码复原。P S F测量 所 采 用 的 实 验 装 置 设 计 思 路 如 图2所示。图2中,C为 平 行 光 管;L 0为E d m u n d O p t i c s公司生产的2 5 mm焦距紧凑型定焦镜头;
21、L 1、L 2是 一 对 傅 里 叶 变 换 透 镜 组,焦 距 为3 0 0 mm;B S为半透半反镜;C C D为T h o r l a b s公司生产的C S 1 6 5 MU型1 6 0万像素黑白图像传感器,分辨率为1 4 4 01 0 8 0,放置于L 2透镜的焦平面处;空间光调制器(s p a t i a l l i g h t m o d u l a t o r,S LM)为H o l o e y e公司生产的P L UTO-2液晶空间光调制器,分辨率为1 9 2 01 0 8 0,通过加载预先生成的数字相位掩膜板实现对光波的编码调制,放置于L 1透镜的焦平面处。实验中采用经典的
22、三次型函数来实现编码调制,利用计算机生成调制系数为2 0 0的数字相位掩膜板,如图3所示。图2 编码成像系统P S F实验测试光路示意图F i g.2 T h e P S F t e s t s c h e m a t i c d i a g r a m o f c o d i n g i m a g i n g s y s t e m将图3所示的数字相位掩膜板加载到图2中的液晶空间光调制器上,并利用平行光管测得等98 信 息 对 抗 技 术2 0 2 4年效编码成像系统的P S F光场分布如图4所示。图3 调制系数为2 0 0的数字相位掩膜板分布图F i g.3 D i g i t a l
23、p h a s e m a s k p l a t e d i s t r i b u t i o n w i t h m o d u l a t i o n f a c t o r o f 2 0 0图4 编码成像系统实测P S F光场分布图F i g.4 T h e m e a s u r e d P S F l i g h t f i e l d d i s t r i b u t i o n o f t h e c o d e d i m a g i n g s y s t e m2.2 编码成像实验与图像质量恢复在测量得到编码成像系统的P S F后,可以进一步开展系统的编码成像实验和
24、图像质量恢复,在这一过程中一般需要采用空间分辨率靶标开展相关实验。空间分辨率是指经过成像后在图像上所能分辨的最小单元之间的距离,是衡量成像系统成像性能和质量优劣的重要指标。在实验中常通过对各种分辨率测试靶标进行成像,以此测量成像系统的空间分辨率。本次实验使用的分辨率测试靶标为E d m u n d O p t i c s公司生产的U S A F 1 9 5 1分辨率测试板,如图5所示。为便于实际操作及观察,只需对图2中的实验装置进行轻微调整,即将图2中平行光管替换为分辨率测试靶标,本实验所采用的光路如图6所示。图6中,L E D为平面光源,用于照明分辨率测试靶标;U S A F为分辨率测试标板
25、;其他实验装置均与图2中的实验装置保持一致。图5 U S A F 1 9 5 1分辨率测试板F i g.5 U S A F 1 9 5 1 r e s o l u t i o n t e s t b o a r d图6 利用靶标测试成像系统空间分辨率的实验光路示意图F i g.6 S c h e m a t i c d i a g r a m o f s p a t i a l r e s o l u t i o n t e s t o n i m a g i n g s y s t e m实验中,首先令S LM不加载数字相位掩膜板,此时液晶空间光调制器可等效看作一个平面反射镜,用于模拟传统光
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