第1章 绪论

1.1课题研究背景及意义

目前的成像体制可以分为主动成像和被动成像两种方式，被动成像主要是利用成像系统接收目标反射光或自身辐射进行成像。被动成像方式自身隐蔽性好，但易受目标照度的影响，因而限制了成像系统对暗目标、小目标的成像分辨及精确跟踪能力。而采用激光照明的主动成像方式，利用激光方向性好和高亮度的特点，能够克服被动成像的缺点，有效的提高成像系统在底照度背景光环境下对暗目标和小目标的分辨识别能力。最早的主动成像技术为红外主动成像，该系统是利用红外辐射光源对场景照明再成像的直视光电成像系统，与被动红外成像技术相比，具有背景反差强、成像清晰及不受目标照度影响的优点，广泛的应用于军事目的，和民用安防系统。例如美国的PLOCAAS系统，利用半导体激光器及CCD直接照明成像技术的导引头，用于运动目标的自动跟踪和识别，提高了打击的精度。德国的Diehl BGT防务公司正在研制用于拦截战区弹道导弹的攻击系统，该系统的导引头由被动红外传感器和主动激光雷达组成，具有自动导引、目标识别等功能，其红外传感器与激光雷达共用一个窗口，导引头工作时，首先由红外传感器获取较大视场的图像信息，分辨出特定的目标后用激光进行照射，获取特定目标的高分辨率图像，用于识别和跟踪。可见激光照明主动成像技术，对目标的自动跟踪、识别，以及精确打击等需要高分辨图像的应用有着重大意义。除了军事应用，对于海上搜救工作，尤其在天气恶劣能见度低的条件下，传统的被动红外成像系统因工作距离受到天空背景照度、天气条件、海面温度的影响，对搜救工作影响极大，而利用激光主动照明成像技术，可以克服传统的被动成像系统的许多缺点，在暗小目标识别和水下成像都有着极大的优势。还有在安防反恐应用中，微光甚至无光的条件下，被动成像对于目标的识别跟踪都面临巨大的挑战，特别是在人脸、枪械等需要高分辨率图像进行识别时，主动成像技术显示着不可替代的作用。

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1.2相关领域的研究现状

对于激光大气传输的研究，典型代表是早期Tatarskii[33]基于Kolmogorov[34, 35]理论进行的研究，在他的工作基础上很多学者完成了更加深入复杂的研究，典型的如Andrews和Phillips及其团队[27, 36-50]关于光波大气传输的研究， 该团队在Born近似和Ryrov近似的基础，加以发展，对于弱湍流和强湍流条件下，激光经随机介质传输后的统计特性进行了系统详尽的分析，利用光场的二阶矩和四阶矩，对L距离外接收平面内的光斑半径、光束漂移、空间相干长度、及闪烁指数等重要参数进行了计算讨论，很多学者[51-54]的工作都建立在其研究基础上。Andrews还利用其结果对激光通信、激光雷达和主动成像等应用进行了对应的理论分析。对于粗糙表面反射相干光形成的散斑现象，早在20世纪60年代随着激光器出现就开始了相关研究。对于不同特性的粗糙表面，产生的散斑场的统计特性也不同，所以对于粗糙表面统计特性的描述非常重要，Goodman[3]和刘培森[55]对delta相关粗糙表面的统计特性进行了深入研究：根据表面完全散射和部分散射散斑进行了详细描述，不仅推导计算了散斑场的均值分布等低阶统计特性，还给出了散斑的自相关函数、功率谱密度、对散射体的依赖关系以及光学涡旋等高阶统计特性。Thomas和Bendat[56]证明指数和指数余弦自相关函数能够很好的描述现实中的大部分随机现象。Beckman[57]指出对于随机粗糙表面，习惯上假设表面随机高度服从高斯分布，而且Whitehous和Archard[58]给出了实验结果，证明表面随机高度满足高斯分布，而且表面轮廓具有指数自相干函数关系。Ticconi等人[59]同样也指出对于一定距离探测粗糙表面散射光的探测，服从高斯分布的粗糙表面随机高度，具有一般性。

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第2章 光波传输原理与光场微扰理论

2.1光波真空传输数学模型

本章将以经典电动力学理论为基础，简单的描述了自由空间光波传输理论、标量波动方程的化解和高斯光束传输方程的求解。在此基础上，给出了激光照明主动成像光场模型，并且根据Andrews对目标反射光场的分析方法，将折射光路展开为透射光路进行讨论。对于光场微扰理论，文中讨论了Born近似和Rytov近似。图2.1给出了自由空间，激光照明主动成像各阶段光场示意图，激光由发射平面的发射光场传输至目标平面前形成照明光场，经目标反射形成反射光场，最后回到接收平面（发射平面）形成回波光场，本论文将以收发不同置光学系统结构为例进行激光照明主动成像光场进行分析。依据Andrews[27]的分析思路，可以将折叠反射光路展开成透射光路来分析，如图2.2所示，把目标的反射当作透射来研究，并且假设目标是由高斯透镜和一个薄相位屏组合而成，如果目标是高斯反射镜，则相位屏透明，只有高斯透镜起作用；如果目标具有粗糙表面，则目标可以看作是由高斯透镜和满足粗糙表面特性的相位屏组成。这里所说的高斯透镜指具有有限尺寸（半径为WR）及焦距为fR 的薄透镜，而高斯反射镜fR=∞。由于本论文讨论的是激光照明主动成像应用，所以对应的照明激光为发射光束，即F0<0，结合实际情况，在这里给出发射光场的参数，并且假设目标距发射平面为5.4km，计算出自由空间照明光场的光斑参数，结果由表2.1给出。表中参数将在接下来的理论分析章节和仿真计算章节作为光源基本参数使用，如无特殊说明，论文中得到的所有分析和计算结果都是以此为基础的。

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2.2光场随机扰动理论

在实际激光照明主动成像应用中，光波在传输过程中会被大气湍流调制，光场的振幅和相位由于折射率的随机起伏而产生随机波动；在被目标反射过程中会被随机粗糙表面调制，同样，光场的振幅和相位由于表面高度随机涨落而产生随机波动。折射率和目标表面随机起伏所满足的规律虽然不相同，但其对光场的调制，本质都是由于光线在传输过程中路径和方向略微不同，而发射随机干涉[58, 101]所引起的，最终对光场引入了随机扰动。下面就以折射率随机起伏为例，讨论经典微扰理论。对散斑在大气中的传输方面，Lee的团队[60]利用扩展Huygens-Fresnel原理分析了TEM00模激光经湍流大气传输后照明朗伯反射表面回波光场的一阶和二阶统计特性，文中将目标粗糙反射和激光大气传输对光场的调制看作是两个相互独立的过程，并且假设表面是delta相关的。分析过程包含湍流对激光传输至目标的作用，也包含目标处散斑经湍流传输至接收器的作用，对汇聚光和准直光两种情况都进行了公式推导。由于文中目标表面delta相关的假设，使得对光场相位扰动分析时，大气湍流起主导作用，其分析表明：对于点探测器，接收平面强度归一化方差为单位1，而且与湍流强度独立，但是随着湍流强度增强，接收平面横向相干长度与大气相干长度成正比。

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第3章 激光照明主动成像光场分析........27

3.1湍流效应与散斑现象........28

3.2照明光场湍流效应.......30

3.3相干光照明粗糙表面散斑现象.......41

3.4总结...........53

第4章 光场闪烁及散斑抑制原理.......55

4.1多光束偏振态可调照明发射模型........55

4.2多光束照明湍流效应抑制原理.......57

4.3多光束照明散斑抑制原理.....70

4.4偏振多样性对湍流闪烁和散斑的影响.....73

4.5总结...........75

第5章 激光照明主动成像光场闪烁及散斑.......77

5.1自由空间激光照明主动成像光场传输仿真.......77

5.2单光束照明湍流效应与散斑现象仿真.....93

5.3多光束照明湍流闪烁与散斑现象抑制仿真.....119

5.4总结.........145

第6章 激光照明主动成像光场闪烁及散斑抑制实验研究

6.1实验系统搭建

根据第四章多光束偏振态可调照明发射光场模型图4.1，搭建发射实验装置。实验所用连续激光器波长为532nm，能量为100mJ；1/2波片及偏振分光棱镜组合（简称波片棱镜组合）如图6.1，小孔光阑用来滤掉杂散光。整个实验系统如图6.2所示，激光经过第一组波片棱镜组合，反射光为光束1，透射光经过第二组波片棱镜组合，反射光经过1/2波片形成光束2，依次传输形成光束3和光束4，最终得到能量可调偏振方向可调的放射光场。本文将在静态相位屏的基础上搭建满足实验所需的湍流模拟系统，实验所用静态相位屏为Lexitek.Inc.生产的HS-100，如图6.3所示。该静态相位片的总厚度为22mm，直径为100mm，有效区域直径83mm，利用步进电机控制其旋转，实现满足同一统计特性的不同大气条件，其中生成该静态相位片的Kolmogorov谱数值相位屏的大气相干长度为4.8mm。湍流模拟系统原理结构如图6.4所示，通过光学系统对发射光场进行变换形成发散传输，经过相位屏传输，最后由CCD记录照明光场能量分布。

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结论

本论文研究了激光主动照明成像各阶段光场统计特性，提出并讨论了多光束偏振态可调发射模型对照明光场湍流闪烁和回波光场散斑的抑制原理。基于理论分析，利用湍流模拟技术和粗糙表面模拟技术对多光束抑制物理过程进了仿真分析，最后基于仿真结果进行了多光束部分偏振照明实验研究。论文中理论分析、仿真计算和实验研究的主要结论如下：

（1）以多光束叠加场分布为出发点，利用光场统计矩证明了多光束发射技术对主动成像各阶段光场不均匀性有明显抑制作用，在相同发射参数条件下，抑制效果由各光束强度占总发射能量比例所决定，各光束之间能量分配越均匀抑制效果也越明显，而且在等能量分光时，能达到最佳抑制效果，具体而言：N束光照明，叠加照明场闪烁指数能减小为单光束照明时的1/N；回波叠加散斑场对比度能减小为单光束时的1/√N。

（2）基于FFT薄相位屏，结合分步法和可变采样技术，对不同大气条件下照明光场的湍流效应进行了仿真，经过所得统计结果与理论分析的对比，验证了仿真算法的有效性；基于高斯型粗糙表面自相关函数，生成表面随机高度函数，对不同粗糙度表面反射回波散斑场进行了仿真，并且利用仿真结果，计算了散斑对比度随表面均方根高度和相关长度的变化关系，结果与理论变化关系基本吻合。在单光束仿真的基础上，进行了多组不同能量分配的多光束发射照明光场和回波光场的仿真，结果与理论抑制效果完全吻合。

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参考文献（略）