田麗萍李立立溫文龍王興陳萍盧裕王俊鋒趙衛(wèi)3)田進壽3)

1)(中國科學院西安光學精密機械研究所超快診斷中心,西安 710119)

2)(中國科學院大學,北京 100049)

3)(山西大學極端光學協(xié)同創(chuàng)新中心,太原 030006)

1 引 言

作為非掃描式成像激光雷達之一的條紋變像管成像激光雷達(streak tube imaging lidar,STIL),具有寬視場、高幀率、高可靠性和體積小的巨大優(yōu)勢,廣泛應用于軍事和航天等領域[1,2].條紋管成像激光雷達系統(tǒng)的探測視場由陰極可探測狹縫長度和狹縫方向的空間分辨率二者共同決定,狹縫長度越長,空間分辨率越高,相同精度要求下的探測視場越大[3?5].傳統(tǒng)條紋變像管在追求較高時間分辨率時往往引入了超精細結構柵網(wǎng)以提高陰極附近的電場強度,但也增加了打火的概率而影響條紋相機的穩(wěn)定性和可靠性[6,7].而且,傳統(tǒng)的條紋變像管體積較大,嚴重制約了STIL系統(tǒng)的小型化,進而限制了STIL系統(tǒng)在無人機載及星載探測領域的應用.

為滿足STIL系統(tǒng)對條紋管的大探測面積、高空間分辨率以及小型化等應用需求,各單位研制出了一系列條紋變像管.其中,Photonis研制的P920型條紋管長度為159 mm,但其可探測狹縫有效長度也極為有限,僅為10 mm;俄羅斯科學院研制的PF-M型條紋管長度僅為110 mm,且空間分辨率高達30 lp/mm@Φ25 mm,但其放大倍率為1,亮度增益較低,不利于成像激光雷達的遠距離高信噪比探測[8];英國Photek公司研制的ST-X型條紋管,其探測面積為18 mm×3 mm且掃描方向的空間分辨率高達36 lp/mm,但對狹縫方向的空間分辨性能研究較少[9,10].

本文以提高條紋變像管狹縫方向邊緣空間分辨率為主要研究目標,同時兼顧盡可能高的時間分辨率及亮度增益,通過分析影響條紋變像管時空分辨率的物理機制,研制了一款適用于無人機載及星載成像激光雷達探測系統(tǒng)的高電耐性和高可靠性的高亮度增益小型化條紋相機.數(shù)值計算了球面光電陰極和球面熒光屏時條紋變像管的時間分辨率和空間分辨率.模擬分析了平面陰極和球面陰極時的熒光屏動態(tài)掃描像畸變情況,結果顯示,球面光電陰極能夠明顯減小狹縫像邊緣部分的畸變,提高時間-空間(光譜)探測精度.相機測試結果顯示:光電陰極有效工作面積區(qū)域16 mm×2 mm內(nèi),狹縫方向靜態(tài)空間分辨率遠高于15 lp/mm@CTF=11.64%(CTF表示對比度傳遞函數(shù)),邊緣(距離光軸8—9 mm 處)動態(tài)空間分辨率高于9.8 lp/mm@CTF=5.51%.時間分辨率優(yōu)于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns(Tscreen為全屏時間),且在整個有效工作面積內(nèi)具有較好的一致性,動態(tài)范圍為345:1@54.6 ps.此款小型條紋相機不僅具有較高的邊緣空間分辨率,更重要的是其亮度增益高達39.4.

2 條紋變像管電子光學設計

2.1 相機組成

圖1所示為小型條紋相機系統(tǒng)的結構及實物圖.其基本組成部分有:前端輸入狹縫光學耦合系統(tǒng)、7200型條紋變像管、像增強器、后端輸出耦合透鏡、電荷耦合器(CCD)記錄系統(tǒng)、變像管高低壓供電電源模塊和掃描電控模塊及信息處理系統(tǒng).當外界待測目標反射信號通過狹縫及輸入光學系統(tǒng)成一維空間圖像并耦合進光電陰極時,光電陰極由于外光電效應產(chǎn)生攜帶相同信息的光生電子信號,在外部電場作用下加速、聚焦,光電子到達偏轉板系統(tǒng)入口處時受偏轉板上所加載的線性斜坡電壓作用,在熒光屏上沿掃描方向依次展開,從而獲得三維信息.在狹縫方向表示一維空間信息,在掃描方向表示不同時刻的景深信息,掃描圖像的強度表示陰極輸入目標光信號的強度.單次掃描圖像只能給出選通區(qū)域內(nèi)待測目標的一個剖面輪廓像,利用相應的算法對多次掃描圖像進行重建可以給出目標物的四維像(三維距離像+一維強度像)[11,12].像增強器將條紋變像管熒光屏上強度微弱的圖像信號放大增強,并由后端耦合CCD圖像采集系統(tǒng)進行記錄,從而實現(xiàn)超快時間信號向低速空間圖像信號的等價轉換,完成對輸入光信號的時間、空間和光強等信息的記錄.

圖1 小型條紋相機結構及實物圖Fig.1.Schematic and photo of the small-size streak camera.

條紋變像管是決定條紋相機整體性能指標的核心器件.針對影響條紋變像管時空分辨率的主要因素[13],本文在理論設計中采取了以下措施:1)采用球面光電陰極和球面熒光屏,有助于減小傍軸和遠軸處電子脈沖的光程差和球差,提高條紋管邊緣空間分辨率以減小時間畸變;采用使中心電子束欠聚焦、邊緣電子束過聚焦、最佳成像點位置偏移陰極中心的方法進一步提高邊緣空間分辨率;2)采用狹縫柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的柵網(wǎng)式加速電極,有利于提高條紋管的光子效率及亮度增益;采用狹縫柵極各向異性加速結構能夠增大電子束斑最小直徑,從而減弱空間電荷效應,增大條紋變像管的動態(tài)范圍;更重要的是,相比于柵網(wǎng)式加速結構,采用狹縫電極能夠避免電子與柵網(wǎng)碰撞生成二次電子,有利于降低條紋變像管的背景噪聲;3)采用二折偏轉板以保證光電子在不被偏轉板截獲的情況下獲得較高的偏轉靈敏度,從而降低偏轉系統(tǒng)功率,提高時間分辨率,同時又能夠降低條紋相機對掃描電壓斜率的要求;4)采用具有圓孔闌的球面錐狀陽極,不但能截獲大角度發(fā)射電子,更重要的是能夠減小聚焦場和偏轉場之間的相互干擾,以降低條紋管的偏轉散焦[14,15];5)研制的條紋變像管長度僅為140 mm且加速電壓高達?15 kV,減小了由于空間電荷效應引起的光電子的軸向時間彌散和橫向空間彌散,進一步提高時空分辨率.小型條紋變像管的樣管如圖2所示.

圖2 小型條紋變像管實物圖Fig.2.Prototype of the small-size streak tube.

2.2 空間分辨率

在光電陰極內(nèi)表面沿狹縫方向每間隔1 mm的位置發(fā)射初始狀態(tài)服從特定分布的光電子束[16],追蹤電子軌跡并統(tǒng)計其在熒光屏上的分布.定義空間調(diào)制傳遞函數(shù)(SMTF)曲線降至5%時對應的空間頻率為條紋變像管的空間分辨率.數(shù)值計算狹縫方向靜態(tài)空間分辨率變化曲線如圖3(a)所示,最佳成像點偏移中心2—3 mm.條紋管邊緣處靜態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)(SSMTF)如圖3(b)紅色曲線所示,靜態(tài)空間分辨率為48.5 lp/mm@MTF=5%.動態(tài)掃描模式下,數(shù)值計算了全屏時間為50 ns(掃描速度為1.667×10?3c)檔位下狹縫方向的空間分辨率.SMTF如圖3(b)藍色曲線所示,動態(tài)空間分辨率為30.26 lp/mm@MTF=5%.條紋變像管的放大倍率為0.76,因此,條紋變像管光陰極處靜態(tài)空間分辨率為36.9 lp/mm@MTF=5%,50 ns掃描檔位下,條紋變像管光陰極的動態(tài)空間分辨率為23 lp/mm@MTF=5%.

圖3 (a)狹縫方向條紋管靜態(tài)空間分辨率變化曲線;(b)條紋管邊緣處SSMTF和動態(tài)空間調(diào)制傳遞函數(shù)(DSMTF)Fig.3.(a)Static spatial resolution of the streak tube along slit direction;(b)SSMTF and DSMTF of the streak tube.

2.3 時間分辨率

為了適用不同景深及精度的探測需求,條紋相機設置有6個掃描檔位(分別為4.3 ns,50 ns,90 ns,500 ns,1μs和2μs),掃描速度越快,時間分辨率越高[17,18].本文僅數(shù)值計算最快掃描檔位時條紋變像管的時間分辨率.從光電陰極中心發(fā)射如圖4(a)所示的半高全寬為8 ps、間隔54.6 ps的三束電子脈沖序列δ1,δ2和δ3,每個脈沖包含3000個光電子.為了使掃描后的電子斑盡可能分布于熒光屏中心位置以降低偏轉散焦和像差等對像質(zhì)造成影響,給偏轉板施加444 V預偏電壓,偏轉板上加載掃描速度為5.8×106m/s的線性時變掃描電壓.最終,三個脈沖序列的掃描圖像在熒光屏上的分布如圖4(b)藍色電子斑所示.紅色曲線給出了光電子沿掃描方向的強度歸一化曲線,光電子在掃描方向的概率分布曲線的鞍峰比為0.132,遠小于瑞利判據(jù)要求的0.7.因此,該條紋變像管的時間分辨率優(yōu)于54.6 ps.

圖4 陰極發(fā)射光電子脈沖及掃描結果 (a)間隔54.6 ps的光電子脈沖;(b)掃描圖像Fig.4.Emitted electron pulses from photocathode and scanning image:(a)Electron pulses with 54.6 ps interval;(b)results of the scanning image.

2.4 球面光電陰極、球面熒光屏條紋管和平面光電陰極、平面熒光屏條紋管空間分辨率比較

為了評估球面光電陰極、球面熒光屏條紋管(S-條紋管)和平面光電陰極、平面熒光屏條紋管(P-條紋管)的空間分辨特性,模擬分析兩種條紋管離軸不同距離處的空間分辨率,如圖5所示.S-條紋管在離軸8 mm處的空間分辨率為48 lp/mm@MTF=5%;P-條紋管在離軸5 mm處的空間分辨率為49 lp/mm@MTF=5%,且離軸越遠,空間分辨率越低.若取光電陰極空間分辨率高于35 lp/mm@MTF=5%,則S-條紋管的有效探測面積為16 mm×2 mm,P-條紋管的探測面積僅為10 mm×2 mm.

圖5 S-條紋管及P-條紋管空間分辨率Fig.5.Spatial resolution for S-streak tube and P-streak tube.

2.5 球面與平面陰極條紋管動態(tài)狹縫像比較

平面光電陰極上離軸不同高度的物點,發(fā)射的光電子到達熒光屏的渡越時間不同,會導致平直狹縫在熒光屏上的掃描圖像成彎曲狀,從而影響時間-空間探測精度[19].數(shù)值計算平面及球面光電陰極條紋管離軸8 mm處的時間畸變分別為110 ps和?10 ps.此外,計算全屏時間4.3 ns,間隔為200 ps的兩條狹縫掃描圖像如圖6所示,其中藍色電子斑為平面光電陰極時熒光屏上的掃描圖像,紅色電子斑為球面光電陰極時熒光屏上的掃描圖像.顯然,球面光電陰極掃描圖像較平面光電陰極畸變小且?guī)缀鯚o彎曲.假設熒光屏處狹縫方向動態(tài)空間分辨率為10 lp/mm,取最小可分辨單元計算平面與球面陰極時光電子在熒光屏邊緣處沿掃描方向的狹縫像彌散,結果如圖7所示.彌散電子斑的半高全寬分別為0.19 mm和0.1 mm.可見,球面光電陰極條紋管電子斑的空間彌散比平面光電陰極條紋管小,具有更好的空間分辨性能.

圖6 球面及平面光電陰極狹縫掃描像Fig.6.Scanning image for plane and spherical photocathode.

圖7 狹縫像邊緣處(x=6—6.05 mm)沿掃描方向的電子彌散 (a)平面陰極;(b)球面陰極Fig.7.Electron dispersion along the meridian direction at the edge of the slit image(x=6–6.05 mm):(a)Plane cathode;(b)spherical cathode.

3 條紋變像管靜態(tài)性能測試

3.1 陰極輻射靈敏度及條紋管輻射功率增益測試

條紋管光電陰極的響應特性直接影響STIL系統(tǒng)的探測距離,而增益特性直接反映了條紋管對輸入光信號的增強過程.分別采用陰極輻射靈敏度(PRS)和輻射功率增益(REG)表征光電陰極的光譜響應特性及條紋管對輸入光信號的增強能力.PRS測試中,采用遮光孔徑為Φ16 mm的光闌,陰柵電極之間加載+200 V(光電陰極幾乎輻射飽和)的恒定直流加速電壓,光陰極輻照光信號的功率密度為1 mW/m2.測試光電陰極的光譜靈敏度如圖8藍色曲線所示.REG測試中,條紋變像管各電極加載工作電壓,由于變像管是像縮小型管(放大率僅為0.76)且加速電壓高達?15 kV,因此REG較高,測試結果如圖8紅色曲線所示.實驗結果表明:REG和PRS具有較高的一致性,而且最佳響應波長在550 nm,接近STIL系統(tǒng)常用激光中心波長532 nm,相應的PRS為38.11 mA/W,REG為18.82.采用柵網(wǎng)加速電極的5200條紋管,電子的傳輸效率較狹縫柵極的低30%—40%,且放大倍率為2,亮度增益僅為0.25.因此,相比于5200條紋管,該小型條紋管對STIL進行遠距離探測具有極大優(yōu)勢.

圖8 條紋變像管PRS及REG曲線Fig.8.PRS and REG test.

3.2 條紋變像管MTF測試

采用中心波長為590 nm、強度為10 lx的連續(xù)光輻照光電陰極,測試小型條紋管光陰極狹縫方向不同區(qū)域MTF曲線,如圖9所示.光電陰極中心空間分辨率為35 lp/mm@MTF=10%,最佳成像點偏移到了離軸4 mm處的光陰極內(nèi)表面,空間分辨率為35 lp/mm@MTF=13%.可以看出,在整個陰極狹縫有效長度16 mm內(nèi),空間分辨率高于29.3 lp/mm@MTF=5%.

圖9 小型條紋變像管SMTFFig.9.SMTF of the small-size streak tube.

4 條紋相機靜態(tài)及動態(tài)測試

4.1 靜態(tài)空間分辨率測試

圖10所示為小型條紋相機靜態(tài)及動態(tài)工作模式下的實驗光路.分劃板條紋沿狹縫方向周期排列,每個單元包含有7組寬度不同、占空比為50%的亮暗條紋,對應的空間分辨率分別為5,10,15,20,25,30和35 lp/mm.激光器發(fā)射1054 nm激光經(jīng)2倍頻后輸出中心波長為527 nm、脈寬為8 ps的激光脈沖并輻照條紋相機光電陰極,激光脈沖所形成的光斑中心和邊緣亮度相差較大,因此在光電陰極前適當位置處放置毛玻璃板,可以衰減和散亂強光,使激光脈沖信號較為均勻地輻照在分劃板上.小型條紋相機采用外增強方式,增強器與熒光屏近貼耦合.實驗過程中,根據(jù)條紋管靜態(tài)實驗電參數(shù)調(diào)節(jié)條紋相機各電極電壓,合理調(diào)節(jié)像增強器電壓,使CCD采集的分劃板圖像亮度適中便于觀察記錄.由于相機各模塊之間的耦合會不可避免地降低空間分辨率,導致整機的空間分辨率較條紋變像管空間分辨率有所下降.

圖10 條紋相機測試光路(M為反射鏡;Ap為小孔;At為衰減片;TM為透反射鏡)Fig.10.The experiment setup of testing static and dynamic spatial resolution for streak camera(M,mirror;Ap,aperture;At,attenuator;TM,trans flective mirror).

圖11 靜態(tài)空間分辨率測試結果 (a)靜態(tài)圖像;(b)強度分布Fig.11.Results of static spatial resolution test:(a)Static image;(b)intensity distribution.

圖11(a)給出了CCD記錄的分辨率板通過小型條紋相機所成的像;圖11(b)為圖11(a)框選部分的強度分布曲線,計算可知小型條紋相機的靜態(tài)空間分辨率高于 10 lp/mm@CTF=11.64%,15 lp/mm@CTF=2.25%.實驗中前端輸入光學系統(tǒng)的放大倍率為0.667,因此,小型條紋相機光陰極處靜態(tài)空間分辨率遠高于15 lp/mm@CTF=11.64%.

4.2 動態(tài)空間分辨率測試

采用50 ns掃描檔位進行動態(tài)空間分辨率標定,分劃板五組圖案對應的空間分辨率分別為:2.5,4.5,6.5,8和10 lp/mm.測得動態(tài)空間分辨率如圖12(a)所示,框選部分的空間分辨率分別為2.5,4.5和6.5 lp/mm,對應的強度曲線分布如圖12(b)所示,在4.5 lp/mm分辨率條紋處,計算得出對比度CTF=12.7%.在6.5 lp/mm分辨率條紋處,計算得出對比度CTF=5.51%.在條紋管光陰極邊緣處(距離光軸8 mm)狹縫方向動態(tài)空間分辨率為9.8 lp/mm@CTF=5.51%.

圖12 動態(tài)空間分辨率測試結果 (a)掃描圖像;(b)強度分布Fig.12.Results of dynamic spatial resolution test:(a)Scanning image;(b)intensity distribution.

4.3 時間分辨率測試

圖13 動態(tài)時間分辨率測試結果Fig.13.Results of dynamic temporal resolution test.

圖14 離軸不同距離處動態(tài)時間分辨率 (a)強度分布;(b)時間分辨率Fig.14.Results of dynamic temporal resolution via different o ff-axis distance:(a)Intensity distribution;(b)temporal resolution.

采用半高全寬法標定條紋相機的時間分辨率.在掃描4.3 ns檔位得到時間掃描圖像如圖13所示.圖14(a)給出了圖13黃色框選部分沿掃描方向的時間積分曲線.CCD的像素為2048×2048,光脈沖經(jīng)過條紋相機后展寬,其半高全寬為26個像素,估算該小型條紋相機的時間分辨率為4.3 ns×(26/2048)≈54.6 ps.相鄰兩個脈沖序列強度的鞍峰比為0.3445,遠小于瑞利判據(jù)要求的0.7,因此,該條紋相機時間分辨率優(yōu)于54.6 ps.采用該方法測量計算沿狹縫方向不同位置處的時間分辨率,結果如圖14(b)所示,可見在整個光陰極有效成像區(qū)域內(nèi),時間分辨率具有較好的一致性,驗證了球面陰極、球面熒光屏時間畸變比平面型小的事實[20];時間分辨率測試結果較理論數(shù)值模擬結果低.可能的原因有:偏轉散焦、空間電荷效應、裝配誤差、像增強器以及CCD耦合造成整機動態(tài)空間分辨能力下降,最終導致動態(tài)時間分辨率實測值低于理論計算值.

4.4 掃描非線性

計算圖13紅色框選部分的強度分布如圖15所示,掃描速度非線性由(1)式給出Li為第i個峰值間距值,為脈沖間距的平均值,代入圖15中的數(shù)值計算得掃描速度非線性σ=2.84%.

4.5 動態(tài)范圍測試

采用分別計量最強信號和最弱信號強度之比的方法計算條紋相機的動態(tài)范圍.圖13中紅色框選部分掃描圖像強度分布曲線如圖16所示.其中,條紋相機可探測最強信號強度Imax=516.6,最小信號強度Imin=104,背景噪聲Ib=102.8,則小型條紋相機的動態(tài)范圍D為

表1 小型條紋相機性能參數(shù)Table 1.Parameters of the small-size streak camera.

圖15 掃描非線性測試結果Fig.15.Results of scanning nonlinearity test.

圖16 動態(tài)范圍測試結果Fig.16.Results of dynamic range test.

5 結 論

本文針對條紋管激光成像雷達系統(tǒng)的應用需求,設計了一種高邊緣空間分辨率、高亮度增益和高時間分辨率的小型條紋變像管,在此基礎上研制了一款小型條紋相機,具體性能參數(shù)見表1.采用球面光電陰極和球面熒光屏,陰極中心電子欠聚焦、邊緣電子過聚焦的方法將條紋變像管的探測面積由10 mm×2 mm增大到16 mm×2 mm.設計加速電壓高達?15 kV和放大倍率為0.76的像縮小型條紋變像管提高了條紋相機的亮度增益.采用狹縫柵極代替?zhèn)鹘y(tǒng)條紋管的加速電極,提高了條紋相機的電耐性和可靠性.針對不同的探測視場和景深需求,相機設置了6個不同的掃描檔位.整個條紋管的尺寸僅為Φ40 mm×140 mm.條紋相機整機測試中,在陰極有效面積16 mm×2 mm內(nèi),條紋相機光陰極邊緣靜態(tài)和動態(tài)空間分辨率分別為15 lp/mm@CTF=11.64%和9.8 lp/mm@CTF=5.51%.時間分辨率高于54.6 ps@Tscreen=4.3 ns;動態(tài)范圍高于345:1@54.6 ps.結果顯示該條紋相機在無人機載或衛(wèi)星搭載激光成像雷達探測中具有很好的應用前景.