光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)偏振成像式探測(cè)系統(tǒng)

　　摘 要：針對(duì)在外場(chǎng)實(shí)現(xiàn)探測(cè)器損傷狀態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)的需求，研發(fā)了光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)偏振成像式探測(cè)系統(tǒng)。理論推導(dǎo)了 “貓眼”目標(biāo)回波偏振特性參數(shù) DP 和回波偏振度 DOP 的表達(dá)式，利用 MATLAB 軟件仿真繪制了表面粗糙度、回波偏振度以及偏振特性的關(guān)系曲線;設(shè)計(jì)了一套同時(shí)偏振成像光學(xué)系統(tǒng)，開(kāi)展了 671nm 連續(xù)激光對(duì)電荷耦合器件(CCD)表面損傷狀態(tài)的實(shí)時(shí)探測(cè)外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，編制了基于 MATLAB GUI 的回波圖像可視化實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)，得到了回波圖像強(qiáng)度、偏振特性以及光斑尺寸等信息;通過(guò)光學(xué)顯微鏡和白光干涉儀對(duì)探測(cè)器表面損傷處和未損傷處形貌圖像分析，發(fā)現(xiàn)探測(cè)器損傷表面可見(jiàn)硅基底且粗糙度參數(shù) Sq 值較大;結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果具有良好一致性。光電探測(cè)器被損傷后，其表面粗糙度增大，回波偏振特性參數(shù) DP 減小，退偏特性明顯，偏振度 DOP 減小。偏振成像技術(shù)可有效對(duì)光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)探測(cè)，該研究提供了一種外場(chǎng)條件下實(shí)時(shí)探測(cè)的好方法。

　　關(guān)鍵詞：偏振成像;損傷探測(cè);偏振特性;電荷耦合器件;粗糙度

　　胡瑋娜; 呂勇; 耿蕊; 李宇海; 牛春暉， 紅外與激光工程 發(fā)表時(shí)間：2021-11-08

　　0 引 言

　　隨著高新技術(shù)的飛速涌現(xiàn)，電荷耦合器件 (Charge Coupled Devices，簡(jiǎn)稱(chēng) CCD) 憑借其線性度好、靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬等特點(diǎn)在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-3]。目前在光電對(duì)抗中，激光武器能夠?qū)鈱W(xué)設(shè)備精確打擊，使光電探測(cè)器表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成探測(cè)器損傷，而且武器的嚴(yán)重打擊如激光熱作用會(huì)導(dǎo)致探測(cè)器喪失成像能力以至無(wú)法使用[4,5]。由于光電探測(cè)器是光學(xué)成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，非合作目標(biāo)的光電探測(cè)器是否損傷決定了實(shí)際應(yīng)用效果的好壞，因此，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確評(píng)估光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)至關(guān)重要。

　　鑒于光電探測(cè)器的重要地位，研究者們對(duì) CCD 損傷機(jī)理開(kāi)展了大量研究。2011 年邱冬冬等[6]利用測(cè)量驅(qū)動(dòng)電極與襯底之間的電阻值、觀察 CCD 不同分層的形貌及破壞程度和檢測(cè)其輸出波形的方法對(duì) CCD 的破壞機(jī)理進(jìn)行研究。2021 年，歐淵等人[7]開(kāi)展了 416 nm 納秒脈沖激光對(duì) CCD 的損傷實(shí)驗(yàn)，觀察到不同損傷狀態(tài)的 CCD 表面，得出不同損傷狀態(tài)主要由 SiO2 絕緣層材料相變引起電阻值不同改變量所產(chǎn)生的。近年來(lái)，本課題組主要針對(duì) CCD 的損傷機(jī)理進(jìn)行了研究，開(kāi)展了激光光熱效應(yīng)以及脈沖激光對(duì) CCD 的破壞機(jī)理實(shí)驗(yàn)[8]，結(jié)合有限元模型進(jìn)行了固體傳熱仿真模擬[9]，以及“貓眼” 目標(biāo)表面粗糙度對(duì)其回波散射偏振度的影響[10]和 CCD 損傷進(jìn)程中貓眼回波特性研究[11]。

　　上述研究主要集中在 CCD 損傷機(jī)理以及在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下利用光功率計(jì)探測(cè)計(jì)算得到回波偏振度實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器損傷狀態(tài)的評(píng)估，針對(duì)外場(chǎng)環(huán)境下探測(cè)器損傷狀態(tài)的實(shí)時(shí)探測(cè)技術(shù)尚不成熟，仍需開(kāi)展深入研究，其中，偏振成像技術(shù)在光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)探測(cè)中具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。不同于傳統(tǒng)光電成像技術(shù)對(duì)二維空間光強(qiáng)分布信息的收集，偏振成像技術(shù)能夠?qū)ν槐粶y(cè)物的不同狀態(tài)下偏振特性信息和強(qiáng)度信息進(jìn)行獲取[12]。同時(shí)偏振成像技術(shù)的測(cè)量方式可分為[13]:分振幅、分孔徑和分焦平面 3 種，采用一次曝光來(lái)獲取同一目標(biāo)的多幅不同偏振方向的偏振圖像，其具有實(shí)時(shí)性好、空間分辨率高、精度高等優(yōu)點(diǎn)，在動(dòng)目標(biāo)實(shí)時(shí)探測(cè)上有較好應(yīng)用。

　　因此，本文設(shè)計(jì)了一套同時(shí)偏振成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器表面損傷狀態(tài)的外場(chǎng)實(shí)時(shí)探測(cè)。理論推導(dǎo)了“貓眼” 目標(biāo)回波偏振特性參數(shù) DP 和回波偏振度 DOP 的表達(dá)式，利用 MATLAB 軟件仿真繪制曲線得到了探測(cè)器表面粗糙度與回波偏振度以及偏振特性之間的規(guī)律。結(jié)合“貓眼”目標(biāo)探測(cè)優(yōu)勢(shì)，基于偏振成像技術(shù)在外場(chǎng)開(kāi)展了 671nm 連續(xù)激光對(duì) CCD 表面損傷狀態(tài)實(shí)時(shí)探測(cè)研究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)及仿真結(jié)果建立起光電探測(cè)器表面粗糙度、回波偏振特性以及回波偏振度之間的聯(lián)系。

　　1 貓眼回波偏振特性理論及仿真分析

　　1.1 貓眼回波偏振特性

　　在夜晚，貓的眼睛被光照射后猶如寶石般明亮，是因?yàn)樨堁壑杏惺畮讓拥奶厥饧?xì)胞，可形成一個(gè)反射層，光線能夠從反射層按原路返回并發(fā)出亮光，這就是“貓眼”效應(yīng)。如同貓眼一樣，當(dāng)激光束照射在高靈敏度的光電傳感器上時(shí)，也會(huì)發(fā)生“貓眼” 效應(yīng)，回波光束將原路返回且反射光強(qiáng)度比漫反射強(qiáng)度高 2~4 個(gè)數(shù)量級(jí)，這就是光學(xué)系統(tǒng)中的“貓眼”效應(yīng) [14]。利用目標(biāo)的“貓眼”效應(yīng)進(jìn)行主動(dòng)探測(cè)已在光電對(duì)抗領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [15]，目前對(duì)光電探測(cè)器表面損傷狀態(tài)探測(cè)的評(píng)估依據(jù)是貓眼回波的偏振特性，需進(jìn)一步分析其偏振特性，找尋與偏振度之間的有機(jī)聯(lián)系。

　　偏振度(Degree of Polarization，縮寫(xiě)為 DOP)是描述光波偏振化程度的物理量，其嚴(yán)格定義為部分偏振光的總光強(qiáng)中完全偏振光所占的百分比，可用表達(dá)式(1)表示[16]： DOP =