基于迈克耳孙干涉仪的凝视型激光告警系统设计

　　1　引　　言

　　研究激光告警技术的目的是在较大视场范围内、尽可能准确地确定入射激光的方位和波长等信息[1~6]。凝视型激光告警系统主要由鱼眼镜头和CCD/CMOS阵列探测器件构成[7~9],探测器接收鱼眼镜头会聚入射激光形成的光斑,根据光斑位置解算入射激光的方向[10~13],为表述方便,称其为普通凝视型激光告警系统。其突出的优点是视场大,但由于鱼眼镜头焦距较小,系统的定向精度受探测器像元尺寸制约比较严重,且无法确定入射激光的波长。对于迈克耳孙干涉仪型激光告警系统,入射激光在探测器上形成环状干涉条纹,由条纹的中心坐标和条纹间隔可确定入射激光的方向和波长[14~16],但其视场较小。

　　为了在大视场范围内同时确定入射激光的方位和波长,并且在探测器像元尺寸不变的情况下,提高告警系统的定向精度,提出了一种基于迈克耳孙干涉仪的凝视型激光告警系统。理论分析和数值模拟表明,该系统在大视场范围内,可同时测量入射激光的方位和波长,选择合适的变换透镜和球面反射镜焦距,可使滤光片对系统入射角为0°~90°范围内的激光都有高透射率,且与普通凝视型激光告警系统相比有更高的定向精度。

　　2　理论模型

　　2.1　基于迈克耳孙干涉仪的凝视型激光告警系统结构

　　基于迈克耳孙干涉仪的凝视型激光告警系统的结构如图1所示,F1为鱼眼镜头,其后焦面P与变换透镜F2的前焦面重合,为减轻背景光的干扰,在变换透镜F2后面加入滤光片L;迈克耳孙干涉仪由半透半反镜M和半径为R的两球面反射镜R1,R2组成,干涉条纹用探测器D接收。

　　2.2　工作原理分析

　　为分析问题方便,将半径为R的球面反射镜R1和R2等效成间隔为a,焦距F=R/2的透镜T1和T2进行分析,Q1和Q2分别为其后焦平面,探测器接收面D与Q2平面距离为l,变换透镜F2焦距为f2,系统等效光路如图2所示。

　　与光轴夹角为ω的入射激光被鱼眼镜头F1聚焦后,以张角α会聚为后焦面P上一点,规律满足鱼眼镜头的成像公式[11]

　　式中y′为激光束在鱼眼镜头后焦面的像高,f1为鱼眼镜头的焦距。

　　因为P为变换透镜F2的前焦面,经F2的出射光为平行光,其传输方向为

　　激光束再经滤光片后射入迈克耳孙干涉系统,在两球面反射镜各自后焦面Q1和Q2上形成沿光轴方向间隔为a的两个会聚像点L1和L2,接收平面D上的阴影范围将出现像点L1和L2的环状干涉条纹,L1和L2连线与平面D的交点为干涉条纹的圆心位置[17],其偏离接收平面中心的距离为