光電探測器表面損傷狀態(tài)偏振成像式探測系統(tǒng)

　　摘 要：針對在外場實現(xiàn)探測器損傷狀態(tài)實時探測的需求，研發(fā)了光電探測器表面損傷狀態(tài)偏振成像式探測系統(tǒng)。理論推導(dǎo)了 “貓眼”目標回波偏振特性參數(shù) DP 和回波偏振度 DOP 的表達式，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)計了一套同時偏振成像光學系統(tǒng)，開展了 671nm 連續(xù)激光對電荷耦合器件(CCD)表面損傷狀態(tài)的實時探測外場實驗，編制了基于 MATLAB GUI 的回波圖像可視化實時采集系統(tǒng)，得到了回波圖像強度、偏振特性以及光斑尺寸等信息;通過光學顯微鏡和白光干涉儀對探測器表面損傷處和未損傷處形貌圖像分析，發(fā)現(xiàn)探測器損傷表面可見硅基底且粗糙度參數(shù) Sq 值較大;結(jié)果表明，仿真結(jié)果與實驗測試結(jié)果具有良好一致性。光電探測器被損傷后，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)可有效對光電探測器表面損傷狀態(tài)進行實時探測，該研究提供了一種外場條件下實時探測的好方法。

　　關(guān)鍵詞：偏振成像;損傷探測;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，簡稱 CCD) 憑借其線性度好、靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬等特點在各領(lǐng)域均有廣泛應(yīng)用[1-3]。目前在光電對抗中，激光武器能夠?qū)鈱W設(shè)備精確打擊，使光電探測器表面結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，造成探測器損傷，而且武器的嚴重打擊如激光熱作用會導(dǎo)致探測器喪失成像能力以至無法使用[4,5]。由于光電探測器是光學成像系統(tǒng)中的關(guān)鍵組成部分，非合作目標的光電探測器是否損傷決定了實際應(yīng)用效果的好壞，因此，實時準確評估光電探測器表面損傷狀態(tài)至關(guān)重要。

　　鑒于光電探測器的重要地位，研究者們對 CCD 損傷機理開展了大量研究。2011 年邱冬冬等[6]利用測量驅(qū)動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其輸出波形的方法對 CCD 的破壞機理進行研究。2021 年，歐淵等人[7]開展了 416 nm 納秒脈沖激光對 CCD 的損傷實驗，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，本課題組主要針對 CCD 的損傷機理進行了研究，開展了激光光熱效應(yīng)以及脈沖激光對 CCD 的破壞機理實驗[8]，結(jié)合有限元模型進行了固體傳熱仿真模擬[9]，以及“貓眼” 目標表面粗糙度對其回波散射偏振度的影響[10]和 CCD 損傷進程中貓眼回波特性研究[11]。

　　上述研究主要集中在 CCD 損傷機理以及在實驗室環(huán)境下利用光功率計探測計算得到回波偏振度實現(xiàn)對探測器損傷狀態(tài)的評估，針對外場環(huán)境下探測器損傷狀態(tài)的實時探測技術(shù)尚不成熟，仍需開展深入研究，其中，偏振成像技術(shù)在光電探測器表面損傷狀態(tài)探測中具有獨特優(yōu)勢。不同于傳統(tǒng)光電成像技術(shù)對二維空間光強分布信息的收集，偏振成像技術(shù)能夠?qū)ν槐粶y物的不同狀態(tài)下偏振特性信息和強度信息進行獲取[12]。同時偏振成像技術(shù)的測量方式可分為[13]:分振幅、分孔徑和分焦平面 3 種，采用一次曝光來獲取同一目標的多幅不同偏振方向的偏振圖像，其具有實時性好、空間分辨率高、精度高等優(yōu)點，在動目標實時探測上有較好應(yīng)用。

　　因此，本文設(shè)計了一套同時偏振成像系統(tǒng)實現(xiàn)對探測器表面損傷狀態(tài)的外場實時探測。理論推導(dǎo)了“貓眼” 目標回波偏振特性參數(shù) DP 和回波偏振度 DOP 的表達式，利用 MATLAB 軟件仿真繪制曲線得到了探測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”目標探測優(yōu)勢，基于偏振成像技術(shù)在外場開展了 671nm 連續(xù)激光對 CCD 表面損傷狀態(tài)實時探測研究，根據(jù)實驗及仿真結(jié)果建立起光電探測器表面粗糙度、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，是因為貓眼中有十幾層的特殊細胞，可形成一個反射層，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，當激光束照射在高靈敏度的光電傳感器上時，也會發(fā)生“貓眼” 效應(yīng)，回波光束將原路返回且反射光強度比漫反射強度高 2~4 個數(shù)量級，這就是光學系統(tǒng)中的“貓眼”效應(yīng) [14]。利用目標的“貓眼”效應(yīng)進行主動探測已在光電對抗領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用 [15]，目前對光電探測器表面損傷狀態(tài)探測的評估依據(jù)是貓眼回波的偏振特性，需進一步分析其偏振特性，找尋與偏振度之間的有機聯(lián)系。

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