光電探測器表面損傷狀態偏振成像式探測系統

　　摘 要：針對在外場實現探測器損傷狀態實時探測的需求，研發了光電探測器表面損傷狀態偏振成像式探測系統。理論推導了 “貓眼”目標回波偏振特性參數 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系曲線;設計了一套同時偏振成像光學系統，開展了 671nm 連續激光對電荷耦合器件(CCD)表面損傷狀態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，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，發現探測器損傷表面可見硅基底且粗糙度參數 Sq 值較大;結果表明，仿真結果與實驗測試結果具有良好一致性。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 DP 減小，退偏特性明顯，偏振度 DOP 減小。偏振成像技術可有效對光電探測器表面損傷狀態進行實時探測，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 發表時間：2021-11-08

　　0 引 言

　　隨著高新技術的飛速涌現，電荷耦合器件 (Charge Coupled Devices，簡稱 CCD) 憑借其線性度好、靈敏度高、光譜響應范圍寬等特點在各領域均有廣泛應用[1-3]。目前在光電對抗中，激光武器能夠對光學設備精確打擊，使光電探測器表面結構發生改變，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中的關鍵組成部分，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至關重要。

　　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的 CCD 表面，得出不同損傷狀態主要由 SiO2 絕緣層材料相變引起電阻值不同改變量所產生的。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以及脈沖激光對 CCD 的破壞機理實驗[8]，結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境下利用光功率計探測計算得到回波偏振度實現對探測器損傷狀態的評估，針對外場環境下探測器損傷狀態的實時探測技術尚不成熟，仍需開展深入研究，其中，偏振成像技術在光電探測器表面損傷狀態探測中具有獨特優勢。不同于傳統光電成像技術對二維空間光強分布信息的收集，偏振成像技術能夠對同一被測物的不同狀態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、精度高等優點，在動目標實時探測上有較好應用。

　　因此，本文設計了一套同時偏振成像系統實現對探測器表面損傷狀態的外場實時探測。理論推導了“貓眼” 目標回波偏振特性參數 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律。結合“貓眼”目標探測優勢，基于偏振成像技術在外場開展了 671nm 連續激光對 CCD 表面損傷狀態實時探測研究，根據實驗及仿真結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出亮光，這就是“貓眼”效應。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，也會發生“貓眼” 效應，回波光束將原路返回且反射光強度比漫反射強度高 2~4 個數量級，這就是光學系統中的“貓眼”效應 [14]。利用目標的“貓眼”效應進行主動探測已在光電對抗領域得到廣泛應用 [15]，目前對光電探測器表面損傷狀態探測的評估依據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 =