RESEARCH ARTICLE

Wavefront coding for laser protection of electro-optical imaging systems: a long-distance experimental study    

Ye Liu, Weibing Sun, Junyu Zhang, Ying Chen, Haoqi Luo, Jintian Bian, Qing Ye (✉), Yunlong Wu (✉)

2026, 19 (3): 21.https://doi.org/10.2738/foe.2026.0021

Abstract

Wavefront coding technology employs a phase mask to modulate the phase of incident light, thereby dispersing the laser spot on the detector and achieving laser protection for optical systems. Current research has predominantly concentrated on validating laser damage at a single imaging distance, neglecting the evolution of protective capability across varying distances in the wavefront coding imaging system. To address this limitation, this study establishes a wavefront coding imaging system based on a cubic phase function and experimentally elucidates the variation of laser suppression capacity with transmission distance. Under conditions of pulsed laser-induced point damage in the visible spectrum, a strong correlation is observed between the laser suppression ratio and the laser damage threshold improvement value. Additionally, the NAFNet model is utilized to restore encoded images, resulting in high-fidelity reconstruction. The PSNR for both simulated and experimentally decoded images consistently surpasses 23 dB. Furthermore, under laser irradiation conditions, the model adeptly eliminates laser artifacts and recovers image content. This study possesses considerable practical value for the design and implementation of laser protection mechanisms in optical systems.

Graphical abstract

一、研究背景

高能激光日益低成本、小型化，误射光电成像系统时，焦平面的高光学增益易造成像元饱和甚至永久损伤。激光防护技术主要包括防护材料与计算成像，后者主要依赖由相位调制驱动的波前编码（WFC），把物像面间“点对点”关系转化为“点对面”关系，以降低探测器表面的能量密度。现有研究多以激光抑制比（LSR）评价防护，但 LSR 只反映线性响应，未考虑损伤发生于非线性响应区；改用激光损伤阈值（LDT）的研究也只验证了近距离照射。立方相位板（CPP）易于加工，防护有效并兼具良好的像差容忍度与色差校正能力，常用作评估防护性能的基准；其防护能力随距离的变化尚待阐明。

二、主要内容

本文建立基于立方相位函数的波前编码成像系统，实验阐明激光抑制能力随传输距离的演变。实验用 532 nm 脉冲激光和单色 CMOS 探测器搭建平台，在 18、35、50、65、76 m 下测量激光抑制比（LSR）与激光损伤阈值（LDT）：LSR 由 5.611 增至 30.349，LDT 提升值由 4.718 增至 33.000，二者均随距离增大而提升并在较远距离趋于饱和，且各距离下 LSR 都落在实测 LDT 提升值范围内。为恢复强相位调制所致的图像模糊，本文用 NAFNet 复原编码图像，仿真与实验解码图像的 PSNR 均持续超过 23 dB；在激光照射下亦能消除光斑并恢复图像内容。

三、创新点

（一）实验阐明了波前编码系统激光防护能力随传输距离的演变规律

针对现有研究只在单一距离上验证激光损伤、忽略防护能力随距离变化的问题，本文建立基于立方相位函数的波前编码成像系统，在 18—76 m 的五个距离上测量 LSR 与 LDT，发现两者均随距离增大而提升并在较远距离趋于饱和：LDT 提升值由 4.718 增至 33.000，LSR 由 5.611 增至 30.349。

（二）确立了激光抑制比作为波前编码系统抗激光损伤能力评价指标的有效性

针对 LSR 只反映探测器线性响应、未覆盖损伤实际发生的非线性响应区这一问题，本文在脉冲激光诱导点损伤条件下测量 LSR 与点损伤阈值，发现在所有测试距离下 LSR 均与 LDT 提升值密切相关，且始终落在实测范围内；作者指出，这种强相关恰好说明探测器对可见光的非线性响应区极窄——激光能量一旦超过线性响应区，探测器便迅速转入损伤状态。

（三）引入 NAFNet 复原编码图像，兼顾防护性能与成像质量

针对为增强防护而强化相位调制、加剧图像模糊、使编码图像难以复原的问题，本文用标定的 PSF 合成训练数据、以 PSNRLoss 为损失函数训练 NAFNet：仿真数据集的平均 PSNR 达 24.37 dB、实验图像达 23.86 dB，均优于 Wiener 方法；在激光照射下，该网络能消除激光伪影，并借助邻近像元分布从饱和区恢复细节，使复原图像质量仅略低于未受照射的情形。

四、总结

1. 实验表明，WFC 系统的激光防护效果随传输距离增大而提升；在脉冲激光诱导点损伤条件下，LSR 与 LDT 提升值显著相关，LSR 可作为评价防护能力的有效指标。

2. NAFNet 能在不同距离下有效复原编码图像，显著减少伪影与纹理失真；即使存在激光照射，也能消除光斑、从饱和区取回部分信息，保持图像保真度。

3. 后续研究将优化系统参数，同步提升防护性能与成像质量，并将防护波长范围扩展至红外波段。

  （以上文字包含AI生成内容，仅供参考，请以原文为准。）

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