一種光柵型激光告警系統設計與實現

曹俊卿，趙冬娥，2，王志斌，2，張敏娟，張 瑞，韓 楓

(1．中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，山西 太原030051;2．中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

1 引言

在現代戰爭中，激光精確制導武器和激光探測設備已經廣泛使用，這些武器對我軍的重要設施造成了嚴重的威脅。激光告警系統是被動探測、截獲來襲激光，獲取激光的波長、方位角、俯仰角等參數信息，并發出告警的光電設備［1－2］。因此研制高效能的激光告警設備對我軍的現代化建設有重要的意義。

激光告警系統根據其工作原理主要可以分為光譜探測型、成像探測型、相干探測型、全息探測型等幾種類型［3－5］。光譜探測型激光告警系統是所有類型中最簡單和最常用的一種，采用與被測激光波長相匹配的光電探測器，缺點是不能探測多波段的激光。相干探測型激光告警系統是依據光干涉原理設計的，角度分辨率高，但光學系統比較復雜。全息探測型激光告警系統采用全系透鏡代替干涉儀，其優點是體積小、重量輕，缺點是衍射效率低。成像型激光告警器是當前激光告警技術發展的主流，但是不能測量激光的波長［6］。而光柵衍射型激光告警系統是利用光柵的多縫衍射和干涉原理，能有效探測多波段的激光的特征信息，空間分辨率較高。因此，本文選采用柵衍射型激光告警系統。

2 光柵衍射型激光告警系統的工作原理

光柵衍射型激光告警系統的基本工作原理就是光柵衍射原理，如圖1所示。

圖1 光柵衍射原理圖

當激光以入射角α，經過正弦光柵發生衍射，形成零級和一級衍射光斑，經過透鏡在面陣焦平面探測器上成像。根據零級衍射光斑和一級衍射光斑的中心及其相對位置，就可以計算來襲激光的波長和方位角［7－10］。

光柵衍射方程:

根據光柵衍射原理［11－12］:被測激光方位角α角、γ角和波長λ的結果為:

式中，x0為零級衍射光斑的中心;x1為一級衍射光斑的中心。因此，根據上述公式，即可計算出激光的波長和方位角。

3 激光告警系統的設計

由于激光告警應用的特殊情況，需要能夠實時對來襲激光進行告警，因此對激光告警系統的實時數據采集和圖像處理提出了比較高的要求。本文設計的激光告警系統主要采用FPGA+DSP的結構，利用FPGA實現面陣探測器的驅動控制、數據的采集，利用DSP較強的數據處理能力實現圖像數據的處理，二者通過EMIF接口方式通信，并行工作，實現對激光圖像的高速采集與處理。

本文設計的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

系統采用的探測器為InGaAs320×256面陣焦平面陣列探測器，該探測器的有效探測范圍是0．8～1．7μm，靈敏度為1 mW/cm2，陣列配置為320×256，像元大小為30μm×30μm，最大幀頻為每秒60幀。光柵采用正弦光柵，主要是因為激光通過正弦光柵形成零級和一級衍射光斑，其中零級衍射光斑相對一級光斑的光強較強，便于對圖像信號進行處理。

DSP采用TI公司的TMS320C6713芯片，該DSP是一款具有高速浮點運算能力的TI 6000系列的芯片，最高運算速度達到1350 MIPS，內部具有256 k-Byte的空間。系統運行時，探測器信號經ADC轉換后先送到FPGA，通過FPGA內部開辟兩個FIFO來緩存數據，對兩個FIFO中的數據進行乒乓操作，分別進行存儲數據和往DSP中傳輸數據，在DSP內部分配兩塊地址，分別存儲兩個FIFO的數據，DSP在處理一幅圖像數據的時候，FPGA往另一塊地址上傳輸數據，兩者交替進行，實現對信號的實時處理。其中AD采用的是ADI公司的AD9220，是一個12位的高速模擬數字轉換器，最高的采樣頻率為10 MSPS，滿足實時性的要求。

4 激光告警圖像處理算法研究

激光告警的圖像處理部分主要包括圖像的預處理、激光波長及方位角的識別兩個部分。

4．1 圖像預處理部分

目前紅外監視告警系統中弱小目標的成像主要體有以下幾個方面的特點:①目標尺寸太小。②信號弱，信雜比和對比度低。③背景復雜，干擾大。針對這些特點，采用直方圖均衡化方法提高圖像對比度。直方圖均衡的作用是改變圖像中的灰度概率分布，使其均勻化。均衡化過程中，必須要保證兩個條件:①像素無論怎么映射，要保證原來的大小關系不變;②如果是八位圖像，那么像素映射函數的值域應在0和255之間。綜合以上兩個條件，選擇累積分布函數，因為累積分布函數是單調增函數，并且值域是0～1。其映射方法是:

其中，k=0，1，…L－1，n是圖像中像素的總和;nk是當前灰度級的像素個數，L是圖像中可能的灰度級總數。

4．2 激光波長及方位角的識別部分

激光波長及方位角的識別流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

激光波長及方位角的識別算法的思路主要分下面兩個部分。

(1)光斑中心縱坐標的確定:設定適當的閾值，統計圖像的行像素信息，獲取衍射光斑中心點的縱坐標y。

(2)光斑中心橫坐標的確定，對光斑中心所在的行進行掃描，獲取該行的像素點的信息。在光斑強度未飽和時，由于采用的是正弦光柵，光強最大值即為零級衍射斑的中心。然后設定閾值，從零級中心向兩邊統計，分別得到左右兩邊兩個峰值點，即為兩個一級衍射斑的中心。在光強飽和的時候，設定閾值，對光斑中心所在的行進行二值化，獲取三個光斑的區域，保存到不同的數組中，各個光斑左右邊界的中心即為光斑的橫坐標。

在獲取各個光斑的橫縱坐標之后，還需要根據正弦光柵激光衍射的一些特征來判定是否存在來襲激光，以降低虛警率。主要有:①由于采用的是正弦光柵，激光的衍射光斑中零級衍射點的光斑強度最大，并且根據光柵的衍射效率，零級與一級衍射光斑的像素峰值之比在特定的范圍內;②零級中心點分別到正負一級衍射斑的中心點的距離基本相等。根據這兩個條件來判斷是否具有激光入射。若條件判定不存在，繼續對獲取的圖像進行處理。若條件判定存在，代入公式(2)、(3)、(4)即可計算出入射激光的方位角α，衍射角γ和波長λ，將結果顯示在液晶屏上，并驅動蜂鳴器進行聲音報警。

5 實驗結果分析

根據上述設計搭建的實驗平臺如圖4所示。

圖4 實驗平臺

采用1310 nm的激光器入射，采集到的激光衍射圖如圖5所示。

圖5 設備采集到的圖像

調整激光器，從不同的角度入射，利用DSP計算得到的實驗數據如表1所示。

實驗結果表明，該算法能夠實現對來襲激光的預警，并得出激光的波長及方位角，激光波長的計算誤差小于10 nm，方位角小于2°。

表1 1310 nm激光實驗數據

6 結論

隨著科技的發展，激光武器的應用也越來越多，對激光告警技術的探測精度也越來越高。本文設計了基于DSP+FPGA的光柵衍射型激光告警系統，采用面陣探測器，實現了對來襲激光的實時探測和預警，波長精度小于10 nm，方位角精度小于2°，滿足了實時性小型化的要求。

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