一種光柵型激光告警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

曹俊卿，趙冬娥，2，王志斌，2，張敏娟，張 瑞，韓 楓

(1．中北大學(xué) 山西省光電信息與儀器工程技術(shù)研究中心，山西 太原030051;2．中北大學(xué) 儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測(cè)試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原030051)

1 引言

在現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中，激光精確制導(dǎo)武器和激光探測(cè)設(shè)備已經(jīng)廣泛使用，這些武器對(duì)我軍的重要設(shè)施造成了嚴(yán)重的威脅。激光告警系統(tǒng)是被動(dòng)探測(cè)、截獲來襲激光，獲取激光的波長(zhǎng)、方位角、俯仰角等參數(shù)信息，并發(fā)出告警的光電設(shè)備［1－2］。因此研制高效能的激光告警設(shè)備對(duì)我軍的現(xiàn)代化建設(shè)有重要的意義。

激光告警系統(tǒng)根據(jù)其工作原理主要可以分為光譜探測(cè)型、成像探測(cè)型、相干探測(cè)型、全息探測(cè)型等幾種類型［3－5］。光譜探測(cè)型激光告警系統(tǒng)是所有類型中最簡(jiǎn)單和最常用的一種，采用與被測(cè)激光波長(zhǎng)相匹配的光電探測(cè)器，缺點(diǎn)是不能探測(cè)多波段的激光。相干探測(cè)型激光告警系統(tǒng)是依據(jù)光干涉原理設(shè)計(jì)的，角度分辨率高，但光學(xué)系統(tǒng)比較復(fù)雜。全息探測(cè)型激光告警系統(tǒng)采用全系透鏡代替干涉儀，其優(yōu)點(diǎn)是體積小、重量輕，缺點(diǎn)是衍射效率低。成像型激光告警器是當(dāng)前激光告警技術(shù)發(fā)展的主流，但是不能測(cè)量激光的波長(zhǎng)［6］。而光柵衍射型激光告警系統(tǒng)是利用光柵的多縫衍射和干涉原理，能有效探測(cè)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(tǒng)。

2 光柵衍射型激光告警系統(tǒng)的工作原理

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)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(dāng)激光以入射角α，經(jīng)過正弦光柵發(fā)生衍射，形成零級(jí)和一級(jí)衍射光斑，經(jīng)過透鏡在面陣焦平面探測(cè)器上成像。根據(jù)零級(jí)衍射光斑和一級(jí)衍射光斑的中心及其相對(duì)位置，就可以計(jì)算來襲激光的波長(zhǎng)和方位角［7－10］。

光柵衍射方程:

根據(jù)光柵衍射原理［11－12］:被測(cè)激光方位角α角、γ角和波長(zhǎng)λ的結(jié)果為:

式中，x0為零級(jí)衍射光斑的中心;x1為一級(jí)衍射光斑的中心。因此，根據(jù)上述公式，即可計(jì)算出激光的波長(zhǎng)和方位角。

3 激光告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

由于激光告警應(yīng)用的特殊情況，需要能夠?qū)崟r(shí)對(duì)來襲激光進(jìn)行告警，因此對(duì)激光告警系統(tǒng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和圖像處理提出了比較高的要求。本文設(shè)計(jì)的激光告警系統(tǒng)主要采用FPGA+DSP的結(jié)構(gòu)，利用FPGA實(shí)現(xiàn)面陣探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)控制、數(shù)據(jù)的采集，利用DSP較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)的處理，二者通過EMIF接口方式通信，并行工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光圖像的高速采集與處理。

本文設(shè)計(jì)的硬件電路如圖2所示。

圖2 硬件電路

系統(tǒng)采用的探測(cè)器為InGaAs320×256面陣焦平面陣列探測(cè)器，該探測(cè)器的有效探測(cè)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?yàn)榧す馔ㄟ^正弦光柵形成零級(jí)和一級(jí)衍射光斑，其中零級(jí)衍射光斑相對(duì)一級(jí)光斑的光強(qiáng)較強(qiáng)，便于對(duì)圖像信號(hào)進(jìn)行處理。

DSP采用TI公司的TMS320C6713芯片，該DSP是一款具有高速浮點(diǎn)運(yùn)算能力的TI 6000系列的芯片，最高運(yùn)算速度達(dá)到1350 MIPS，內(nèi)部具有256 k-Byte的空間。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，探測(cè)器信號(hào)經(jīng)ADC轉(zhuǎn)換后先送到FPGA，通過FPGA內(nèi)部開辟兩個(gè)FIFO來緩存數(shù)據(jù)，對(duì)兩個(gè)FIFO中的數(shù)據(jù)進(jìn)行乒乓操作，分別進(jìn)行存儲(chǔ)數(shù)據(jù)和往DSP中傳輸數(shù)據(jù)，在DSP內(nèi)部分配兩塊地址，分別存儲(chǔ)兩個(gè)FIFO的數(shù)據(jù)，DSP在處理一幅圖像數(shù)據(jù)的時(shí)候，F(xiàn)PGA往另一塊地址上傳輸數(shù)據(jù)，兩者交替進(jìn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的實(shí)時(shí)處理。其中AD采用的是ADI公司的AD9220，是一個(gè)12位的高速模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，最高的采樣頻率為10 MSPS，滿足實(shí)時(shí)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(yù)處理、激光波長(zhǎng)及方位角的識(shí)別兩個(gè)部分。

4．1 圖像預(yù)處理部分

目前紅外監(jiān)視告警系統(tǒng)中弱小目標(biāo)的成像主要體有以下幾個(gè)方面的特點(diǎn):①目標(biāo)尺寸太小。②信號(hào)弱，信雜比和對(duì)比度低。③背景復(fù)雜，干擾大。針對(duì)這些特點(diǎn)，采用直方圖均衡化方法提高圖像對(duì)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(gè)條件:①像素?zé)o論怎么映射，要保證原來的大小關(guān)系不變;②如果是八位圖像，那么像素映射函數(shù)的值域應(yīng)在0和255之間。綜合以上兩個(gè)條件，選擇累積分布函數(shù)，因?yàn)槔鄯e分布函數(shù)是單調(diào)增函數(shù)，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(dāng)前灰度級(jí)的像素個(gè)數(shù)，L是圖像中可能的灰度級(jí)總數(shù)。

4．2 激光波長(zhǎng)及方位角的識(shí)別部分

激光波長(zhǎng)及方位角的識(shí)別流程如圖3所示。

圖3 圖像處理流程

激光波長(zhǎng)及方位角的識(shí)別算法的思路主要分下面兩個(gè)部分。

(1)光斑中心縱坐標(biāo)的確定:設(shè)定適當(dāng)?shù)拈撝?，統(tǒng)計(jì)圖像的行像素信息，獲取衍射光斑中心點(diǎn)的縱坐標(biāo)y。

(2)光斑中心橫坐標(biāo)的確定，對(duì)光斑中心所在的行進(jìn)行掃描，獲取該行的像素點(diǎn)的信息。在光斑強(qiáng)度未飽和時(shí)，由于采用的是正弦光柵，光強(qiáng)最大值即為零級(jí)衍射斑的中心。然后設(shè)定閾值，從零級(jí)中心向兩邊統(tǒng)計(jì)，分別得到左右兩邊兩個(gè)峰值點(diǎn)，即為兩個(gè)一級(jí)衍射斑的中心。在光強(qiáng)飽和的時(shí)候，設(shè)定閾值，對(duì)光斑中心所在的行進(jìn)行二值化，獲取三個(gè)光斑的區(qū)域，保存到不同的數(shù)組中，各個(gè)光斑左右邊界的中心即為光斑的橫坐標(biāo)。

在獲取各個(gè)光斑的橫縱坐標(biāo)之后，還需要根據(jù)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(jí)衍射點(diǎn)的光斑強(qiáng)度最大，并且根據(jù)光柵的衍射效率，零級(jí)與一級(jí)衍射光斑的像素峰值之比在特定的范圍內(nèi);②零級(jí)中心點(diǎn)分別到正負(fù)一級(jí)衍射斑的中心點(diǎn)的距離基本相等。根據(jù)這兩個(gè)條件來判斷是否具有激光入射。若條件判定不存在，繼續(xù)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理。若條件判定存在，代入公式(2)、(3)、(4)即可計(jì)算出入射激光的方位角α，衍射角γ和波長(zhǎng)λ，將結(jié)果顯示在液晶屏上，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行聲音報(bào)警。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)上述設(shè)計(jì)搭建的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

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(shè)備采集到的圖像

調(diào)整激光器，從不同的角度入射，利用DSP計(jì)算得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)來襲激光的預(yù)警，并得出激光的波長(zhǎng)及方位角，激光波長(zhǎng)的計(jì)算誤差小于10 nm，方位角小于2°。

表1 1310 nm激光實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

6 結(jié)論

隨著科技的發(fā)展，激光武器的應(yīng)用也越來越多，對(duì)激光告警技術(shù)的探測(cè)精度也越來越高。本文設(shè)計(jì)了基于DSP+FPGA的光柵衍射型激光告警系統(tǒng)，采用面陣探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)來襲激光的實(shí)時(shí)探測(cè)和預(yù)警，波長(zhǎng)精度小于10 nm，方位角精度小于2°，滿足了實(shí)時(shí)性小型化的要求。

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