徐 明，趙曉葉，田亞慧，倪 屹

（江南大學(xué) 物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

隨著激光、紅外技術(shù)的不斷發(fā)展，以及光電偵察、預(yù)警和防護(hù)系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，光電對(duì)抗已經(jīng)成為發(fā)展最快、最引人注目的技術(shù)領(lǐng)域之一，它的基本目標(biāo)是如何實(shí)現(xiàn)對(duì)放置在一定距離的光電設(shè)備（如激光測(cè)距儀、熱像儀以及激光、紅外、電視制導(dǎo)系統(tǒng)等）進(jìn)行快速、精確的定位，從而進(jìn)一步對(duì)抗這些光電設(shè)備。這些光電設(shè)備的一個(gè)公共特性就是其光學(xué)元件對(duì)入射光具有很強(qiáng)的與原光路平行反射的特性，通常比漫反射目標(biāo)的回波強(qiáng)102～104倍，這種特性俗稱(chēng)“貓眼”效應(yīng)[1]。

激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)技術(shù)正是利用光學(xué)元件的貓眼效應(yīng)，通過(guò)發(fā)射激光束對(duì)光電系統(tǒng)和光學(xué)觀瞄設(shè)備進(jìn)行掃描和識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)具有完整光學(xué)系統(tǒng)的監(jiān)聽(tīng)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。另外，這種利用貓眼效應(yīng)的主動(dòng)式偵察原理和技術(shù)在反恐和軍事偵察中也有重要實(shí)用前景。

1 系統(tǒng)總體方案

該設(shè)備是基于“貓眼效應(yīng)”以及主動(dòng)成像技術(shù)的反激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備，具有全天候成像、自動(dòng)巡航、圖像處理、以及語(yǔ)音和圖像預(yù)警等功能。具體工作原理如圖1所示。

由方案圖可知，該設(shè)備的系統(tǒng)組成有光檢測(cè)系統(tǒng)、掃描系統(tǒng)以及報(bào)警系統(tǒng)。

圖1 總體技術(shù)方案Fig.1 Overall technical scheme

1）光檢測(cè)系統(tǒng)

圖2為光檢測(cè)系統(tǒng)的工作原理示意圖，由圖可知，該子系統(tǒng)由激光發(fā)射單元、激光接收單元以及計(jì)算顯示單元組成。其中，激光發(fā)射單元由半導(dǎo)體激光發(fā)射器和光學(xué)系統(tǒng)組成；激光接收單元由光電探測(cè)器和光學(xué)接收系統(tǒng)組成；計(jì)算顯示單元由圖像處理和報(bào)警顯示兩部分組成。

激光發(fā)射器在驅(qū)動(dòng)電路的控制下對(duì)劃定區(qū)域進(jìn)行激光掃描；對(duì)方光學(xué)鏡頭反射的激光信號(hào)由接收光學(xué)系統(tǒng)匯聚到光電探測(cè)器（CCD）中，經(jīng)CCD把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后由專(zhuān)門(mén)的視頻服務(wù)器輸出到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行圖像處理，并將處理后的結(jié)果顯示在監(jiān)控畫(huà)面中，當(dāng)畫(huà)面中出現(xiàn)監(jiān)聽(tīng)設(shè)備時(shí)由報(bào)警子系統(tǒng)完成報(bào)警功能。

圖2 光檢測(cè)系統(tǒng)的原理框圖Fig.2 The principle of optical detection system block diagram

2）掃描系統(tǒng)

本系統(tǒng)中采用速度可調(diào)節(jié)云臺(tái)進(jìn)行左右以及俯仰掃描，在光檢測(cè)系統(tǒng)未報(bào)警情況下，云臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)掃描；當(dāng)出現(xiàn)可疑目標(biāo)時(shí)，光檢測(cè)系統(tǒng)給云臺(tái)提供檢測(cè)信號(hào)，通過(guò)掃描機(jī)構(gòu)反饋數(shù)據(jù)，可確定系統(tǒng)工作的方位角，從而確認(rèn)可疑目標(biāo)的具體位置。

3）報(bào)警系統(tǒng)

在光檢測(cè)系統(tǒng)檢測(cè)到可疑目標(biāo)后，通過(guò)輸出傳輸以及語(yǔ)音驅(qū)動(dòng)使警示燈閃爍以及擴(kuò)音器報(bào)警。

2 原理及硬件設(shè)計(jì)

2.1 “貓眼”效應(yīng)及激光主動(dòng)檢測(cè)原理

激光主動(dòng)檢測(cè)就是利用監(jiān)聽(tīng)設(shè)備中光學(xué)系統(tǒng)的反射特性進(jìn)行的檢測(cè)，即向目標(biāo)區(qū)域發(fā)射激光，通過(guò)對(duì)反射回波的分析識(shí)別目標(biāo)。激光主動(dòng)檢測(cè)主要基于光學(xué)系統(tǒng)存在的“貓眼”效應(yīng)[2]。形成“貓眼”效應(yīng)的條件：一是目標(biāo)必須是完整的光學(xué)系統(tǒng)，具有一定的光學(xué)增益并在焦平面附近有反射物；二是探測(cè)激光必須進(jìn)入目標(biāo)視場(chǎng)；三是光電探測(cè)器的光譜響應(yīng)半徑與激光波頻率匹配。其原理如圖3所示。

圖3 光學(xué)鏡頭"貓眼"效應(yīng)原理圖Fig.3 The principle diagram of the optical lens"cat's eye"effect

激光照射在目標(biāo)上時(shí)，如果激光的輻射通量為θr，則受照目標(biāo)的輻射強(qiáng)度為：

式中，ρ為均勻漫反射的反射率，Ω為空間立體角。激光照射在普通目標(biāo)上時(shí)ρ=0.05，Ω=π。激光照射在“貓眼”目標(biāo)上時(shí) ρ=0.5，Ω=0.02 rad。

代入（1）則有：

式中，I0為“貓眼”目標(biāo)的輻射強(qiáng)度，IM為普通目標(biāo)的輻射強(qiáng)度。由此不難看出，具有“貓眼”效應(yīng)的目標(biāo)，其輻射強(qiáng)度比普通均勻漫反射目標(biāo)的輻射強(qiáng)度高3個(gè)數(shù)量級(jí)以上。因此在理論上，利用貓眼效應(yīng)可以使檢測(cè)出光學(xué)鏡片與普通環(huán)境的區(qū)別[3]。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

本方案選擇OSRAM公司出品的一款紅光波段（900 nm）的半導(dǎo)體激光器SPLLL90作為激光發(fā)射器，其突出優(yōu)點(diǎn)是功率較高。內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 半導(dǎo)體激光器內(nèi)部示意圖Fig.4 Semiconductor laser internal schematic diagram

本項(xiàng)目在激光器的驅(qū)動(dòng)電路中采用限流、穩(wěn)流、延時(shí)軟啟動(dòng)等措施來(lái)實(shí)現(xiàn)防止電流或靜電荷浪涌的沖擊，從而對(duì)驅(qū)動(dòng)電源進(jìn)行保護(hù)。

具體的激光驅(qū)動(dòng)原理圖如圖5所示。

圖5 激光驅(qū)動(dòng)原理圖Fig.5 The principle diagram of the laser driver

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 掃描報(bào)警系統(tǒng)

圖6 激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)的掃描及報(bào)警工作流程圖Fig.6 Laser listening test system of scanning and alarm work flow chart

3.2 圖像處理

為了適應(yīng)智能化激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)的要求，提出了借助視頻監(jiān)控裝置拍攝圖像，利用圖像處理技術(shù)自動(dòng)獲取不同光強(qiáng)的圖像邊界。初步判定有可能有激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備的位置。當(dāng)反射激光在某些位置超出規(guī)定閾值安全范圍時(shí).自動(dòng)進(jìn)行報(bào)警并且采取相應(yīng)措施，從而保證了場(chǎng)所安全，其圖像處理算法流程圖如圖7所示。

圖7 圖像處理流程圖Fig.7 Image processing flow chart

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 如何提高系統(tǒng)信噪比問(wèn)題

由于系統(tǒng)工作在白天，在有陽(yáng)光的戶(hù)外，環(huán)境照度可達(dá)上千勒克斯，而如果激光照射照度遠(yuǎn)小于環(huán)境激光時(shí)，會(huì)影響系統(tǒng)檢測(cè)正確率，因此需要對(duì)激光以及成像系統(tǒng)進(jìn)行處理，可使系統(tǒng)全天候進(jìn)行檢測(cè)[4]。

在本方案中采用兩種途徑提高系統(tǒng)信噪比：其一，把光斑由10 m見(jiàn)方的范圍處理為帶狀光，因此同樣功率激光，單位面積內(nèi)能量可以提高上千倍，從而可以提高系統(tǒng)性噪比，降低系統(tǒng)成本、體積等，同時(shí)不影響系統(tǒng)檢測(cè)速度[5]。具體方案如圖8所示，在系統(tǒng)中，通過(guò)光纖輸出的激光器發(fā)散角為θ=12°，可以在θ//角方向率先采用球透鏡把角度壓小，然后再通過(guò)柱透鏡對(duì)輸出激光進(jìn)行準(zhǔn)直，即可輸出線狀光斑。其二，在成像系統(tǒng)前加濾波器，只有激光波長(zhǎng)范圍內(nèi)的激光可以進(jìn)入成像系統(tǒng)，其余光均被濾除（如圖9）。如濾光器的波長(zhǎng)為900 nm，帶寬范圍為20 nm左右，則可濾除其它雜散光，可將系統(tǒng)信噪比提高上百倍（在900 nm附近，太陽(yáng)光的能量分布相對(duì)較少，通過(guò)濾波可以最大的提高系統(tǒng)性噪比，同時(shí)激光器件比較普及）。

圖8 線狀激光輸出光學(xué)系統(tǒng)示意圖Fig.8 Linear laser output optical system schematic diagram

圖9 濾波成像系統(tǒng)示意圖Fig.9 Filtering imaging system schematic diagram

4.2 如何提高激光均勻化問(wèn)題

由于激光輸出波長(zhǎng)比較窄，因此出射的光會(huì)有很多干涉花紋，從而出現(xiàn)有的地方比較亮，而另外一部分相對(duì)比較暗，這會(huì)降低系統(tǒng)信噪比。因此提高激光均勻度對(duì)系統(tǒng)信噪比提高有相當(dāng)重要的意義。

本系統(tǒng)對(duì)輸出的激光進(jìn)行光纖耦合，而耦合光纖纏繞在圓柱形PZT上，對(duì)PZT施加高頻調(diào)制信號(hào)，其調(diào)制頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CCD圖像取樣頻率（20幀/秒），由于PZT調(diào)制是激光在光纖中行進(jìn)路線進(jìn)行改變，可以實(shí)現(xiàn)在照射的同一位置激光亮暗發(fā)生快速顯著變化，而圖像傳感器CCD的速度卻遠(yuǎn)小于這變換速率，因此設(shè)計(jì)出了相對(duì)于CCD取樣圖像而言激光均勻照明的系統(tǒng)。

4.3 如何確定系統(tǒng)對(duì)可疑目標(biāo)位置精度確認(rèn)

當(dāng)激光語(yǔ)音獲取設(shè)備檢測(cè)檢測(cè)到目標(biāo)時(shí)，由于環(huán)境目標(biāo)都為窗戶(hù)，具有同質(zhì)性，如何在同質(zhì)性的環(huán)境中確認(rèn)可疑目標(biāo)以及為排查可疑目標(biāo)提供精確數(shù)據(jù)。

在激光監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)系統(tǒng)中，激光檢測(cè)設(shè)備安裝在云臺(tái)上，而云臺(tái)通過(guò)程序可按一定軌跡運(yùn)行，在云臺(tái)運(yùn)行過(guò)程中，記錄其運(yùn)行軌跡，得出系統(tǒng)方位角，而通過(guò)方位角就可確定系統(tǒng)采集圖像的具體位置，從而可以確定出報(bào)警時(shí)的目標(biāo)地點(diǎn)[6]。

5 結(jié) 論

本項(xiàng)目主要是基于紅外掃描監(jiān)控技術(shù)，利用“貓眼效應(yīng)”實(shí)現(xiàn)對(duì)激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備的檢測(cè)，半導(dǎo)體激光二極管在驅(qū)動(dòng)電路的作用下產(chǎn)生一束近紅外激光，然后通過(guò)準(zhǔn)直整形、光束調(diào)整等處理后由專(zhuān)門(mén)的激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出準(zhǔn)線狀紅外激光，當(dāng)照射到激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備后，由于“貓眼效應(yīng)”的存在，使得激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備的反射激光能量會(huì)顯著大于背景信號(hào)，因此進(jìn)入CCD成像器件的反射信號(hào)在形成圖像時(shí)，就可通過(guò)信號(hào)強(qiáng)度的對(duì)比檢測(cè)出激光監(jiān)聽(tīng)設(shè)備。本系統(tǒng)具有背景反差好、探測(cè)距離遠(yuǎn)、成像清晰度高、強(qiáng)光抑制效果好，實(shí)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，可用于國(guó)家安全部門(mén)、警用部門(mén)、機(jī)密會(huì)議場(chǎng)所的反監(jiān)聽(tīng)領(lǐng)域，或者軍用領(lǐng)域反狙擊手。

[1]趙勛杰，高稚允，張英遠(yuǎn).基于“貓眼”效應(yīng)的激光偵察技術(shù)及其在軍事上的應(yīng)用[J].光學(xué)技術(shù)，2003，29（4）:415-417.

[2]趙延仲，孫華燕，宋豐華，等.貓眼效應(yīng)用于激光主動(dòng)探測(cè)技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].中國(guó)激光，2010，47:102802.

[3]趙延仲，宋豐華，孫華燕，等.利用Zemax分析“貓眼效應(yīng)”的激光反射特性[J].光學(xué)技術(shù)，2007，33（S1）:89-91.

[4]王小謨，張光義.雷達(dá)與探測(cè)——信息化戰(zhàn)爭(zhēng)的火眼金睛[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[5]SLD400lasersniperdetector[EB/OL].http://www.cilas.com/defense-securite/fiche-produit-sld400.pdf.

[6]SLD 500 surveillance and sniper detection laser system[EB/OL].http://www.cilas.com/defense-securite/sld500-angl.pdf.