吳 瓊，張 瑞，石 金，杜偉豪，李 曉，王志斌，李孟委

（1.中北大學(xué) 電氣與控制工程學(xué)院,山西 太原 030051；2.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；3.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院,山西 太原 030051）

引言

激光具有單頻、方向性好、強(qiáng)度高、能量大、高度集中等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療美容、工業(yè)加工、航天、軍事武器、通信等領(lǐng)域。激光告警系統(tǒng)是探測(cè)來襲激光，判斷對(duì)方激光功能和位置的光電對(duì)抗設(shè)備[1]。激光告警儀按照其工作原理可分為光譜探測(cè)型、成像探測(cè)型、全息探測(cè)型、相干型等類型[2-4]。光譜探測(cè)型激光告警儀排列固定波長的光電探測(cè)器覆場(chǎng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但只能探測(cè)固定波長激光，且角度分辨率低[5]；成像探測(cè)型激光告警儀多采用魚眼透鏡[6]，漏檢率低，同時(shí)采用CCD 面陣探測(cè)器，具有較高角度分辨率，但只能探測(cè)固定波長激光，無法辨別激光波長；全息探測(cè)型激光告警儀采用新型光學(xué)元件全息透鏡，光學(xué)系統(tǒng)小，質(zhì)量輕，但衍射效率較低，搭建儀器較為復(fù)雜；相干型激光告警儀根據(jù)不同干涉儀分為法布里-珀羅干涉型和邁克耳孫相干識(shí)別型，前者必須通過擺動(dòng)掃描才能確定激光參數(shù),所以難以截獲單次激光短脈沖。后者雖然虛警率低、角分辨率高，但成本高、視場(chǎng)小[7]。

傳統(tǒng)的光斑中心提取算法有灰度重心法[8]、圓擬合算法[9]、霍夫變換法[10]等?；舴蜃儞Q法受曲線間斷影響小，不受圖形旋轉(zhuǎn)影響，缺點(diǎn)是耗時(shí)長、占內(nèi)存且易受噪聲干擾，精度不高；灰度重心法算法簡(jiǎn)單，計(jì)算速度快，缺點(diǎn)是受外界光線及噪聲干擾，由于光斑形狀的不規(guī)則性，會(huì)產(chǎn)生較大的誤差，準(zhǔn)確性較低，抗噪性差；圓擬合算法實(shí)時(shí)性較好，有較高的時(shí)間精度，缺點(diǎn)是精度易受隨機(jī)噪聲和干擾影響。在光柵衍射型激光告警系統(tǒng)中，探測(cè)器采集到的激光光斑較為規(guī)整，接近于圓形，相比于霍夫變換法、圓擬合算法，灰度重心法計(jì)算方法簡(jiǎn)便，耗時(shí)短。國外研究應(yīng)用比較多的激光系統(tǒng)主要有美國的AN/AVR-2、Laser Event Recorder，以色列的LWS-20V-3 機(jī)載激光告警系統(tǒng)等[11]，由于軍事參數(shù)指標(biāo)被保護(hù)，故未能查到相關(guān)參數(shù)。國內(nèi)談凱德提出基于二維向量的空間圓擬合算法，將原始光斑圖像映射到二維向量空間，根據(jù)圓光斑的幾何性質(zhì)，組建超定方程組求解光斑中心坐標(biāo)和半徑，檢測(cè)精度優(yōu)于傳統(tǒng)重心法與霍夫變換法[12]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)采用光學(xué)成像激光告警系統(tǒng)，通過轉(zhuǎn)盤濾光片分光，但由于探測(cè)器制冷問題，其質(zhì)量、體積和功耗都較大[10]。在方位參數(shù)計(jì)算方面，中北大學(xué)梁賽在獲得光斑中心位置后，根據(jù)原理公式計(jì)算得到俯仰角誤差為0.6°，方位角誤差為1.1°[13]。軍械工程學(xué)院王龍分析了光柵衍射型超廣角激光告警系統(tǒng)成像光斑特點(diǎn)，提出一種改進(jìn)型高斯擬合算法計(jì)算光斑中心，普遍適用于強(qiáng)度成高斯分布光斑的中心定位[14]，俯仰角平均誤差為0.5°，方位角平均誤差為0.5°。

針對(duì)光柵衍射型二維面陣探測(cè)數(shù)據(jù)量大、速度要求快、精度高等要求，本文提出高精度二維寬波段激光告警參數(shù)計(jì)算算法，對(duì)提高二維激光告警系統(tǒng)方向角度分辨率、實(shí)現(xiàn)高精度判定方位、探測(cè)未知激光設(shè)備并準(zhǔn)確定位具有重大意義。

1 光柵衍射原理

激光入射光柵后，被衍射為?1 級(jí)、0 級(jí)、+1 級(jí)等，再經(jīng)過鏡頭組聚焦在CCD 面陣探測(cè)器上，通過0 級(jí)光斑中心像素坐標(biāo)位置獲得來襲激光方位角參數(shù)和俯仰角參數(shù)，根據(jù)0 級(jí)和1 級(jí)光斑x方向像素坐標(biāo)差值計(jì)算激光波長。通過圖像數(shù)據(jù)處理，對(duì)干涉圖像0 級(jí)和1 級(jí)光斑中心位置進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而獲得激光波長、俯仰角、方位角信息。光柵衍射基本原理如圖1所示。

圖1 光柵衍射原理圖Fig.1 Schematic diagram of grating diffraction

激光入射經(jīng)過光柵衍射后由鏡頭匯聚，形成干涉光斑并成像于面陣探測(cè)器。在x方向，入射角為α，0 級(jí)光譜位置為x0，+1 級(jí)光譜位置為x+，?1 級(jí)光譜位置為x?；在y方向，入射角為γ，入射光衍射后在探測(cè)器的位置為y。其中光柵常數(shù)為d，透鏡組的焦距為?，該電信號(hào)被高速信號(hào)處理電路處理后，給出波長、方向等信息[15]。在圖像數(shù)據(jù)處理中，探測(cè)器左上角的點(diǎn)為（x，y）原點(diǎn)。而在實(shí)際計(jì)算過程中，以探測(cè)器中心點(diǎn)為原點(diǎn)，所以需要像素坐標(biāo)變換，實(shí)驗(yàn)采用640(H)×512(V)探測(cè)器，即實(shí)際坐標(biāo)值為（x-320，y-256）。結(jié)合光柵衍射方程和焦平面成像理論[16-17]，可求得方位角α、俯仰角γ和波長λ分別為

由于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用變焦鏡頭組，透鏡組和大視場(chǎng)造成的畸變并不能完全消除，致使公式中?的計(jì)算存在誤差，且系統(tǒng)搭建中光學(xué)器件擺放存在誤差等不定因素，使得公式計(jì)算值與真實(shí)值存在較大誤差，由此，本文在計(jì)算光斑中心位置像素坐標(biāo)后，采用公式擬合算法進(jìn)行參數(shù)計(jì)算。

2 光柵衍射型激光告警系統(tǒng)

光柵衍射型激光告警系統(tǒng)由探測(cè)器、光柵、透鏡組等構(gòu)成。搭建光柵衍射型激光告警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 光柵衍射型激光告警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform of laser warning system based on grating diffraction

分別使用中國科學(xué)院長春光機(jī)所長春新產(chǎn)業(yè)光電技術(shù)有限公司生產(chǎn)的532 nm 激光器（型號(hào)為MGL-III-532-100 mW）、1 064 nm 激光器（型號(hào)為MILIII-1 064-100 mW）、1 313 nm 激光器（型號(hào)為MILIII-1 313-100 mW），型號(hào)為GLORIA-X150A 的氙燈，帶寬為10 nm、中心波長分別為400 nm、550 nm、650 nm、750 nm、850 nm、1 200 nm、1 300 nm、1 400 nm、1 600 nm 的濾光片；探測(cè)器規(guī)格為640(H)×512(V)像元陣列，15 μm×15 μm 的像元間距；型號(hào)為BEW-10X、尺寸為Φ84×209 mm（擴(kuò)展10倍）的擴(kuò)束鏡；光柵常數(shù)d=2.5 μm 的光柵。激光經(jīng)過擴(kuò)束鏡后，進(jìn)入旋轉(zhuǎn)臺(tái)上的激光告警實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中轉(zhuǎn)臺(tái)方位角范圍為0°～360°，俯仰角范圍為0°～360°，角度精度為0.01°。

本文基于光柵衍射型激光告警系統(tǒng)，通過FPGA控制探測(cè)器采集圖像，由外部存儲(chǔ)器接口(external memory interface，EMIF)將圖像數(shù)據(jù)傳輸至DSP 進(jìn)行圖像處理，其中DSP 采用TI 公司的TMS320C6748芯片。FPGA 控制探測(cè)器采集圖像，通過以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)到先入先出存儲(chǔ)器(first input first output，F(xiàn)IFO)中，再通過EMIF 接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紻SP 中進(jìn)行處理，最后將計(jì)算出的激光參數(shù)在液晶屏中顯示，整體控制框圖如圖3所示。

圖3 整體控制框圖Fig.3 Block diagram of overall control

考慮到鏡頭和光柵的角度，綜合視場(chǎng)范圍為水平95°、垂直72°。由于視場(chǎng)較大，采集圖像有畸變現(xiàn)象，主要是非線性桶形畸變，畸變現(xiàn)象隨圖像距離中心位置距離增大而嚴(yán)重，雖不影響圖像清晰度，卻影響成像的位置精度，給圖像分析和圖像測(cè)量帶來誤差，所以在光斑中心計(jì)算之前，需要對(duì)圖像進(jìn)行畸變校正處理。圖像中心位置畸變?yōu)?，位置到中心位置的距離越遠(yuǎn)，畸變現(xiàn)象越嚴(yán)重，以主點(diǎn)周圍的泰勒級(jí)數(shù)展開的前兩項(xiàng)的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行描述，根據(jù)其在徑向方向的分布位置，調(diào)節(jié)公式為

式中：(x0，y0)是以圖像中心為原點(diǎn)，水平向右為X軸正方向、垂直向上為Y軸正方向，為坐標(biāo)軸的原始像素點(diǎn)坐標(biāo)位置；(x,y)是畸變校正后輸出的像素點(diǎn)位置，若對(duì)應(yīng)像素超出圖像范圍(640(H)×512(V))，則不予保存。k1，k2為根據(jù)畸變現(xiàn)象求出的泰勒級(jí)數(shù)，通過30 mm×30 mm 標(biāo)定板平行于鏡頭測(cè)試的24 張測(cè)試圖，所得泰勒級(jí)數(shù)計(jì)算結(jié)果為：k1=?0.4382，k2=0.1217?；冃Ｕ闆r如圖4所示。

圖4 畸變校正圖Fig.4 Diagram of distortion correction

探測(cè)器有效探測(cè)面積為L×H=9.6 mm×7.68 mm，分辨率為640(H)×512(V)pixel，可較好地探測(cè)光譜波段范圍為500 nm～1 600 nm 激光，包含可見光與紅外光，圖像以灰度圖顯示。當(dāng)單色波長入射時(shí)，背景除目標(biāo)光斑外含有太陽光、照明燈、反光物品等干擾信息，導(dǎo)致圖像對(duì)比度低、成像效果差、信噪比低。通過大量所測(cè)圖探尋對(duì)比度范圍，發(fā)現(xiàn)對(duì)比度在0.75～0.9 時(shí)大多目標(biāo)光斑較為清晰且基本濾除干擾圖像，為簡(jiǎn)化圖像數(shù)據(jù)，先提高圖像對(duì)比度。本文采用的連通區(qū)域標(biāo)記算法借鑒在Matlab 中bwlabel 連通區(qū)域標(biāo)記函數(shù)中四聯(lián)通標(biāo)記算法，原始算法需要將圖像二值化處理，即設(shè)定1 個(gè)閾值，灰度值小于閾值則記為0（黑色），大于等于該閾值則記為255（白色）。從上到下、從左到右遍歷圖像，除最左列和最上行只需判斷值為255 像素的上方和左方是否存在255 灰度值像素，其他像素需判斷上方或左方位置，若存在255 灰度值像素即為同一連通區(qū)域，標(biāo)記圖像中白色連通區(qū)域[18]。本文采用改進(jìn)的二值化和連通區(qū)域算法，即閾值下的灰度值記為0，大于等于閾值的像素，保留其灰度值，將有值的像素進(jìn)行連通區(qū)域標(biāo)記。當(dāng)連通區(qū)域灰度未達(dá)到飽和時(shí)，認(rèn)定每個(gè)連通區(qū)域中最亮的像素坐標(biāo)均值為光斑中心，若連通區(qū)域飽和，則認(rèn)定飽和區(qū)域坐標(biāo)均值為目標(biāo)光斑中心坐標(biāo)，再通過大量測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行0 級(jí)光斑x、y所在像素位置與激光參數(shù)進(jìn)行曲面擬合，進(jìn)而由0 級(jí)光斑中心位置計(jì)算來襲激光方位角、俯仰角，以及根據(jù)0 級(jí)光斑和±1 級(jí)光斑x間距計(jì)算波長。在方位參數(shù)計(jì)算方面，相比梁賽俯仰角誤差為0.6°、方位角誤差為1.1°；王龍俯仰角平均誤差為0.5°、方位角平均誤差為0.5°等，本文計(jì)算結(jié)果與真實(shí)數(shù)據(jù)俯仰角誤差為0.4°、方位角誤差為0.2°，提高了識(shí)別激光方向參數(shù)精度。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

搭建光學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，通過氙燈和濾光片組合，可以探測(cè)500 nm～1 600 nm 中部分整數(shù)激光波長參數(shù)激光，波長誤差在±5 nm 之間。本文以常用激光武器波長532 nm、1 064 nm、1 313 nm 激光器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，波長唯一，實(shí)驗(yàn)結(jié)果更加準(zhǔn)確。圖5為不同波長濾光片下和特定波長激光器下采集的圖像。

圖5 不同波長采集圖像Fig.5 Images acquired at different wavelengths

根據(jù)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，探測(cè)器的有效探測(cè)波長范圍為500 nm～1 600 nm，由光柵衍射原理及實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，激光的波長參數(shù)只與0 級(jí)和1 級(jí)x像素坐標(biāo)間距有關(guān)，通過差值可以有效提取目標(biāo)光斑，降低虛警率；系統(tǒng)采用大視場(chǎng)鏡頭，水平視場(chǎng)95°、垂直視場(chǎng)72°，產(chǎn)生一定畸變。即使采用畸變校正也無法完全消除畸變。由此根據(jù)公式計(jì)算出的方位角和俯仰角數(shù)值隨著距離探測(cè)器中心位置的增大而產(chǎn)生一定偏差，通過系統(tǒng)擬合數(shù)據(jù)能在一定程度上減少畸變帶來的數(shù)據(jù)誤差，更能貼合實(shí)際數(shù)據(jù)。

設(shè)定俯仰角γ和方位角α，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，部分采集圖像如圖6所示。

圖6 部分波長不同方位角、不同俯仰角圖像Fig.6 Partial wavelength images with different azimuth angles and pitch angles

以1 064 nm 激光器為例，俯仰角γ擬合曲面與像素坐標(biāo)關(guān)系和方位角α擬合曲面與像素坐標(biāo)關(guān)系如圖7所示。

由圖7(a)，圖7(c)和圖7(e)的仿真結(jié)果可知，激光俯仰角與x、y像素坐標(biāo)都有較大聯(lián)系；由圖7(b)，圖7(d)和圖7(f)的仿真結(jié)果可知，激光方位角可認(rèn)為只與y像素坐標(biāo)有關(guān)。在實(shí)際擬合過程中，若只擬合方位角與y像素坐標(biāo)關(guān)系，則誤差為0.7°，誤差較大；同樣擬合方位角與x、y像素坐標(biāo)關(guān)系，誤差為0.2°，誤差較小，誤差數(shù)據(jù)如圖8所示。方位角誤差對(duì)比及擬合公式如下：

圖7 激光參數(shù)與像素坐標(biāo)所在位置關(guān)系擬合圖Fig.7 Fitting diagram of position relations between laser parameters and pixel coordinates

圖8 方位角擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差對(duì)比Fig.8 Errors comparison between azimuth fitting data and actual data

將采集數(shù)據(jù)與擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比，誤差如圖9所示。

圖9 方位角、俯仰角擬合數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)誤差Fig.9 Errors between fitting data and actual data of azimuth angle and pitch angle

隨機(jī)采樣6 組數(shù)據(jù)，參數(shù)計(jì)算結(jié)果與原始設(shè)定數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果Table 1 Data calculation results

根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析，數(shù)據(jù)誤差主要來源于以下幾個(gè)方面：畸變現(xiàn)象未能實(shí)現(xiàn)完全校正；受二值化閾值設(shè)置的影響，提取的光斑形狀稍有區(qū)別，最終影響中心坐標(biāo)數(shù)值。

4 結(jié)論

本文基于光柵衍射型激光告警系統(tǒng)，針對(duì)光柵衍射圖像信噪比較低、方向計(jì)算分辨率不高的問題，提出一種改進(jìn)的二值化算法和連通區(qū)域標(biāo)記算法計(jì)算光斑中心，再通過大量測(cè)試圖像計(jì)算0 級(jí)光斑與±1 級(jí)光斑中心像素位置，由x方向間距確認(rèn)激光波長，由0 級(jí)光斑x、y像素坐標(biāo)位置擬合激光參數(shù)信息，最終擬合成x、y激光參數(shù)的擬合曲面函數(shù)來計(jì)算方位角、俯仰角。搭建實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)比相同位置真實(shí)數(shù)據(jù)與擬合公式計(jì)算結(jié)果，俯仰角誤差為0.4°，方位角誤差為0.2°，提高了二維寬波段激光告警參數(shù)計(jì)算精度。該算法可以實(shí)現(xiàn)高精度計(jì)算激光探測(cè)裝置方向，為激光告警、光電對(duì)抗提供保障，對(duì)準(zhǔn)確偵察敵方目標(biāo)并及時(shí)做出準(zhǔn)備方案具有使用價(jià)值。