高　巍　李翰山

(西安工业大学电子信息工程学院　西安　710021)



激光光幕靶探测性能研究*

高巍李翰山

(西安工业大学电子信息工程学院西安710021)

摘要为了改善光幕靶的探测性能,通过建立激光光幕靶的探测灵敏度模型分析了其探测性能。利用红外波段的线激光器构造光幕靶的发射光源,给出了线激光器数量与探测光幕盲区之间的关系;从探测灵敏度的定义出发,结合光幕靶的探测原理,建立了激光光幕靶的探测灵敏度计算模型,说明了靶面内光能分布情况,分析了影响激光光幕靶探测性能的因素。利用仿真对比了激光光强与可见光LED的光强,并说明了激光光幕靶的探测灵敏度与激光器功率的大小成正比。通过实验验证了激光光幕靶的探测性能要明显优于以可见光LED构造光源的传统光幕靶。

关键词激光光幕靶; 探测灵敏度; 光能分布; 光电探测器

Detection Sensitivity Calculation Model of Laser Light Screens

GAO WeiLI Hanshan

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractTo improve the detection performance of laser light screen, through the establishment of detection sensitivity model of laser light screen, its detection performance was analyzed in this paper. The infrared laser was used to construct light screens emitting light, the relationship between detection screen area and the number of line lasers was given. According to the definition of detection sensitivity, combined with the working principle of laser light screen, the detection sensitivity model was set up, the light energy distribution on detection screens were introduced, the influencing factors of laser light screens detection performance was analyzed. Through simulation results, the laser light intensity and the visible LED light intensity was compared, indicating the laser screen target detection sensitivity was proportional to the power of the lasers. Experiment showed the laser light screen had better detection performance than traditional light screen with visible light LED as a light source.

Key Wordslaser light screens, detection sensitivity, laser energy distribution, photoelectric detectors

Class NumberTP181

1引言

传统光幕靶利用可见光LED构造发射光源,存在探测靶面小容易受到灯光等环境光的影响。采用近红外波段波长的激光代替可见光LED来构造光幕靶的光源,可以有效克服上述存在问题。目前有部分文献对激光光幕靶进行了研究,但针对光幕靶系统探测灵敏度模型还没相关文献报道。因此,很有必要对光幕靶探测灵敏度进行研究。

2激光光幕靶探测靶面分析

传统光幕靶利用可见光LED构造发射光源,光源的垂直发散角大,导致光能量发散,因此光能传播距离较近,用其构造的光幕靶靶面的大小受到了限制。相比于可见光LED而言,激光的准直性非常好,即垂直发散角很小,光能可以传播很远的距离。据此,利用激光作为光幕靶光源可以得到较大面积的探测光幕。同时,选用近红外波段波长的激光,与响应近红外波段波长的光电探测器相配合,可以有效避免室内等光对光幕靶系统的影响。

图1为所构造的单个激光光幕靶面示意图。光源由阵列激光器组成并固定于靶架下方;接收装置由阵列光电二极管器件构成并固定于靶架上方位置。激光器的选取上采用线激光器,大大地减少光幕靶的成本和复杂程度。同时为了保证探测光幕的均匀性和一致性,需要保证线激光器对称排布。接收装置选用高灵敏度的PIN型硅光电二极管,若干光电二极管紧密排布构成光电探测面。从图1可以看出,由于实际靶面的限制,即使增加线激光的发散角,线激光发出的光线也不能够被探测器接收到。但是当线激光器的数目增多时,探测光幕盲区的面积会随之减小,因此可以选择合适的线激光器数目来满足靶面的实际需求。

图1　激光光幕靶靶面示意图

在图1中,三角形OCD是其中的一块探测盲区,h1为三角形AOB的高,h2为三角形OCD的高,由两个三角形之间的几何关系如下:

(1)

其中:AB为探测靶面的宽度,CD为线激光器D1和线激光器D2之间的间距。

由于线激光器对称排布,则有AB=2CD,即h1=2h2。尽管图1所示的探测盲区是两块三角形区域,但在矩形区域内进行测试时,会出现目标穿过部分区域有信号而穿越部分区域无信号的情况,并且难以对探测盲区的三角形区域进行准确划分,因此将整个的矩形区域作为探测盲区看待。以探测盲区的三角形区域的高度的整个矩形区域均不被算入有效探测靶面的面积中。

对于多个线激光器的情况类似,当线激光器的数目为N时,探测盲区由N-1个三角形区域组成,且所有的探测盲区三角形的高度都是一样的,探测靶面的有效探测区的高度为

(2)

由此可以看出,随着线激光器数目的增多,探测盲区的高度减小,有效探测靶面的面积随之增大。图2所示为11个线激光器组成探测光幕时的情况,其中靶面的宽度为1.5m,高度为1.65m,此时的探测盲区仅为0.1m宽度的矩形区域,探测光幕盲区的面积仅占整个靶面面积的9%。可以看出有效探测靶面的面积大大增加了,最终实际有效的探测光幕面积为1.5m*1.5m的区域。

图2　多个线激光器靶面示意图

3激光光幕靶探测灵敏度模型

光幕靶系统的探测灵敏度通常用探测距离y与目标宽度l的比值来描述。根据探测灵敏度δ的定义可以推出其表达式如下所示:

(3)

由此可知,对于同样大小的目标,探测灵敏度越高表示其探测距离越远,意味着靶面的高度可以做得越大。

当有目标经过探测光幕时,光电探测器输出的光电流Ic为

Ic=ΔΦ·δd

(4)

其中:ΔΦ为目标经过时所遮挡的光通量;δd是光电探测器的光照灵敏度。

而目标经过探测光幕时所遮挡的光通量ΔΦ又可以表示为

ΔΦ=I·S

(5)

其中:I为分布在探测器感光面上的激光光强;S为目标通过探测光幕时的遮光面积。

设光幕靶的狭缝光阑的宽度为b,则目标通过探测光幕时,在光电探测器上的遮光面积可近似看为S=lb。对于光电探测器而言,其可以接受的光通量有一个极限最小值,低于这个值,则即使有光通量的变化探测器也不会有光电流信号输出,据此并综合光幕靶工作原理可以推知激光光幕靶系统探测灵敏度具有如下关系:

(6)

其中:H为靶面高度;β为探测电路的总放大倍数。

光幕靶的探测灵敏度可以非常直观地反映出系统的探测性能,因此通常将其作为衡量光幕靶性能的重要参考依据。

4激光光幕靶探测灵敏度分析

为了说明式(6)中激光光能对探测灵敏度的影响情况,需要分析阵列激光器形成的探测光幕在光电探测器感光面上的光能分布情况。

当线激光器LD的水平发散角为αs,垂直发散角为βv,根据光度学可知在距离激光器y处激光光强的理想分布为

(7)

其中:P为线激光器的出瞳功率;A为激光光强在光敏面上的分布面积。

由式(7)可以看出,由于激光的垂直发散角比可见光LED的垂直发散角小得多,因此在离光源相同距离的情况下,激光光强远大于可见光LED的光强。

为了保证系统的一致性,设所有线激光器的发散角一致,由于阵列线激光器中的各个线激光器单元都是独立的光源,不同的线激光器发出的激光互不影响,因此对于多个线激光器所形成的探测光幕在整个靶面内的光强分布情况而言,可以将每个线激光器的光强分布线性叠加。

靶面内任意一点的光强大小不仅与该点到线激光器的垂直距离有关,还与线激光器的光强在该点处叠加的数目有关。在靶面结构确定的情况下,靶面内任意一点的光强随着到光源的距离越近以及线激光器的光强在此处叠加的越多,呈现逐渐增大的趋势。其中位于靶面两侧边缘的区域,由于仅有一个线激光器形成其探测光幕,因此其激光光强最弱,即该区域的探测灵敏度最小,通常用其表征光幕靶系统的探测灵敏度。在式(7)建立了靶面内光强分布的基础上,综合式(6)可得系统探测灵敏度表达式如下:

(8)

由式(8)可知,影响激光靶探测灵敏度的因素很多。在靶面结构确定以后,则靶面高度H和线激光的水平发散角βv也随之确定下来。由于线激光垂直发散角αs非常小,因此激光靶的探测灵敏度要远高于使用可见光LED作为光源的光幕靶。而硅光电探测器的光电转化能力δd在近红外波段相差无几。可以通过提高线激光器的功率P、增大光阑狭缝宽度b以及提高探测电路的放大倍数β等手段来提高系统的探测灵敏度。

虽然理论上可以通过将狭缝的宽度调大来获取更高的探测灵敏度,但同时由于其额外引入了较多的背景噪声,降低了系统的信噪比;并且由于光电探测器的输出信号中存在热噪声和散粒噪声等白噪声,在提高电路放大倍数的同时会将此白噪声的幅值放大,因此需要保证在系统有较高的信噪比时才可适当提高探测电路的放大倍数,因此实际测试中通常采取提高激光器功率这种措施来提高系统探测灵敏度。

5计算与实验分析

5.1可见光LED与线激光器光强对比分析

设可见光LED的垂直发散角为30°,线激光器的垂直发散角为8°,根据式(7)可知二者光强的理想分布如图3所示。

图3　可见光LED和激光光强分布

可以看出可见光LED和线激光器的光强大小均随着到光源距离的增大而迅速减小;但在到光源相同距离的情况下,激光光强远大于可见光LED光强,激光的光强要比理想光源的光强按距离的平方衰减缓慢得多。因此利用激光构建光幕靶的光源可以实现较大的探测靶面。

5.2激光光幕靶探测灵敏度计算与分析

激光光幕靶的探测靶面示意如图2所示,线激光器的出瞳功率为5mV,选用IGA020型InGaAs PIN光电探测器,其响应近红外波段波长激光的光电转换能力为0.9A/W。选用的光电探测器可探测到的最小光照度为800Lux,设探测电路的总放大倍数为1×105倍,则根据式(8)可得光阑狭缝宽度与激光器功率对系统探测灵敏度的影响情况如下所示。

由图4可知,随着激光器功率和光阑狭缝宽度的增加,系统探测灵敏度逐渐增大。虽然增大光阑狭缝的宽度可以增加靶面的探测灵敏度,但与此同时将引入环境光等噪声,这非常不利于最终的目标信号识别,因此不将其作为提高探测灵敏度的手段。当线激光器的出瞳功率为10mV且光阑狭缝的宽度为0.1mm时,根据式(8)可求得激光光幕靶的探测灵敏度可以达到800。

图4　光幕靶系统探测灵敏度

5.3实验

为了验证前文提到的理论分析部分,设计一个四幕激光光幕靶的原理样机进行实验。激光靶的靶面大小为1.5m*1.5m,光幕Ⅰ与光幕Ⅳ之间的距离为1.5m。表1和表2分别为利用气枪弹对LED光源的光幕靶和激光光幕靶的靶面内不同区域时进行测试时,光幕Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相应探测电路输出的过靶信号幅值情况。

表1　LED光源光幕靶测试数据

表2　激光光幕靶测试数据

从表1和表2的对比情况可知,对于同一测试目标,激光光幕靶输出的目标过靶信号幅值高于传统光幕靶输出的目标过靶信号幅值。同时可以看出,当目标经过靶面内中心位置时,过靶信号幅值最高,对应靶面内探测灵敏度也最高;位于靶面两侧的边缘位置只有较少的激光光幕叠加,因此目标过靶信号幅值最小,对应的探测灵敏度也最小。其中光幕Ⅲ由于是倾斜放置,其目标过靶信号幅值和探测灵敏度要小于其它光幕。

通过实验分析可知,所设计的激光光幕靶输出的目标过靶信号幅值较高,反映出系统的探测灵敏度较高;即使在靶面内性能最差的边缘位置进行实验,其探测电路输出的目标过靶信号幅值也远高于以LED作为光源的光幕靶。实验结果很好地验证了前文理论分析的合理性。

6结语

本文提出利用红外激光作为光幕靶发射光源,消除了LED可见光作为光源时环境光等杂散光对光幕靶的干扰,给出了线激光器数量对靶面探测盲区面积的影响情况,建立了激光光幕靶探测灵敏度模型,并说明了提高激光光幕靶探测灵敏度的一些措施。通过实验分析了靶面内探测灵敏度的分布情况,验证了理论分析的合理性。本文对激光光幕靶探测灵敏度模型的研究与建立,为实际中激光光幕靶的设计提供了理论基础和指导意义。

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中图分类号TP181

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.010

作者简介:高巍,男,硕士研究生,研究方向:光电探测与识别。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月27日.