曹俊卿，赵冬娥，2，王志斌，2，张敏娟，张 瑞，韩 枫

(1．中北大学 山西省光电信息与仪器工程技术研究中心，山西 太原030051;2．中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

1 引言

在现代战争中，激光精确制导武器和激光探测设备已经广泛使用，这些武器对我军的重要设施造成了严重的威胁。激光告警系统是被动探测、截获来袭激光，获取激光的波长、方位角、俯仰角等参数信息，并发出告警的光电设备［1－2］。因此研制高效能的激光告警设备对我军的现代化建设有重要的意义。

激光告警系统根据其工作原理主要可以分为光谱探测型、成像探测型、相干探测型、全息探测型等几种类型［3－5］。光谱探测型激光告警系统是所有类型中最简单和最常用的一种，采用与被测激光波长相匹配的光电探测器，缺点是不能探测多波段的激光。相干探测型激光告警系统是依据光干涉原理设计的，角度分辨率高，但光学系统比较复杂。全息探测型激光告警系统采用全系透镜代替干涉仪，其优点是体积小、重量轻，缺点是衍射效率低。成像型激光告警器是当前激光告警技术发展的主流，但是不能测量激光的波长［6］。而光栅衍射型激光告警系统是利用光栅的多缝衍射和干涉原理，能有效探测多波段的激光的特征信息，空间分辨率较高。因此，本文选采用栅衍射型激光告警系统。

2 光栅衍射型激光告警系统的工作原理

光栅衍射型激光告警系统的基本工作原理就是光栅衍射原理，如图1所示。

图1 光栅衍射原理图

当激光以入射角α，经过正弦光栅发生衍射，形成零级和一级衍射光斑，经过透镜在面阵焦平面探测器上成像。根据零级衍射光斑和一级衍射光斑的中心及其相对位置，就可以计算来袭激光的波长和方位角［7－10］。

光栅衍射方程:

根据光栅衍射原理［11－12］:被测激光方位角α角、γ角和波长λ的结果为:

式中，x0为零级衍射光斑的中心;x1为一级衍射光斑的中心。因此，根据上述公式，即可计算出激光的波长和方位角。

3 激光告警系统的设计

由于激光告警应用的特殊情况，需要能够实时对来袭激光进行告警，因此对激光告警系统的实时数据采集和图像处理提出了比较高的要求。本文设计的激光告警系统主要采用FPGA+DSP的结构，利用FPGA实现面阵探测器的驱动控制、数据的采集，利用DSP较强的数据处理能力实现图像数据的处理，二者通过EMIF接口方式通信，并行工作，实现对激光图像的高速采集与处理。

本文设计的硬件电路如图2所示。

图2 硬件电路

系统采用的探测器为InGaAs320×256面阵焦平面阵列探测器，该探测器的有效探测范围是0．8～1．7μm，灵敏度为1 mW/cm2，阵列配置为320×256，像元大小为30μm×30μm，最大帧频为每秒60帧。光栅采用正弦光栅，主要是因为激光通过正弦光栅形成零级和一级衍射光斑，其中零级衍射光斑相对一级光斑的光强较强，便于对图像信号进行处理。

DSP采用TI公司的TMS320C6713芯片，该DSP是一款具有高速浮点运算能力的TI 6000系列的芯片，最高运算速度达到1350 MIPS，内部具有256 k-Byte的空间。系统运行时，探测器信号经ADC转换后先送到FPGA，通过FPGA内部开辟两个FIFO来缓存数据，对两个FIFO中的数据进行乒乓操作，分别进行存储数据和往DSP中传输数据，在DSP内部分配两块地址，分别存储两个FIFO的数据，DSP在处理一幅图像数据的时候，FPGA往另一块地址上传输数据，两者交替进行，实现对信号的实时处理。其中AD采用的是ADI公司的AD9220，是一个12位的高速模拟数字转换器，最高的采样频率为10 MSPS，满足实时性的要求。

4 激光告警图像处理算法研究

激光告警的图像处理部分主要包括图像的预处理、激光波长及方位角的识别两个部分。

4．1 图像预处理部分

目前红外监视告警系统中弱小目标的成像主要体有以下几个方面的特点:①目标尺寸太小。②信号弱，信杂比和对比度低。③背景复杂，干扰大。针对这些特点，采用直方图均衡化方法提高图像对比度。直方图均衡的作用是改变图像中的灰度概率分布，使其均匀化。均衡化过程中，必须要保证两个条件:①像素无论怎么映射，要保证原来的大小关系不变;②如果是八位图像，那么像素映射函数的值域应在0和255之间。综合以上两个条件，选择累积分布函数，因为累积分布函数是单调增函数，并且值域是0～1。其映射方法是:

其中，k=0，1，…L－1，n是图像中像素的总和;nk是当前灰度级的像素个数，L是图像中可能的灰度级总数。

4．2 激光波长及方位角的识别部分

激光波长及方位角的识别流程如图3所示。

图3 图像处理流程

激光波长及方位角的识别算法的思路主要分下面两个部分。

(1)光斑中心纵坐标的确定:设定适当的阈值，统计图像的行像素信息，获取衍射光斑中心点的纵坐标y。

(2)光斑中心横坐标的确定，对光斑中心所在的行进行扫描，获取该行的像素点的信息。在光斑强度未饱和时，由于采用的是正弦光栅，光强最大值即为零级衍射斑的中心。然后设定阈值，从零级中心向两边统计，分别得到左右两边两个峰值点，即为两个一级衍射斑的中心。在光强饱和的时候，设定阈值，对光斑中心所在的行进行二值化，获取三个光斑的区域，保存到不同的数组中，各个光斑左右边界的中心即为光斑的横坐标。

在获取各个光斑的横纵坐标之后，还需要根据正弦光栅激光衍射的一些特征来判定是否存在来袭激光，以降低虚警率。主要有:①由于采用的是正弦光栅，激光的衍射光斑中零级衍射点的光斑强度最大，并且根据光栅的衍射效率，零级与一级衍射光斑的像素峰值之比在特定的范围内;②零级中心点分别到正负一级衍射斑的中心点的距离基本相等。根据这两个条件来判断是否具有激光入射。若条件判定不存在，继续对获取的图像进行处理。若条件判定存在，代入公式(2)、(3)、(4)即可计算出入射激光的方位角α，衍射角γ和波长λ，将结果显示在液晶屏上，并驱动蜂鸣器进行声音报警。

5 实验结果分析

根据上述设计搭建的实验平台如图4所示。

图4 实验平台

采用1310 nm的激光器入射，采集到的激光衍射图如图5所示。

图5 设备采集到的图像

调整激光器，从不同的角度入射，利用DSP计算得到的实验数据如表1所示。

实验结果表明，该算法能够实现对来袭激光的预警，并得出激光的波长及方位角，激光波长的计算误差小于10 nm，方位角小于2°。

表1 1310 nm激光实验数据

6 结论

随着科技的发展，激光武器的应用也越来越多，对激光告警技术的探测精度也越来越高。本文设计了基于DSP+FPGA的光栅衍射型激光告警系统，采用面阵探测器，实现了对来袭激光的实时探测和预警，波长精度小于10 nm，方位角精度小于2°，满足了实时性小型化的要求。

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