基于投影面積分析算法的激光方向測(cè)量系統(tǒng)

張麗

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

基于投影面積分析算法的激光方向測(cè)量系統(tǒng)

張麗

（山西大同大學(xué)物理與電子科學(xué)學(xué)院，山西大同 037009）

在激光預(yù)警系統(tǒng)中，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)在各個(gè)方向的入射激光，同時(shí)，保證較高的激光入射方向角分辨率，設(shè)計(jì)了基于投影面積分析算法的激光方向測(cè)量系統(tǒng)。系統(tǒng)光學(xué)部分由幾何尺寸已定的遮光模塊和面陣CCD探測(cè)器組成，當(dāng)激光入射系統(tǒng)時(shí)，由于遮光模塊的存在，會(huì)在面陣CCD探測(cè)器上產(chǎn)生陰影，通過(guò)計(jì)算分析陰影的面積即可反演入射激光的方向。通過(guò)仿真計(jì)算可知，在要求最小分辨角度為1°時(shí)，對(duì)應(yīng)的面積變化遠(yuǎn)小于CCD探測(cè)器的分辨能力。實(shí)驗(yàn)采用660 nm激光器、IA-D9-5000型面陣CCD探測(cè)器、旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，入射激光在各種條件下旋轉(zhuǎn)1°在四個(gè)象限區(qū)域內(nèi)，所形成的投影面積各不相同，通過(guò)投影面積分析算法可以反演入射激光的方向。

激光預(yù)警；激光方向測(cè)量；投影面積分析算法；面陣CCD探測(cè)器

激光方向測(cè)量的應(yīng)用非常廣泛，尤其在軍事方面的應(yīng)用，如激光測(cè)距、激光制導(dǎo)、激光預(yù)警系統(tǒng)等，激光預(yù)警系統(tǒng)中對(duì)激光方向的測(cè)量是必不可少的，衡量其性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)包括激光方向的角分辨率、測(cè)試系統(tǒng)的穩(wěn)定性、測(cè)試系統(tǒng)的集成度等[1-3]。

目前，激光預(yù)警系統(tǒng)中主要的方向測(cè)量方法[4-5]有：多窗口探測(cè)法、成像法、光纖法和掩模編碼法。多窗口探測(cè)法[6]通過(guò)不同窗口接收不同方向的激光，每條光學(xué)通道判斷一個(gè)方向的激光實(shí)現(xiàn)激光方向測(cè)量，這種方法原理簡(jiǎn)單，但光學(xué)系統(tǒng)易損，同時(shí)由于系統(tǒng)尺寸的緣故，激光方向角分辨率低。成像法[7]采用多個(gè)面陣探測(cè)器成像判斷，反應(yīng)速度慢，同時(shí)對(duì)多個(gè)探測(cè)的協(xié)調(diào)配合要求高；光纖法[8]采用多組光纖分別接收不同方向的激光，角分辨率可以做的很高，但是其信號(hào)處理速度要求很快，體積大，設(shè)備維護(hù)比較困難；掩模編碼法[9]易受大氣影響，且測(cè)量角度有限。

綜上所述，設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)高角分辨率、高穩(wěn)定性、高集成度的激光方向測(cè)量系統(tǒng)是激光預(yù)警系統(tǒng)的發(fā)展方向[10]。本系統(tǒng)采用遮光模塊和面陣CCD探測(cè)器結(jié)合的方式，具有結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。通過(guò)設(shè)計(jì)投影面積分析算法提高角分辨能力。在實(shí)際應(yīng)用中，具有實(shí)際意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 基本原理

圖1 基于投影面積影分析分析算法的激光方向測(cè)量系統(tǒng)

由于激光從遠(yuǎn)方照射來(lái)可以看作是平行光，所以當(dāng)激光照射在遮光模塊上時(shí)，在面陣CCD探測(cè)器的光敏面上會(huì)產(chǎn)生固定的投影。對(duì)于某一角度的入射激光有其唯一的投影面積，在4個(gè)區(qū)域產(chǎn)生的面積可以反演激光的入射方向。

系統(tǒng)原理圖如圖1所示，激光入射到有遮光模塊的面陣CCD探測(cè)器，由面陣CCD探測(cè)器采集的圖像信息通過(guò)濾波預(yù)處理將低頻噪聲消除。將4個(gè)區(qū)域的投影面積傳給處理器，處理器通過(guò)投影面積分析算法找到與探測(cè)數(shù)據(jù)匹配的數(shù)據(jù)，從而反演激光入射的方向。最終，通過(guò)反演得到的激光方向信息通過(guò)顯示器觀察，可以達(dá)到激光預(yù)警的要求。

1.2 激光入射方向與投影面積的函數(shù)關(guān)系

通過(guò)對(duì)任意角度入射的激光進(jìn)行分析，可知在四個(gè)區(qū)域內(nèi)的面積與激光的入射方向成唯一的函數(shù)關(guān)系。

2 仿真計(jì)算

圖2 遮光模塊的幾何結(jié)構(gòu)圖

為了確保當(dāng)激光入射角度改變1°時(shí)對(duì)應(yīng)的投影面積變化可以被探測(cè)到，也就是通過(guò)投影面積分析激光角度的可行性，需要計(jì)算仿真當(dāng)任意角度（α，β）變?yōu)椋é痢馈鳓?，β±△θ）時(shí)，對(duì)應(yīng)的4個(gè)區(qū)域的面積改變量。

圖3 面積差函數(shù)仿真圖

如圖2所示，遮光板的高度為h，探測(cè)器光敏面為正方形，邊長(zhǎng)為a激光從任意方向入射，入射光線在xoy平面的垂直分量與x軸夾角為α，入射光線與xoy平面的夾角為β，則通過(guò)（α，β）可以唯一的確定激光的入射方向。設(shè)區(qū)域AOBO′為區(qū)域1、區(qū)域BOCO′為區(qū)域2、區(qū)域CODO′為區(qū)域3、區(qū)域DOAO′為區(qū)域4。當(dāng)激光照射在遮光模塊上，在4個(gè)區(qū)域分別產(chǎn)生不同的投影面積。

1）區(qū)域1（AOBO′）

由仿真數(shù)據(jù)圖可知，激光入射角度除了在幾個(gè)特殊的點(diǎn)上存在突變的面積差，其余的變化都是連續(xù)平緩的。當(dāng)代入改變1°空間角對(duì)應(yīng)（α，β）時(shí)，面積差函數(shù)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對(duì)于普通面陣CCD探測(cè)器而言，單個(gè)像元尺寸在12 um左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于CCD面積相應(yīng)的要求，所以采用面積變化反演激光入射角度是可行的。

2）區(qū)域2（BOCO′）

3）區(qū)域3（CODO′）

3 實(shí)驗(yàn)

在自然光的背景條件下，采用IA-D9-5000型面陣CCD探測(cè)器，激光采用660 nm半導(dǎo)體激光器，激光光源放置在精度為1°的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，在系統(tǒng)遮光模塊中a=20mm，θ=30°。

由于激光入射主要可以分為α為0°、α從0°到45°之間的任意角度（這里我們采用25°）、α為45°和α從45°到90°（這里我們選用60°）。所有其他角度都是基于這四種α角度變化之上的，即周期變化的。所有在此基礎(chǔ)上，確定β的變化范圍即可將這個(gè)平面上的入射激光全部找出。β從0°到（30°）之間的一個(gè)角度、β=30°和β從30°到90°之間的一個(gè)角度（這里為選65°）。每種角度對(duì)應(yīng)的投影面積如表1 所示。

表1 激光從不同方向入射時(shí)對(duì)應(yīng)四個(gè)區(qū)域的投影面積值

由表1中的數(shù)據(jù)可知，當(dāng)入射角度進(jìn)一步變化時(shí)，實(shí)際上投影面積會(huì)循環(huán)變化，以被完全照射區(qū)域（投影面積為0）和完全不被照射區(qū)域（投影面積為100 mm2）的為例，可以明顯看出數(shù)據(jù)的循環(huán)。其他數(shù)據(jù)介于0-100 mm2之間，具體數(shù)值通過(guò)1.2中的投影面積與角度函數(shù)關(guān)系可以計(jì)算得到。當(dāng)入射激光空間角改變1°時(shí)，投影面積也發(fā)生相應(yīng)的改變，改變量與IA-D9-5000型面陣CCD探測(cè)器單個(gè)像素尺寸相比大得多，所以可以有效識(shí)別由于角度變化造成的投影面積改變。

4 結(jié)論

本文利用激光入射角度與固定遮光模塊尺寸產(chǎn)生的投影面積之間存在唯一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)計(jì)算分析4個(gè)區(qū)域的投影面積反演激光的入射方向，角分辨率達(dá)到1°。設(shè)計(jì)了由固定尺寸的遮光模塊與面陣CCD探測(cè)器組成的光學(xué)部分，圖像數(shù)據(jù)傳給CPU，通過(guò)事先分析得到的投影面積和角度的關(guān)系確定激光的入射方向。仿真分析可知，任意方向產(chǎn)生的面積差變化量遠(yuǎn)小于面陣CCD探測(cè)器可分辨的面積量。實(shí)驗(yàn)通過(guò)精度為1°的旋轉(zhuǎn)平臺(tái)確定激光轉(zhuǎn)過(guò)的角度，再通過(guò)對(duì)激光照射得到的投影面積分析，確定了本設(shè)計(jì)完全滿足最小識(shí)別角度1°的全視場(chǎng)激光方向探測(cè)的要求。

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〔責(zé)任編輯 李?！?/p>

Laser Direction M easurement System b ased on the Projected Area Analysis Algorithm

ZHANG Li
（School of Physics and Electronics Science，Shanxi Datong University，Datong Shanxi，037009）

In t he laser warning system，in order to realize real-timemonitoring in all directions of the incident laser，and at the same time，ensure a high laser incident direction angular resolution，we designed the laser direction measurement systems with the projected area analysis algorithm.The system is composed of shadingmodule and area CCD.When the laser incident s system，the shadow will be generated on the area CCD detector by the presence of shadingmodule.The system can calculate the analysis of the shadow area to inversion in the direction of the incident laser.The simulation shows the required minimum resolution angle of 1°，corresponding to the area of change ismuch smaller than the resolution of the CCD detector.Experiment using 660 nm laser，the IA -D9-5000 area CCD detector，rotating platform，experimental data show that 1°of the incident laser rotates in a variety of conditions in the four quadrants formed by the projected area by the projected area of the analysis algorithm for the inversion of the direction of the incident laser.

laserwarning；lasers directionmeasurement；the algorithm of projected area；area CCD detector

TN247

A

1674-0874（2012）03-0023-03

2012-03-15

國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題[2009BAK53B01]；山西省高?？萍奸_(kāi)發(fā)項(xiàng)目[200811041]

張麗（1977-），女，山西翼城人，碩士，講師，研究方向：信號(hào)處理、光電檢測(cè)。