基于紅外掃描監(jiān)控技術的激光監(jiān)聽檢測設備

徐 明，趙曉葉，田亞慧，倪 屹

（江南大學 物聯(lián)網工程學院，江蘇 無錫 214122）

隨著激光、紅外技術的不斷發(fā)展，以及光電偵察、預警和防護系統(tǒng)的廣泛應用。近年來，光電對抗已經成為發(fā)展最快、最引人注目的技術領域之一，它的基本目標是如何實現(xiàn)對放置在一定距離的光電設備（如激光測距儀、熱像儀以及激光、紅外、電視制導系統(tǒng)等）進行快速、精確的定位，從而進一步對抗這些光電設備。這些光電設備的一個公共特性就是其光學元件對入射光具有很強的與原光路平行反射的特性，通常比漫反射目標的回波強102～104倍，這種特性俗稱“貓眼”效應[1]。

激光監(jiān)聽檢測技術正是利用光學元件的貓眼效應，通過發(fā)射激光束對光電系統(tǒng)和光學觀瞄設備進行掃描和識別，從而實現(xiàn)對具有完整光學系統(tǒng)的監(jiān)聽設備進行檢測。另外，這種利用貓眼效應的主動式偵察原理和技術在反恐和軍事偵察中也有重要實用前景。

1 系統(tǒng)總體方案

該設備是基于“貓眼效應”以及主動成像技術的反激光監(jiān)聽設備，具有全天候成像、自動巡航、圖像處理、以及語音和圖像預警等功能。具體工作原理如圖1所示。

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

圖1 總體技術方案Fig.1 Overall technical scheme

1）光檢測系統(tǒng)

圖2為光檢測系統(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算顯示單元組成。其中，激光發(fā)射單元由半導體激光發(fā)射器和光學系統(tǒng)組成；激光接收單元由光電探測器和光學接收系統(tǒng)組成；計算顯示單元由圖像處理和報警顯示兩部分組成。

激光發(fā)射器在驅動電路的控制下對劃定區(qū)域進行激光掃描；對方光學鏡頭反射的激光信號由接收光學系統(tǒng)匯聚到光電探測器（CCD）中，經CCD把光信號轉換為電信號后由專門的視頻服務器輸出到計算機中進行圖像處理，并將處理后的結果顯示在監(jiān)控畫面中，當畫面中出現(xiàn)監(jiān)聽設備時由報警子系統(tǒng)完成報警功能。

圖2 光檢測系統(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)中采用速度可調節(jié)云臺進行左右以及俯仰掃描，在光檢測系統(tǒng)未報警情況下，云臺進行自動掃描；當出現(xiàn)可疑目標時，光檢測系統(tǒng)給云臺提供檢測信號，通過掃描機構反饋數(shù)據(jù)，可確定系統(tǒng)工作的方位角，從而確認可疑目標的具體位置。

3）報警系統(tǒng)

在光檢測系統(tǒng)檢測到可疑目標后，通過輸出傳輸以及語音驅動使警示燈閃爍以及擴音器報警。

2 原理及硬件設計

2.1 “貓眼”效應及激光主動檢測原理

激光主動檢測就是利用監(jiān)聽設備中光學系統(tǒng)的反射特性進行的檢測，即向目標區(qū)域發(fā)射激光，通過對反射回波的分析識別目標。激光主動檢測主要基于光學系統(tǒng)存在的“貓眼”效應[2]。形成“貓眼”效應的條件：一是目標必須是完整的光學系統(tǒng)，具有一定的光學增益并在焦平面附近有反射物；二是探測激光必須進入目標視場；三是光電探測器的光譜響應半徑與激光波頻率匹配。其原理如圖3所示。

圖3 光學鏡頭"貓眼"效應原理圖Fig.3 The principle diagram of the optical lens"cat's eye"effect

激光照射在目標上時，如果激光的輻射通量為θr，則受照目標的輻射強度為：

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上時ρ=0.05，Ω=π。激光照射在“貓眼”目標上時 ρ=0.5，Ω=0.02 rad。

代入（1）則有：

式中，I0為“貓眼”目標的輻射強度，IM為普通目標的輻射強度。由此不難看出，具有“貓眼”效應的目標，其輻射強度比普通均勻漫反射目標的輻射強度高3個數(shù)量級以上。因此在理論上，利用貓眼效應可以使檢測出光學鏡片與普通環(huán)境的區(qū)別[3]。

2.2 硬件設計

本方案選擇OSRAM公司出品的一款紅光波段（900 nm）的半導體激光器SPLLL90作為激光發(fā)射器，其突出優(yōu)點是功率較高。內部結構如圖4所示。

圖4 半導體激光器內部示意圖Fig.4 Semiconductor laser internal schematic diagram

本項目在激光器的驅動電路中采用限流、穩(wěn)流、延時軟啟動等措施來實現(xiàn)防止電流或靜電荷浪涌的沖擊，從而對驅動電源進行保護。

具體的激光驅動原理圖如圖5所示。

圖5 激光驅動原理圖Fig.5 The principle diagram of the laser driver

3 軟件設計

3.1 掃描報警系統(tǒng)

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

3.2 圖像處理

為了適應智能化激光監(jiān)聽檢測系統(tǒng)的要求，提出了借助視頻監(jiān)控裝置拍攝圖像，利用圖像處理技術自動獲取不同光強的圖像邊界。初步判定有可能有激光監(jiān)聽設備的位置。當反射激光在某些位置超出規(guī)定閾值安全范圍時.自動進行報警并且采取相應措施，從而保證了場所安全，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 關鍵技術

4.1 如何提高系統(tǒng)信噪比問題

由于系統(tǒng)工作在白天，在有陽光的戶外，環(huán)境照度可達上千勒克斯，而如果激光照射照度遠小于環(huán)境激光時，會影響系統(tǒng)檢測正確率，因此需要對激光以及成像系統(tǒng)進行處理，可使系統(tǒng)全天候進行檢測[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見方的范圍處理為帶狀光，因此同樣功率激光，單位面積內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，同時不影響系統(tǒng)檢測速度[5]。具體方案如圖8所示，在系統(tǒng)中，通過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，然后再通過柱透鏡對輸出激光進行準直，即可輸出線狀光斑。其二，在成像系統(tǒng)前加濾波器，只有激光波長范圍內的激光可以進入成像系統(tǒng)，其余光均被濾除（如圖9）。如濾光器的波長為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，太陽光的能量分布相對較少，通過濾波可以最大的提高系統(tǒng)性噪比，同時激光器件比較普及）。

圖8 線狀激光輸出光學系統(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題

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

本系統(tǒng)對輸出的激光進行光纖耦合，而耦合光纖纏繞在圓柱形PZT上，對PZT施加高頻調制信號，其調制頻率遠遠大于CCD圖像取樣頻率（20幀/秒），由于PZT調制是激光在光纖中行進路線進行改變，可以實現(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的速度卻遠小于這變換速率，因此設計出了相對于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)對可疑目標位置精度確認

當激光語音獲取設備檢測檢測到目標時，由于環(huán)境目標都為窗戶，具有同質性，如何在同質性的環(huán)境中確認可疑目標以及為排查可疑目標提供精確數(shù)據(jù)。

在激光監(jiān)聽檢測系統(tǒng)中，激光檢測設備安裝在云臺上，而云臺通過程序可按一定軌跡運行，在云臺運行過程中，記錄其運行軌跡，得出系統(tǒng)方位角，而通過方位角就可確定系統(tǒng)采集圖像的具體位置，從而可以確定出報警時的目標地點[6]。

5 結 論

本項目主要是基于紅外掃描監(jiān)控技術，利用“貓眼效應”實現(xiàn)對激光監(jiān)聽設備的檢測，半導體激光二極管在驅動電路的作用下產生一束近紅外激光，然后通過準直整形、光束調整等處理后由專門的激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射出準線狀紅外激光，當照射到激光監(jiān)聽設備后，由于“貓眼效應”的存在，使得激光監(jiān)聽設備的反射激光能量會顯著大于背景信號，因此進入CCD成像器件的反射信號在形成圖像時，就可通過信號強度的對比檢測出激光監(jiān)聽設備。本系統(tǒng)具有背景反差好、探測距離遠、成像清晰度高、強光抑制效果好，實用性強等優(yōu)點，可用于國家安全部門、警用部門、機密會議場所的反監(jiān)聽領域，或者軍用領域反狙擊手。

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

[2]趙延仲，孫華燕，宋豐華，等.貓眼效應用于激光主動探測技術的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J].中國激光，2010，47:102802.

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

[4]王小謨，張光義.雷達與探測——信息化戰(zhàn)爭的火眼金睛[M].北京：國防工業(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.