基于FPGA的雙目高精度寬波段激光告警系統(tǒng)

張卓奇，張 瑞，牛家麒，王志斌

(1.中北大學(xué) 儀器與電子學(xué)院，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，太原 030051；3.中北大學(xué) 前沿交叉科學(xué)研究院，太原 030051)

0 引言

激光技術(shù)作為光電探測領(lǐng)域的重要分支，憑借其響應(yīng)快，功率大，應(yīng)用面廣的特點(diǎn)，在軍事領(lǐng)域中已經(jīng)得到飛速的發(fā)展。20世紀(jì)以來，激光追蹤、激光制導(dǎo)、激光雷達(dá)和激光作戰(zhàn)衛(wèi)星等激光武器已經(jīng)相繼應(yīng)用到戰(zhàn)場之中，激光武器已經(jīng)成為各個(gè)國家軍隊(duì)競賽的重要領(lǐng)域。因此，為了應(yīng)對(duì)國際上日益嚴(yán)重的激光威脅，各國都在大力發(fā)展激光告警技術(shù)。激光告警系統(tǒng)是一種可以測得來襲激光方位角、俯仰角、光功率和波長等參數(shù)的軍用告警設(shè)備，其可以對(duì)敵軍武器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測和反偵察，也可以對(duì)我方的激光設(shè)備進(jìn)行定期的精度和性能檢測[1]。目前，激光告警系統(tǒng)主要裝配在衛(wèi)星雷達(dá)上，星載激光告警系統(tǒng)安裝在易于受到反衛(wèi)星激光武器攻擊的部位，告警信號(hào)由星上數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)快速分析與處理，判斷激光武器的威脅程度，發(fā)送給衛(wèi)星防護(hù)體系，并采取信號(hào)干擾、攔截和破壞等操作進(jìn)行防御[2]。

現(xiàn)有的激光告警技術(shù)按成像原理主要分為散射探測型、光譜識(shí)別型和光柵衍射型[3]。散射探測型的激光告警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低，但是只能探測固定波長的激光，并且角度分辨率低；光譜識(shí)別型激光告警系統(tǒng)可以探測多波段的激光，但是其衍射效率低，角度分辨率低，并且搭建儀器較為復(fù)雜，成本較高；光柵衍射型激光告警系統(tǒng)憑借其測量精度高，探測波段廣和制作成本低的優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)逐步將散射探測型和光譜識(shí)別型激光告警系統(tǒng)取代[4]。自從各國開始發(fā)展激光告警技術(shù)以來，激光告警系統(tǒng)逐漸朝著多波段，大視場范圍和高精度的方向發(fā)展[5]。20世紀(jì)80年代初期，英國BAE公司研制的1220型激光告警機(jī)器，其探測光譜接受范圍達(dá)到0.35～1.1 μm，俯仰角水平范圍達(dá)到了-15～+40°，方位角水平范圍達(dá)到了360°，測量角度分辨率為10°左右[6]。1998年，中國信陽空軍第一航空學(xué)院基于CCD線陣探測器，研制了國內(nèi)第一臺(tái)激光告警機(jī)器，其角度分辨率達(dá)到1.5°，并且單個(gè)探測器的方位角視場范圍達(dá)到120°。2010年，合肥電子工程學(xué)院設(shè)計(jì)出FPGA+DSP的激光告警裝備，具有寬波段探測波長范圍的優(yōu)點(diǎn)。近幾年，中北大學(xué)光電信息研究中心使用了面陣CCD探測器，解決了國內(nèi)不能對(duì)俯仰角測量的問題，并且方位角視場范圍達(dá)到±45°，俯仰角視場范圍達(dá)到±35°，角度分辨率達(dá)到0.5°，自此國內(nèi)激光告警技術(shù)逐漸走向成熟[7-10]。

隨著激光技術(shù)在基本理論和材料工藝等方面的成熟，各國對(duì)激光告警的測量精度要求日益嚴(yán)格，傳統(tǒng)的激光告警系統(tǒng)已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的需求。光斑中心提取的準(zhǔn)確與否決定了激光告警系統(tǒng)測量精度的好壞[11]。但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于探測器工藝生產(chǎn)過程中不可避免的缺陷與激光告警機(jī)器工作環(huán)境的復(fù)雜性，激光告警系統(tǒng)探測器的成像往往有噪點(diǎn)和非目標(biāo)因素的干擾，這些干擾直接影響到光斑中心提取的準(zhǔn)確性，進(jìn)而影響到激光告警系統(tǒng)的測量精度，所以有效去除噪點(diǎn)和非目標(biāo)因素的干擾，對(duì)激光告警系統(tǒng)測量的準(zhǔn)確性至關(guān)重要[12-14]。

近年來常見的目標(biāo)分割方法主要有：1)最大熵閾值分割，該方法是在保持圖像均勻性的前提下，尋找最優(yōu)的閾值來分割圖像的方法，但是該方法對(duì)噪聲比較敏感且計(jì)算量比較大，在激光告警系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用過程中不易分割出光斑與噪點(diǎn)[15]，不適于光柵衍射型激光告警系統(tǒng)的成像特性；2)迭代閾值法，該方法是根據(jù)給定的閾值對(duì)圖像進(jìn)行二值化處理，不斷調(diào)整閾值，直到最合適的圖像位置，但是的計(jì)算速度較慢，不滿足于激光告警的系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求[16]；3)邊緣檢測法，該方法主要是通過一階導(dǎo)數(shù)算子或者二階導(dǎo)數(shù)算子對(duì)圖像做卷積來提取圖像的邊緣信息，該算法邊緣檢測較準(zhǔn)，對(duì)噪聲比較敏感，但是閾值的大小需要自己設(shè)定，自適應(yīng)能力較差，不適用于激光告警系統(tǒng)工作時(shí)復(fù)雜變化的環(huán)境[17]。Otsu閾值分割算法具有自動(dòng)選取閾值，處理速度快和適用范圍廣的優(yōu)點(diǎn)。該算法不需要人工干預(yù)，在計(jì)算類間方差時(shí)，只需要計(jì)算一次灰度直方圖，并且適用于各種復(fù)雜變換的環(huán)境。因此，Otsu算法滿足高精度寬波段激光告警系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和復(fù)雜環(huán)境下工作的需求。

針對(duì)現(xiàn)有激光告警系統(tǒng)提取精度差，測量角度分辨率低的問題，提出了基于FPGA與改進(jìn)Otsu算法的高精度寬波段激光告警系統(tǒng)，對(duì)Otsu算法進(jìn)行了推導(dǎo)和改進(jìn)，并將改進(jìn)后的Otsu算法與探測器的成像控制相結(jié)合，有效去除了噪點(diǎn)和非目標(biāo)因素的干擾，提高了激光告警系統(tǒng)的測量精度，并將測量的來襲激光的參數(shù)通過RS422接口傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)觀看。

1 基本原理

高精度激光告警系統(tǒng)主要包括光學(xué)衍射模塊，探測器控制模塊、圖像處理模塊和數(shù)據(jù)傳輸模塊。光學(xué)衍射模塊是將來自被探測物體的光線集中到探測器芯片上，生成電信號(hào)并傳輸圖像。探測器控制模塊是通過FPGA控制探測器將光電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)。數(shù)據(jù)傳輸模塊是基于AD芯片和RS422接口構(gòu)成的通信傳輸系統(tǒng)。圖像處理模塊主要包括圖像閾值分割模塊。圖像閾值分割模塊基于Otsu算法，實(shí)現(xiàn)了自適應(yīng)閾值控制，基于計(jì)算出的閾值，對(duì)探測器采集的圖像進(jìn)行二值化處理。系統(tǒng)基于處理后的圖像，進(jìn)行光斑中心坐標(biāo)提取和角度計(jì)算。系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 激光告警原理圖

1.1 光柵衍射型激光告警測量原理

系統(tǒng)使用兩個(gè)InGaAs焦平面陣列探測器分別進(jìn)行角度的精測和粗測，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)波段為0.4～1.7 μm的可見與近紅外光探測[18-19]。粗測模塊僅僅使用了廣角鏡頭，不使用光柵，計(jì)算出的角度為激光告警系統(tǒng)提供大致的方位角和俯仰角。

(1)

其中：x粗和y粗是粗測模塊獲得的光斑中心坐標(biāo)，f粗是廣角鏡頭的焦距。α粗和γ粗是粗測計(jì)算出的方位角和俯仰角，可以確定光斑衍射的級(jí)數(shù)。

精測模塊使用寬波段大視場二維衍射光柵，利用多縫衍射原理將來襲激光根據(jù)不同的波段衍射成不同個(gè)數(shù)的光斑[20]，通過計(jì)算最靠近成像中心的光斑坐標(biāo)來計(jì)算出來襲激光的方位角和俯仰角。

(2)

其中：x精和y精是經(jīng)過寬波段二維衍射光柵衍射后離成像中心最近的光斑坐標(biāo)，f精是帶有光柵的鏡頭焦距，α精和γ精是精測計(jì)算出的方位角和俯仰角。

根據(jù)式(1)和式(2)可以計(jì)算出經(jīng)過光柵衍射后光斑的衍射級(jí)數(shù)a和b：

(3)

其中：round是四舍五入的取整函數(shù)，d為光柵常數(shù)。由式(1)～(3)可以得到來襲激光的方位角、俯仰角和波長為：

(4)

式中，α和γ是激光告警系統(tǒng)真正測出的方位角和俯仰角，λ為測得來襲激光的波長。

1.2 Otsu算法原理

Otsu算法又稱作最大類間方差法，是一種經(jīng)典的非參數(shù)，無監(jiān)督的自適應(yīng)閾值選取法，該算法是通過計(jì)算一幀圖像的灰度直方圖信息，使目標(biāo)因素和非目標(biāo)因素的方差取得最大時(shí)的像素值作為分割圖像的最佳閾值[21-22]。

傳統(tǒng)Otsu算法的基本思想是：假設(shè)一副圖像的灰度值范圍是[L0，L1]，灰度值為i，算法通過設(shè)置灰度值t把圖像分為a0和a1兩部分，則a0區(qū)域的灰度值取值范圍為[L0，t]，a1區(qū)域的灰度值取值范圍為[t+1，L1]。則a0和a1的灰度概率為：

(5)

(6)

則這兩個(gè)區(qū)域所有像素點(diǎn)的平均灰度值為：

(7)

(8)

由式(5)～(8)可得到傳統(tǒng)的a0和a1類間方差表示為：

g=w0w1(u0-u1)2

(9)

滿足式(9)取得最大時(shí)的閾值t，即為最大類間方差獲得的最佳分割閾值：

t=Arg{max(g)}，L0≤t≤L

(10)

但是傳統(tǒng)的Otsu算法計(jì)算的閾值t，只考慮到類間方差的大小，沒有考慮各類本身的內(nèi)聚性，在目標(biāo)區(qū)域和背景區(qū)域相差較大時(shí)，會(huì)導(dǎo)致圖像得不到有效的分割[23]。為了對(duì)來襲激光衍射的光斑圖進(jìn)行有效的分割，引入了類內(nèi)絕對(duì)差和類間差的比值作為閾值判別的依據(jù)，改進(jìn)后的算法公式表示為：

g=w0w1|u0-u1|

(11)

(12)

σi=σ0+σ1

(13)

則新的最佳閾值判別函數(shù)為：

(14)

滿足式(14)取得最大時(shí)的閾值t，即為改進(jìn)后的Otsu算法的最佳分割閾值。

改進(jìn)后的Otsu算法只需計(jì)算絕對(duì)值，而無需計(jì)算平方，降低了算法的復(fù)雜程度和計(jì)算量，并且采用了類內(nèi)絕對(duì)差和類間離差的比值作為判別函數(shù)，使得目標(biāo)和背景分類效果最優(yōu)的同時(shí)，目標(biāo)類內(nèi)的內(nèi)聚性也比較好，使得式(14)計(jì)算出的閾值更接近實(shí)際的最佳閾值。

2 雙目高精度激光告警系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

高精度激光告警系統(tǒng)硬件部分重點(diǎn)設(shè)計(jì)了InGaAs探測器驅(qū)動(dòng)電路、RS422串口通信電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路和FPGA控制電路。

2.1 InGaAs探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用兩個(gè)InGaAs焦平面陣列探測器分別進(jìn)行角度的精測和粗測。其中LINE1 和DATAVALID端口為探測器第一行數(shù)據(jù)有效標(biāo)志和行數(shù)據(jù)有效標(biāo)志，由探測器向FPGA輸入數(shù)據(jù)，F(xiàn)PGA通過端口的高低電平進(jìn)行處理。SERDAT為探測器的串口數(shù)據(jù)輸入端口，F(xiàn)PGA通過SPI通信協(xié)議向SERDAT端口輸入寄存器組，以此來配置探測器的積分電容，輸出通道控制和功耗控制等初始工作模式。INT為系統(tǒng)幀同步信號(hào)端口，由FPGA對(duì)端口進(jìn)行控制，F(xiàn)PGA向探測器輸入高電平時(shí)探測器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，低電平時(shí)不進(jìn)行數(shù)據(jù)處理工作，F(xiàn)PGA通過配置INT端口來配置探測器的積分讀出工作模式。MC為探測器時(shí)鐘端口，由FPGA向探測器輸入工作時(shí)鐘。VDDA和VDDA3為探測器的模擬電源，典型電壓為3.3 V。SUBPV引腳為探測器的外部輸入偏置電壓，推薦電壓為2.25～2.95 V。系統(tǒng)使TPS7A7002DDAR 電壓基準(zhǔn)芯片為SUBPV和VBLM供電。VLOG、VBP和VREF為探測器內(nèi)部產(chǎn)生電壓。

InGaAs焦平面陣列探測器的參數(shù)如表1所示，探測器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

表1 面陣探測器主要參數(shù)

圖2 InGaAs探測器驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.2 RS422串口通信電路設(shè)計(jì)

二維激光告警系統(tǒng)的接口模塊使用了RS422串口通信電路，RS422是一系列規(guī)定采用4線，全雙工，差分傳輸和多點(diǎn)通信的數(shù)據(jù)通信協(xié)議，具有傳輸速率高、傳輸速率遠(yuǎn)、不易受到干擾的特點(diǎn)[24]。電路使用了MAX3490ESA低功耗收發(fā)器，每個(gè)器件中都具有一個(gè)驅(qū)動(dòng)器和一個(gè)接收器，可以減小電磁干擾，并降低由不恰當(dāng)?shù)慕K端匹配電纜引起的反射，實(shí)現(xiàn)最高250 kbps的無差錯(cuò)數(shù)據(jù)傳輸。其原理如圖3所示，電路中MAX3490ESA收發(fā)芯片的工作電源為3.3 V，D2、D7、D8、D9、D10、D11均為瞬態(tài)抑制二極管，阻值設(shè)置為120 Ω，用于對(duì)接口的保護(hù)。

圖3 RS422串口通信電路原理圖

2.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)

激光告警系統(tǒng)具有高傳輸速度的要求，為了匹配InGaAs探測器最高8通道的模擬信號(hào)輸出，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用了型號(hào)AD9288的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，該芯片擁有最高125 Msps的采樣速率，可以滿足激光告警系統(tǒng)的傳輸要求。為了保證探測器和AD芯片傳輸時(shí)的最大效率，在電路每個(gè)接地端口均放置了去耦電容，并將其差分端口INA+、INA-和INB+、INB-探測器輸出端口相連接，以供FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取。其電路設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 AD9288模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片電路原理圖

2.4 FPGA控制電路設(shè)計(jì)

激光告警系統(tǒng)主要通過FPGA進(jìn)行探測器芯片控制、圖像處理和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)選用的FPGA控制芯片為Intel公司的EP4CE55F23I7N芯片，該芯片是一款架構(gòu)先進(jìn)、高性能、低功耗的FPGA。該芯片能夠使用的IO引腳多達(dá)374個(gè)，芯片的邏輯單元高達(dá)55 000個(gè)，片內(nèi)RAM的存儲(chǔ)容量為2 340 kbit，滿足激光告警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。FPGA控制器的輸入電壓由整機(jī)系統(tǒng)電源模塊輸出的5 V電壓提供，隨后需要將5 V電壓轉(zhuǎn)化為FPGA芯片內(nèi)部I/O口需要的數(shù)字電源電壓3.3 V、PLL鎖相環(huán)需要的模擬電源電壓2.5 V以及內(nèi)核數(shù)字電源電壓1.2 V。因此，系統(tǒng)選擇使用電壓精度芯片TLV62130完成3.3 V和1.2 V電壓轉(zhuǎn)換。FPGA控制電路如圖5所示。

圖5 FPGA控制電路

3 雙目高精度激光告警系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件部分基于EP4CE55F23型號(hào)的FPGA芯片、Quartus Ⅱ開發(fā)環(huán)境和Verilo HDL編程語言，實(shí)現(xiàn)了InGaAs探測器控制、RS422串口通信、Otsu圖像分割算法。

3.1 InGaAs探測器時(shí)序控制

FPGA芯片控制InGaAs探測器將來襲的激光信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，再通過AD芯片傳輸給FPGA處理。為了提高激光告警系統(tǒng)的采樣頻率，同時(shí)滿足實(shí)時(shí)性的要求，使探測器工作在邊積分邊讀取模式，這種工作模式下，InGaAS探測器在輸出前一幀圖像的同時(shí)，同時(shí)對(duì)當(dāng)前幀信號(hào)進(jìn)行積分處理操作，實(shí)現(xiàn)一邊積分，同時(shí)一邊讀出的功能。每個(gè)信號(hào)讀出的時(shí)間為一個(gè)時(shí)鐘周期Tmc，幀周期近似等于讀出時(shí)間，積分時(shí)間幾乎和輸出時(shí)間重疊。探測器工作流程如圖6(a)所示，其各個(gè)端口的FPGA工作時(shí)序如圖6(b)所示。

圖6 InGaAs探測器邏輯控制圖

3.2 Otsu算法圖像分割

Otsu圖像分割模塊根據(jù)式(14)計(jì)算出的結(jié)果，調(diào)整最優(yōu)閾值t，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)探測器圖像輸出的閾值控制。閾值的大小通過FPGA的Otsu模塊傳到兩個(gè)探測器的控制模塊，并根據(jù)計(jì)算出來的t，將探測器輸出的數(shù)據(jù)進(jìn)行二值化處理：灰度值大于閾值的數(shù)據(jù)設(shè)置為1，灰度值小于閾值的數(shù)據(jù)設(shè)置為0。將處理后的光斑數(shù)據(jù)傳輸給圖像處理模塊，進(jìn)行光斑中心坐標(biāo)、來襲激光俯仰角和方位角的計(jì)算。其FPGA的RTL viewer如圖7所示。

圖7 激光告警系統(tǒng)RTL視圖

3.3 RS422串口通信

基于RS422通用全雙工收發(fā)傳輸器規(guī)定的設(shè)備之間傳輸?shù)膸袷?。FPGA向上位機(jī)模擬發(fā)送了8字節(jié)進(jìn)行串口通信驗(yàn)證，發(fā)送的數(shù)據(jù)為：17 h、70 h、00 h、10 h、00 h、14 h、AAh和55 h，傳輸波特率設(shè)置為115 200波特，RS422串口通信的工作時(shí)序如圖8所示。

圖8 RS422的工作時(shí)序圖

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在上述理論研究和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，基于實(shí)驗(yàn)室的光學(xué)平臺(tái)和測試儀器，搭建的雙目高精度激光告警系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置如圖9所示。

圖9 雙目高精度寬波段激光告警實(shí)驗(yàn)圖

多波段激光器模擬523 nm、1 064 nm和1 550 nm的3種波段的來襲光源，作為激光告警系統(tǒng)測試的發(fā)射光源。高精度二維轉(zhuǎn)臺(tái)使激光告警系統(tǒng)在不同角度的光照射下，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、標(biāo)定和驗(yàn)證，并且轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)精度達(dá)到0.01°。PC上位機(jī)通過RS422接口實(shí)時(shí)檢測激光告警的測量數(shù)據(jù)。

4.1 探測器圖像采集

在合適光照強(qiáng)度的照射下，用1 064 nm波段的模擬光源照射激光告警系統(tǒng)，將探測器采集到的光斑衍射圖通過FPGA芯片和USB2.0通信協(xié)議傳輸至上位機(jī)實(shí)時(shí)觀看。采集到的光斑如圖10所示。

圖10 不同波段激光采集

從圖10中可以看出，探測器可以成功采集來襲激光的衍射光斑圖，并且采集到的圖像清晰無壞點(diǎn)，但是由于探測器工藝生產(chǎn)不可避免的缺陷，InGaAs探測器在成像過程中往往有噪點(diǎn)和盲元的干擾，并且由于光柵衍射效率的影響，在波長1 064 nm激光的照射下，精測光斑圖像會(huì)有零級(jí)光斑衍射產(chǎn)生的光暈的干擾，這些噪點(diǎn)和光暈會(huì)影響后續(xù)對(duì)中心光斑的坐標(biāo)計(jì)算，進(jìn)而影響到激光告警系統(tǒng)對(duì)方位角和俯仰角等參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。

4.2 改進(jìn)的Otsu算法驗(yàn)證

為了驗(yàn)證改進(jìn)的Otsu算法的分割結(jié)果，基于MATLAB開發(fā)軟件，分別用傳統(tǒng)的閾值分割算法，傳統(tǒng)的Otsu算法和改進(jìn)的Otsu算法，對(duì)探測器采集的光斑圖像進(jìn)行閾值分割。3種不同方法的分割結(jié)果如圖11所示。

圖11 光斑分割效果比較圖

從圖11不同算法的分割結(jié)果比較圖可以看出，在1 064 nm的模擬光源照射下，傳統(tǒng)的Otsu算法相對(duì)于傳統(tǒng)的閾值分割算法，可以有效避免由于探測器工藝產(chǎn)生的噪點(diǎn)和無效像元的影響，但是零級(jí)光斑附近還是存在較大光暈的影響。相比于傳統(tǒng)的閾值分割算法和Otsu算法，改進(jìn)的Otsu算法不僅抑制了噪點(diǎn)和無效壞點(diǎn)的干擾，還可以有效抑制了衍射光暈的影響，提高了探測器的成像質(zhì)量，為激光告警系統(tǒng)計(jì)算的準(zhǔn)確性提供了一定的保障。

4.3 高精度激光告警系統(tǒng)驗(yàn)證

在有效抑制噪點(diǎn)和光暈的干擾后，為了驗(yàn)證激光告警系統(tǒng)的精度，通過轉(zhuǎn)臺(tái)調(diào)整激光告警系統(tǒng)的方向，使其在不同方位角和俯仰角的模擬激光照射下工作，通過灰度質(zhì)心法，對(duì)傳統(tǒng)閾值分割法下的光斑中心坐標(biāo)和改進(jìn)的Otsu法下的光斑中心坐標(biāo)進(jìn)行多次計(jì)算，并和理論光斑中心坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比，兩種不同方法的對(duì)比結(jié)果如表2所示。

表2 不同角度下衍射光斑的中心坐標(biāo)

由表2可知，傳統(tǒng)閾值分割法光斑中心坐標(biāo)像素誤差在0.64個(gè)像素左右，而改進(jìn)的Otsu算法誤差在0.06個(gè)像素左右，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的閾值分割算法，改進(jìn)后的Otsu算法使光斑中心提取精度達(dá)到了0.06個(gè)像素，有效抑制了盲元和光暈對(duì)光斑中心提取的影響，提高了激光告警系統(tǒng)對(duì)光斑提取精度。

基于改進(jìn)后的Otsu算法，將灰度質(zhì)心法提取出來的光斑中心坐標(biāo)x粗、y粗、x精、y精代入式(1)～(4)中得到來襲激光的方位角、俯仰角和波長。以轉(zhuǎn)臺(tái)的角度為基準(zhǔn)，激光告警系統(tǒng)測量的方位角與俯仰角和轉(zhuǎn)臺(tái)角度對(duì)比結(jié)果如表3所示。

表3 激光告警系統(tǒng)測量角度對(duì)比

由表3可知，雙目高精度寬波段激光告警系統(tǒng)的方位角和俯仰角測量最大誤差為0.1°，平均誤差為0.03°，角度分辨率達(dá)到了0.05°，相比較傳統(tǒng)激光告警系統(tǒng)，從測量精度和角度分辨率兩個(gè)方面都有了較大的提升。

為了驗(yàn)證雙目高精度寬波段激光告警系統(tǒng)的視場范圍，在轉(zhuǎn)臺(tái)俯仰角為0°時(shí)，使方位角以0.05°的步進(jìn)依次增加，記錄出可測范圍內(nèi)x精和轉(zhuǎn)臺(tái)角度的關(guān)系，如圖12(a)所示。轉(zhuǎn)臺(tái)方位角為0°時(shí)，可測范圍內(nèi)y精和轉(zhuǎn)臺(tái)角度的關(guān)系，如圖12(b)所示。

圖12 光斑中心坐標(biāo)與角度關(guān)系圖

由圖12可知，隨著轉(zhuǎn)臺(tái)角度的不斷變化，距離成像中心最近的光斑中心坐標(biāo)x精和y精呈現(xiàn)周期性變化，符合光柵衍射的成像原理，并且雙目高精度寬波段激光告警系統(tǒng)測量的方位角視場范圍可以達(dá)到±60°，俯仰角視場范圍可以達(dá)到±50°。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)激光告警系統(tǒng)采集的光斑中心提取誤差大，角度測量精度差和測量分辨率低的問題，設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和改進(jìn)的Otsu算法的高精度寬波段激光告警系統(tǒng)。系統(tǒng)通過將改進(jìn)的Otsu閾值分割算法和探測器圖像輸出相結(jié)合起來，通過自適應(yīng)計(jì)算出合理的閾值，有效抑制了探測器固有噪聲和衍射光暈的干擾，提高了探測器的成像質(zhì)量，突出了探測目標(biāo)的信息。經(jīng)驗(yàn)證，改進(jìn)后的激光告警系統(tǒng)對(duì)光斑中心提取平均誤差在0.06個(gè)像素，系統(tǒng)的方位角視場范圍達(dá)到±60°，俯仰角視場范圍達(dá)到±50°，在滿足大視場范圍的同時(shí)，角度分辨率達(dá)到0.05°，角度測量平均誤差為0.03°。實(shí)驗(yàn)證明，雙目高精度寬波段系統(tǒng)在測量精度和視場范圍等方面都有了一定的改善，滿足了激光告警系統(tǒng)在現(xiàn)代化戰(zhàn)爭的應(yīng)用需求。