光栅衍射型激光告警机的预处理图像优化设计

王 晖，成 瀚

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

光栅衍射型激光告警机的预处理图像优化设计

王 晖，成 瀚

（北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院，北京 100191）

光栅衍射型激光告警机是利用激光通过光栅后成像在光电探测器上的衍射条纹，进行分析处理而得到激光参数的。在其工作波长范围内太阳光线等背景噪声很严重。这些噪声使还原和检测探测信号的过程十分复杂、缓慢，甚至不精确。本文设计的系统通过两台同步CCD探测器，一台配有光栅，将获得的图像相减处理，快速减少噪声干扰，识别探测信号光斑。再根据光斑位置和面积用最小的矩形将光斑围住，光滑处理后，根据边缘点椭圆测试得到椭圆的中心，即各个光斑精确的坐标。这种设计可以使激光告警机的后期处理更加快速、高效、准确。

图像处理；图像相减；椭圆测试；光栅；CCD

随着越来越多的激光武器成功研制及其在军事中的应用，如激光眩目器、激光致盲武器、激光制导导弹等，为了限制和对抗这些激光设备，激光告警技术得到高度重视，成为光电对抗领域的一项重要技术。激光告警机可以用来探知来袭激光的特征参数，入射方向等信息。为了有效对抗激光武器，设备必须能够实时识别到激光的波长从而用相同波长的激光去进行扰乱，得到具有威胁性激光的准确波长是判断来袭激光设备性质，威胁程度和种类的重要参数。在各种激光告警机中，光栅衍射型激光告警机以其结构简单，宽视场，反应速度快，以及精度高的特点，在光电对抗，激光探测，激光通信等领域得到广泛的应用。光栅衍射型激光告警机测量原理如图1所示，x0，x1，x2的坐标是系统优化的研究对象。激光通过光栅后的衍射激光谱如图2，3所示，入射的激光通过光栅后在CCD上形成同一直线上离散的光斑。

图1 光栅衍射型激光告警机测量原理图

本文设计的系统通过两台同步CCD探测器，一台配有光栅，将获得的图像相减处理，快速得到小噪声的光斑图像，根据光斑位置和面积用最小的矩形将光斑围住，光滑处理后，根据边缘点椭圆测试得到各个光斑精确的坐标。这种设计可使激光告警机的后期处理更加快速、高效、准确。

图2 激光通过光栅后的衍射光斑图

图3 CCD上接收到的光栅衍射光斑图

1 预处理图像优化设计的原理和特点

1.1 相减处理图像的原理和优点

相减处理图像的原理是将不同图像得到的信息相减，也就是说，在某一时刻一个地点得到的图像和另一图像相减。

减法的公式：

其中，A（x，y）和B（x，y）是原始图像某一位置的灰度值。是图像中的坐标值。C（x，y）是被检测图像的灰度。

通过相减处理图像的这一方法，可以快捷有效地排除图像中多余内容，例如信号以外的背景、物体的阴影、图像信号上各种周期噪声。另外，相减图像处理可以快速检测同一场景图像间的不同之处并且处理出物体的边缘轮廓。这样使动态检测、物体跟踪、隔离背景和物体识别等过程变得容易、高效。

现在相减处理图像已经在很多领域广泛使用，体现出很好的应用前景。例如通过远程监控图像来实施森林火灾、洪水，海洋污染等重大灾害的动态监测和控制。

1.2 椭圆测试算法的原理和步骤

椭圆的标准等式是：

其中，x0，y0是椭圆的中心位置坐标，θ是和x轴的夹角。a，b为椭圆长轴和短轴的长度。

图4 椭圆模型

首先假设椭圆有以下等式表示：

其中，

（9）式中，u＝（A，B，C，D）。

下一步就是求得向量使最小。需要找到

即：

计算上面的等式，将6组边缘数据点带入得：

2 光栅衍射型激光告警机CCD衍射光斑预处理优化的过程

2.1 图像分析

在日常工作环境中获得的CCD图像如图5所示，图像中包含很多多余的因素，例如被观察物体周围的环境、光线和阴影。这些都影响着图像的质量和处理的效率，例如背景光线特别强就会干扰图像采集，使接收到的图像扭曲变形，甚至使接收到的图像无法识别。这些都会严重影响后续处理来袭激光重要参数的结果，同时背景图像会随着工作场景改变而发生改变，这些都为迅速准确控制来袭激光产生一定程度的阻碍。使整个告警系统的运算复杂，繁琐，甚至得到的结果有误。

图5 CCD探测到的光斑图

2.2 基于相减原理的图像预处理

如果噪声在图像处理前就被预先过滤掉，那就会大大简化光斑识别的过程，从而加快整个系统的反应速度，同时使系统精度变得高效。系统引入相减处理图像的原理来减去干扰噪声图像，提取有用的信号。因为光斑是由激光通过衍射光栅产生相对于没有光栅采集到的图像的不同信号。系统工作的时候，通过两台CCD获得的背景图像是完全同步的，包括周围光源的变化和移动，以及其他噪声对系统的影响。所以光斑就可以被认为是两幅图像中的不同信号。通过相减图像处理的方法可以很快的分离出图像的有用信号并记录光斑的粗略坐标，进而加速图像的处理。

2.3 计算光斑的精确坐标

将通过衍射光栅后CCD探测到的图像放大，得到放大了的衍射光斑点，如图6所示。

图6 放大的衍射光斑

将放大的衍射光斑用边缘检测，描绘出的图如图7所示。

图7 放大的光斑边缘检测处理后

通常得到的光斑不是对称的圆，所以用求圆心的方法来确定它的中心点往往不是很准确，为以后的高精度计算和运用有隐患，提高后续处理难度。这也是本系统相对于其他激光告警机波长测量精确改进的地方。本系统将光斑的边缘点放进椭圆曲线中来测试椭圆公式，从而确定符合光斑的椭圆圆心，即光斑的精确中心。

确定椭圆中心的具体步骤：

1）通过光斑的位置和面积，用最小的矩形把图像上的每一个光斑围住。

2）平滑处理矩形里面的图像，这样可以过滤许多图像采集系统的随机噪声有助于边缘检。

3）求一阶导获得图像光斑的边缘。

4）所得的边缘包含圆形光斑的边缘和噪声的边缘，致使光斑不是对称的圆，每个光斑的大致中心坐标已经知道，通过这个中心配合不同的半径测试边缘点像素位置。

5）用符合的椭圆测试，得到准确的圆心，即精确的光斑中心位置。

3 结论与展望

3.1 结论

激光武器的快速研制和应用，使得激光对抗的斗争也愈演愈烈。激光告警机的快速反应，测试精度的要求也不断提高。设备的成本也在不断的增加，如何充分利用现有设备得到高效、准确的探测结果越发重要。相减处理图像可以在各种环境下简化排除图像噪声的处理进程，从而释放大量的后续处理设备的成本。椭圆测试确定精确的光斑位置，可以在现有精度的设备上，得到更准确的数据，为后续测量来袭激光波长提供处理的便利和精度保障。本文设计的系统通过两台同步CCD探测器，一台配有光栅，将获得的图像相减处理，快速得到小噪声的光斑图像，根据光斑位置和面积用最小的矩形将光斑围住，光滑处理后，根据边缘点椭圆测试得到各个光斑精确的坐标。这种设计可以使激光告警机的后期处理更加快速，高效，准确。

3.2 展望

CCD探测器作为激光告警机的核心设备，随着精度、反应速率要求的不断提升，成本也越发昂贵。本文的系统采用两台探测器，这可能在设备不断升级的过程中遇到资金困难，在后续的实验中将着力降低探测器的成本。后续的实验计划分为两部分，第一部分测试两台不同精度的CCD的图像预处理。用于采集对比图像的CCD探测器精度可以适当降低，以削减成本，毕竟背景噪声的采集精度对整体设备的处理影响不大。第二部分，研究不同速率和精度的CCD对整体告警系统效率的影响，以及不同运算速度的系统后台对整体系统效率的影响，对比两部分的成本，核对出最经济，高效，准确的激光告警装置配置。

［1］王明.相干识别型激光告警接收机信噪比分析［D］.太原：中北大学，2008.

［2］Peng Kai，Liu Shu-gui，Zhang Xue-fei.Extracting ellipses based on evaluation for elliptical profile error［J］.Opto-Electronic Engineering，2006，33（12）：101-104.

〔编辑 李海〕

Optimal Design of Pre－process Image in Laser Warning Machine of Grating Diffraction Type

WANG Hui，CHENG Han
（School of Instrumentation Science and Optoelectronics Engineering，Beijing University of Aeronautics＆Astronautics，Beijing，100191）

Laser warning machine of grating diffraction type make use of the image，which is generated by laser passing through the grating，on the detector to ascertain the parameters of laser.Machines process and analysis the image，then get the laser parameters.In the useful range of Wavelength，background noise such as sun rays is very serious.Signal with the noise is complex and slow to revert and detect，even inaccurate.The system designed in this article use two synchronized CCD detector with a grating before one CCD.Subtraction processes the two

images，in order to rapid remove the noise and identify the spots of detected signal.Surround the spot with the smallest rectangles according to spot position and area.After smoothing process，system could get the center of the ellipse through ellipse edge points.The center is the exact coordinates of each spot.This pre－processing design could make the post－processing of laser warning machine more rapid，efficient and accurate.

image processing；subtraction image process；ellipse testing；diffraction grating；CCD

TN249

A

1674-0874（2011）04-0022-03

2011-05-28

王晖（1988-），男，山西大同人，硕士，研究方向：激光告警、图像处理。