基于投影面积分析算法的激光方向测量系统

张丽

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

基于投影面积分析算法的激光方向测量系统

张丽

（山西大同大学物理与电子科学学院，山西大同 037009）

在激光预警系统中，为了实时监测在各个方向的入射激光，同时，保证较高的激光入射方向角分辨率，设计了基于投影面积分析算法的激光方向测量系统。系统光学部分由几何尺寸已定的遮光模块和面阵CCD探测器组成，当激光入射系统时，由于遮光模块的存在，会在面阵CCD探测器上产生阴影，通过计算分析阴影的面积即可反演入射激光的方向。通过仿真计算可知，在要求最小分辨角度为1°时，对应的面积变化远小于CCD探测器的分辨能力。实验采用660 nm激光器、IA-D9-5000型面阵CCD探测器、旋转平台，实验数据显示，入射激光在各种条件下旋转1°在四个象限区域内，所形成的投影面积各不相同，通过投影面积分析算法可以反演入射激光的方向。

激光预警；激光方向测量；投影面积分析算法；面阵CCD探测器

激光方向测量的应用非常广泛，尤其在军事方面的应用，如激光测距、激光制导、激光预警系统等，激光预警系统中对激光方向的测量是必不可少的，衡量其性能优劣的重要指标包括激光方向的角分辨率、测试系统的稳定性、测试系统的集成度等[1-3]。

目前，激光预警系统中主要的方向测量方法[4-5]有：多窗口探测法、成像法、光纤法和掩模编码法。多窗口探测法[6]通过不同窗口接收不同方向的激光，每条光学通道判断一个方向的激光实现激光方向测量，这种方法原理简单，但光学系统易损，同时由于系统尺寸的缘故，激光方向角分辨率低。成像法[7]采用多个面阵探测器成像判断，反应速度慢，同时对多个探测的协调配合要求高；光纤法[8]采用多组光纤分别接收不同方向的激光，角分辨率可以做的很高，但是其信号处理速度要求很快，体积大，设备维护比较困难；掩模编码法[9]易受大气影响，且测量角度有限。

综上所述，设计可以实现高角分辨率、高稳定性、高集成度的激光方向测量系统是激光预警系统的发展方向[10]。本系统采用遮光模块和面阵CCD探测器结合的方式，具有结构紧凑，稳定性高的特点。通过设计投影面积分析算法提高角分辨能力。在实际应用中，具有实际意义。

1 系统设计

1.1 基本原理

图1 基于投影面积影分析分析算法的激光方向测量系统

由于激光从远方照射来可以看作是平行光，所以当激光照射在遮光模块上时，在面阵CCD探测器的光敏面上会产生固定的投影。对于某一角度的入射激光有其唯一的投影面积，在4个区域产生的面积可以反演激光的入射方向。

系统原理图如图1所示，激光入射到有遮光模块的面阵CCD探测器，由面阵CCD探测器采集的图像信息通过滤波预处理将低频噪声消除。将4个区域的投影面积传给处理器，处理器通过投影面积分析算法找到与探测数据匹配的数据，从而反演激光入射的方向。最终，通过反演得到的激光方向信息通过显示器观察，可以达到激光预警的要求。

1.2 激光入射方向与投影面积的函数关系

通过对任意角度入射的激光进行分析，可知在四个区域内的面积与激光的入射方向成唯一的函数关系。

2 仿真计算

图2 遮光模块的几何结构图

为了确保当激光入射角度改变1°时对应的投影面积变化可以被探测到，也就是通过投影面积分析激光角度的可行性，需要计算仿真当任意角度（α，β）变为（α±△θ，β±△θ）时，对应的4个区域的面积改变量。

图3 面积差函数仿真图

如图2所示，遮光板的高度为h，探测器光敏面为正方形，边长为a激光从任意方向入射，入射光线在xoy平面的垂直分量与x轴夹角为α，入射光线与xoy平面的夹角为β，则通过（α，β）可以唯一的确定激光的入射方向。设区域AOBO′为区域1、区域BOCO′为区域2、区域CODO′为区域3、区域DOAO′为区域4。当激光照射在遮光模块上，在4个区域分别产生不同的投影面积。

1）区域1（AOBO′）

由仿真数据图可知，激光入射角度除了在几个特殊的点上存在突变的面积差，其余的变化都是连续平缓的。当代入改变1°空间角对应（α，β）时，面积差函数产生相应的变化，对于普通面阵CCD探测器而言，单个像元尺寸在12 um左右，远远大于CCD面积相应的要求，所以采用面积变化反演激光入射角度是可行的。

2）区域2（BOCO′）

3）区域3（CODO′）

3 实验

在自然光的背景条件下，采用IA-D9-5000型面阵CCD探测器，激光采用660 nm半导体激光器，激光光源放置在精度为1°的旋转平台上，在系统遮光模块中a=20mm，θ=30°。

由于激光入射主要可以分为α为0°、α从0°到45°之间的任意角度（这里我们采用25°）、α为45°和α从45°到90°（这里我们选用60°）。所有其他角度都是基于这四种α角度变化之上的，即周期变化的。所有在此基础上，确定β的变化范围即可将这个平面上的入射激光全部找出。β从0°到（30°）之间的一个角度、β=30°和β从30°到90°之间的一个角度（这里为选65°）。每种角度对应的投影面积如表1 所示。

表1 激光从不同方向入射时对应四个区域的投影面积值

由表1中的数据可知，当入射角度进一步变化时，实际上投影面积会循环变化，以被完全照射区域（投影面积为0）和完全不被照射区域（投影面积为100 mm2）的为例，可以明显看出数据的循环。其他数据介于0-100 mm2之间，具体数值通过1.2中的投影面积与角度函数关系可以计算得到。当入射激光空间角改变1°时，投影面积也发生相应的改变，改变量与IA-D9-5000型面阵CCD探测器单个像素尺寸相比大得多，所以可以有效识别由于角度变化造成的投影面积改变。

4 结论

本文利用激光入射角度与固定遮光模块尺寸产生的投影面积之间存在唯一的对应关系，通过计算分析4个区域的投影面积反演激光的入射方向，角分辨率达到1°。设计了由固定尺寸的遮光模块与面阵CCD探测器组成的光学部分，图像数据传给CPU，通过事先分析得到的投影面积和角度的关系确定激光的入射方向。仿真分析可知，任意方向产生的面积差变化量远小于面阵CCD探测器可分辨的面积量。实验通过精度为1°的旋转平台确定激光转过的角度，再通过对激光照射得到的投影面积分析，确定了本设计完全满足最小识别角度1°的全视场激光方向探测的要求。

[1]Sekii，Hidenori Oguma，Takeo Hagiwara，et al.GC-MS and FTIR analysis of LDPE and XLPE deteriorated by partial discharge [J].IEEE Annual Report Conference，2005：237-340.

[2]何武光，吴健，王仕璠.激光探测告警光学系统设计[J].光电工程，2006，33（7）：48-51.

[3]ZHANG Ji-long，FU Lin，WANG Zhi-bin，et al，NIU Hai-tao，The Measurement Method of Wavelength and Direction of Tunable Laser Single Pulse Under Sun Light[J].JOURNALOF TESTAND MEASUREMENT TECHNOLOGY，2005，19：1-3.

[4]王云龙.“牛眼”麦克尔逊干涉型激光检测技术研究[D].武汉：华中科技大学，2005.

[5]刘智超，张记龙，阎鹤，等.一种投影式激光方向测量方法[J].光学学报，2008，28（8）：1518-1522.

[6]吴赛燕.PSD的性能分析及其应用[J].机械工程与自动化，2007（2）：109-111.

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[9]李树山，孙春生，韩小兵.激光辐射方位的确定技术[J].海军工程大学学报，2003，15（2）：30-34.

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〔责任编辑 李海〕

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

国家科技支撑计划课题[2009BAK53B01]；山西省高校科技开发项目[200811041]

张丽（1977-），女，山西翼城人，硕士，讲师，研究方向：信号处理、光电检测。