CN104236706B - 一种基于面阵ccd的光栅型激光告警方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，具体步骤为：设计包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和面阵CCD(5)的探测器，其中所述闪耀光栅结构主要由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；判断存在来袭激光时，获取当前图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑，并计算三个衍射光斑中心点坐标；根据所述中心点坐标位置，计算来袭激光的波长λ、方位角a和俯仰角γ，然后将其传输出去，实现激光告警。该方法结合前置的探测器，以实现对来袭激光图像的快速处理，获取其波长及方位角等信息。

Description

一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法

技术领域

本发明主要涉及一种图像处理方法，具体涉及一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法。

技术背景

激光技术在过去的几十年里得到了迅猛的发展，在国民经济及军事领域得到了广泛的应用。特别是在军事领域中，激光制导、激光测距以及激光武器等已经大量应用于部队，在现代化战场上的对敌方的精确制导，精确打击能力，发挥了重要的军事作用，同时也对我方重要的军事目标及武器平台构成了日趋严重的威胁。激光告警系统是用来截获、测量、识别敌方来袭激光信号并实现自动告警的侦查设备，在现代化战场上，可对敌方激光源进行实时告警，并准确识别来袭激光的波长和入射方位角，世界各军事强国都十分重视激光告警系统的研究及应用，因此开展激光告警技术具有重要意义。而激光告警技术中，最关键的就是能否获取来袭的激光，并对激光的波长和方位角做出精确的判断，因此，激光告警的图像处理就显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，该方法结合前置的探测器，以实现对来袭激光图像的快速处理，获取其波长及方位角等信息。

实现本发明的技术方案如下：

一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，具体步骤为：

步骤一、设计包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和面阵CCD(5)的探测器，其中所述闪耀光栅结构主要由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；

步骤二、计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，根据所述均值设定比较阈值，将面阵CCD当前采集的图像与所述比较阈值进行比较，判断是否存在来袭激光；若否，则等待下一幅图像，否则进入步骤三；

步骤三、获取当前图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑，并计算三个衍射光斑中心点坐标；

步骤四、根据所述中心点坐标位置，计算来袭激光的波长λ、方位角a和俯仰角γ，然后将其传输出去，实现激光告警。

进一步地，本发明步骤四计算为：

$a=\arctan \left(\frac{x_0}{f}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{y}{f}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\λ}=d\left\{\sin \right[\mathrm{arc}\tan \left(\frac{x_0}{f}\right)]+\sin [\mathrm{arc}\tan \left(\frac{x_1}{f}\right)\left]\right\}---\left(3\right)$

其中，x₀为零级衍射光斑中心点的横坐标，x₁为一级衍射光斑中心点的横坐，y为零级衍射光斑中心点与面阵CCD中心线之间的距离，d为衍射光栅结构的光栅常数，f为透镜组的焦距。

进一步地，本发明所述步骤二的具体过程为：

首先，计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，将比较阈值设定为该均值的1.5倍；

其次，将面阵CCD当前采集图像上每一点的像素值与所述比较阈值进行比较，舍弃小于所述比较阈值的像素点；

再次，判断剩余的像素点形成三个区域且三个区域的中心在同一水平线上是否成立，若是，则判定存在来袭激光，进入步骤三、否则判定不存在来袭激光，等待下一幅图像。

进一步地，本发明在步骤三获取三个光斑中心点的坐标之后，还需要根据闪耀光栅结构的一些特征来验证是否存在来袭激光，以降低虚警率，两个验证条件为：(1)判断零级衍射光斑与±1级级衍射光斑的像素峰值之比是否在设定的范围内，所述设定范围由光栅衍射效率确定；(2)判断零级衍射光斑中心点到±1级衍射光斑中心点的距离差是否小于设定的最大距离差；当上述两条件皆满足时，则判定存在来袭激光，此时进入步骤四，否则等待下一幅图像。

有益效果

第一、本发明采用两个完全相同的闪耀光栅反向对接，有效提高一级衍射的效率，同时保证正一级与负一级衍射的效率相同；同时，本发明两闪耀光栅中间采用远大于光栅常数的透射材料连接，被测激光通过透射材料时无衍射，因此该结构可有效提高整个光栅结构的零级衍射效率；因此本发明光栅能量主要集中在零级和正负一级，有利于激光告警方法的准确度和灵敏度。

第二、本发明采用闪耀光栅机构简单，其无需活动机械部件，可靠性高。

附图说明

图1本发明激光告警方法的流程图；

图2本发明前置探测器的结构示意图；

图3本法闪耀光栅结构的示意图；

图4获取的激光衍射图像。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1所示，本发明种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，具体步骤为：

步骤一、设计包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和面阵CCD(5)的探测器，如图2和图3所示，其中所述闪耀光栅结构主要由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端。

由于现有闪耀光栅零级衍射光斑强度较弱，这样对判别激光入射方向会造成较大影响，本发明在两闪耀光栅之间设置透射材料，使得激光不经过衍射直接透射，因此可以很好增强零级衍射光斑的强度；同时本发明闪耀光栅A(1)与闪耀光栅B(2)采用的材料、闪耀波长、闪耀角及光栅常数完全相同，确保两闪耀光栅的一级衍射角和衍射效率相同，保证一级衍光斑可汇聚到焦平面探测器的相同位置。同时，本发明闪耀光栅A(1)与闪耀光栅B(2)结构关于透射材料(3)完全对称，这样可以实现两闪耀光栅的正负一级衍射效率互补，整体提高一级衍射效率；因此可以使后续提取光斑区域和光斑中心更为准确。

步骤二、计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，根据所述均值设定比较阈值，将面阵CCD当前采集的图像与所述比较阈值进行比较，判断是否存在来袭激光；若否，则等待下一幅图像，否则进入步骤三。具体过程为：

首先，计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，将比较阈值设定为该均值的1.5倍；

其次，将面阵CCD当前采集图像上每一点的像素值与所述比较阈值进行比较，舍弃小于所述比较阈值的像素点，保留大于所述比较阈值的像素点；

再次，若存在来袭激光经过闪耀光栅结构，则零级衍射和1级衍射的衍射效率较高，因此会在图像上存在三个光斑，且三个光斑的中心在同一水平线上，因此本步骤中判断剩余的像素点形成三个区域且三个区域的中心在同一水平线上是否成立，如图4所示，若是，则判定存在来袭激光，进入步骤三、否则判定不存在来袭激光，等待下一幅图像。

该步骤进行判断主要是为了防止噪声的影响，以免将噪声信号误认成来袭激光。

步骤三、获取当前图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑，并计算三个衍射光斑中心点坐标；

由于来袭激光经过闪耀光栅结构，因此会发生衍射，本发明对闪耀光栅结构进行特殊设计，在图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑的衍射效率较高，因此可以快速准确地在图像上提取到零级衍射光斑和±1级衍射光斑。

步骤四、根据所述中心点坐标位置，计算来袭激光的波长λ、方位角a和俯仰角γ，然后将其传输出去，实现激光告警。

$a=\arctan \left(\frac{x_0}{f}\right)---\left(1\right)$

$\mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{y}{f}\right)---\left(2\right)$

$\mathrm{\λ}=d\left\{\sin \right[\mathrm{arc}\tan \left(\frac{x_0}{f}\right)]+\sin [\mathrm{arc}\tan \left(\frac{x_1}{f}\right)\left]\right\}---\left(3\right)$

其中，x₀为零级衍射光斑中心点的横坐标，x₁为一级衍射光斑中心点的横坐，y为零级衍射光斑中心点与面阵CCD中心线之间的距离，d为衍射光栅结构的光栅常数，f为透镜组的焦距。

根据计算的激光波长可以确定来袭激光武器的类型，根据计算的方位角和俯仰角可以确定激光的位置，从而完成激光告警。

本发明虽然在步骤二进行了判断，但是可能还会存在误判的情况，因此在步骤三获取三个光斑中心点的坐标之后，还需要根据闪耀光栅结构的一些特征来验证是否存在来袭激光，以降低虚警率，两个验证条件为：(1)由于采用的是闪耀光栅结构，激光的衍射光斑中零级衍射点的光斑强度最大，并且根据光栅的衍射效率，零级衍射效率与±1级衍射效率之间存在比值关系，因此以该比值为中心，设定一定范围，判断零级衍射光斑与±1级级衍射光斑的像素峰值之比是否在设定的范围内；(2)正常情况下，零级衍射光斑中心点到+1级衍射光斑中心点的距离、与零级衍射光斑中心点到-1级衍射光斑中心点的距离应该相等，因此判断零级衍射光斑中心点到±1级衍射光斑中心点的距离差是否小于设定的最大距离差；当上述两条件皆满足时，则判定存在来袭激光，此时进入步骤四，否则等待下一幅图像。

本发明获取当前图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑，并计算三个衍射光斑中心点坐标，可以较佳的采用如下步骤实现：

(1)统计当前采集的图像中每一行的行阈值，选取超过阈值点数最多的行记为光斑中心所在行；

(2)在选定行之后，对该行像素信息进行分析，求出该行像素点的最大像素值，根据最大像素值选取一定的阈值，以该阈值为界限对图像进行二值化。

(3)对二值化之后的图像，分别提取三个衍射光斑的区域，确定不同区域的中心，即为光斑的中心点。

此处所说明的附图及实施例仅用以说明本发明技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了较详细的说明，所属领域的技术人员应当理解；依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (4)

1.一种基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，其特征在于，具体步骤为：

步骤一、设计包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和面阵CCD(5)的探测器，其中所述闪耀光栅结构主要由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；

步骤二、计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，根据所述均值设定比较阈值，将面阵CCD当前采集的图像与所述比较阈值进行比较，判断是否存在来袭激光；若否，则等待下一幅图像，否则进入步骤三；

步骤三、获取当前图像上零级衍射光斑和±1级衍射光斑，并计算三个衍射光斑中心点坐标；

步骤四、根据所述中心点坐标位置，计算来袭激光的波长λ、方位角a和俯仰角γ，然后将其传输出去，实现激光告警。

2.根据权利要求1所述基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，其特征在于，步骤四计算为：

其中，x₀为零级衍射光斑中心点的横坐标，x₁为一级衍射光斑中心点的横坐标，y为零级衍射光斑中心点与面阵CCD中心线之间的距离，d为衍射光栅结构的光栅常数，f为透镜组的焦距。

3.根据权利要求1所述基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：

首先，计算面阵CCD当前采集的图像上各像素值的均值，将比较阈值设定为该均值的1.5倍；

其次，将面阵CCD当前采集图像上每一点的像素值与所述比较阈值进行比较，舍弃小于所述比较阈值的像素点；

再次，判断剩余的像素点形成三个区域且三个区域的中心在同一水平线上是否成立，若是，则判定存在来袭激光，进入步骤三、否则判定不存在来袭激光，等待下一幅图像。

4.根据权利要求1或3所述基于面阵CCD的光栅型激光告警方法，其特征在于，在步骤三获取三个光斑中心点的坐标之后，还需要根据闪耀光栅结构的一些特征来验证是否存在来袭激光，以降低虚警率，两个验证条件为：(1)判断零级衍射光斑与±1级衍射光斑的像素峰值之比是否在设定的范围内，所述设定范围由光栅衍射效率确定；(2)判断零级衍射光斑中心点到±1级衍射光斑中心点的距离差是否小于设定的最大距离差；当上述两条件皆满足时，则判定存在来袭激光，此时进入步骤四，否则等待下一幅图像。