双目高精度微型激光告警技术研究

Research on High⁃Accuracy Micro Laser Warning Technology Based on Binocular Vision

摘要

针对现有来袭激光告警系统体积大、 精度低， 无法满足单兵及小型装备便携安装需求， 提出一种大视场角度粗测与二维光栅衍射角度精测的双目告警方法， 结合光栅和光学系统的微型化设计及集成， 实现了大视场下来袭激光方位角、 俯仰角和波长的高精度探测。并对双目来袭激光角度、 波长探测及光学系统参数进行理论分析和仿真， 设计控制电路， 研制双目高精度微型激光告警样机， 进行实验可行性验证。实验结果表明， 该系统的方位角视场为120°， 俯仰角视场为77°， 角度定位精度优于0.05°， 中心波长探测精度优于10 nm。该方法将对来袭激光的大视场、 高精度、 微型化告警技术奠定基础。

Abstract

In response to the large size and poor accuracy of the existing laser warning systems， which fail to meet the portability requirements for individual soldiers and small equipment installations， this paper proposes a binocular vision warning method that combines large-field-of-view approximate measurement with two-dimensional grating diffraction for accurate measurement by integrating the miniaturization design of the grating and optical system. This approach enables high-accuracy detection of the azimuth angle， pitch angle， and wavelength of incoming lasers over a large field of view. Theoretical analysis and simulation were conducted of binocular incoming laser angles and wavelengths， as well as the parameters of the optical system. The control circuits were designed. A high-accuracy micro binocular laser warning prototype was developed. And experimental feasibility was verified. Experimental results show that the system has an azimuth angle field of view of 120°， a pitch angle field of view of 77°， an angle positioning accuracy better than 0.05°， and a center wavelength detection accuracy better than 10 nm. This method lays the foundation for wide-field， high-accuracy， and micro warning technologies for incoming lasers.

Graphical abstract

关键词

微型激光告警 / 双目探测 / 二维光栅 / 角度定位精度

Key words

micro laser warning / binocular vision / two-dimensional grating / angle positioning accuracy

0 引　言

随着激光技术在陆、 海、 空、 天等领域的发展， 激光制导、 激光侦查、 激光测距、 激光干扰、 激光窃听、 高功率激光武器等激光装备已应用在战争中^［1‐3］。由于激光告警设备可监测激光威胁， 进而可采取相应的防护、 对抗等措施提高平台战场生存能力， 因此受到各国的高度关注， 高性能激光告警技术成为主要研究方向^［4‐7］。但现有激光告警体积较大、 角度定位精度低， 无法满足单兵、 无人机等小型装备便携安装要求。

目前的激光告警技术主要有单一方向告警和方向波长同时告警两大类^［8-13］， 其中方向波长同时告警类型主要有法布里-珀罗（F-P）型、 迈克尔逊型和光栅衍射型。F-P相干型具有较高的角度分辨率， 可测得波长， 但需要机械扫描， 工艺复杂， 稳定性较差， 且无法同时实现大视场下高的角度定位精度； 迈克尔逊相干型激光告警可获取激光方位与波长信息， 但结构复杂， 对工艺和数据处理要求高， 同样无法实现大视场下高的角度定位精度； 光栅衍射型激光告警利用零级位置实现激光方向测量， 通过零级和一级的间距获得激光波长信息， 无需机械扫描， 对光学器件的工艺要求和数据处理比迈克尔逊型的简单， 同时兼顾激光角度和波长测量精度， 但体积大且无法实现大视场下高的角度定位精度。目前已有的大视场激光告警系统角度定位精度都在1°左右。

针对现有小型装备对微型激光告警的需求， 以及现有激光告警存在体积大、 无法同时实现大视场高角度定位精度等问题， 提出一种双目高精度微型激光告警技术， 通过大视场角度粗测与二维光栅衍射角度精测， 实现凝视型大视场高精度微型激光告警感知。

1 双目高精度微型激光告警原理

1.1 基本原理

基于二维光栅的双目高精度微型激光告警探测原理如图 1 所示， 主要由来袭激光角度粗测模块、 角度精测及波长测量模块和FPGA图像采集数据处理模块三大单元组成。

其中， 来袭激光角度粗测模块包含大视场微型镜头、 多带通窄带滤光片和焦平面探测器FPA1， 通过来袭激光聚焦光斑在FPA1的位置粗测获得来袭激光方位角和俯仰角； 角度精测及波长测量模块包含二维光栅、 小视场微型镜头、 多带通窄带滤光片和焦平面探测器FPA2， 通过FPA2获得的来袭激光衍射级次（m， n）、 （m+1， n）和（m， n+1）的光斑及其横纵坐标位置， 结合角度粗测的方位角和俯仰角获得来袭激光波长、 精确方位角和精确俯仰角信息， 详细推导见1.2节； FPGA图像采集数据处理模块主要通过FPGA控制图像采集的帧频、 积分时间， 并通过FPGA实行图像数据的处理。多带通窄带滤光片主要根据实际探测波段需要选通滤光， 减小太阳光、 闪电、 曳光弹及各种弹药爆炸等产生强背景光的影响， 避免由于该干扰光导致系统光斑提取精度下降、 被测光斑被背景覆盖等问题， 进而降低漏警率和虚警率。具体推导如图 1 所示。

1.2 理论推导

被测来袭激光照射方向如图 2 所示， 来袭激光方向为AO方向， AO在xOz平面和yOz平面投影分别为BO和CO， 方位角和俯仰角分别为α=∠BOz和β=∠COz。

来袭激光角度粗测原理如图 1 上半图所示， 其中f₁为大视场角度粗测镜头等效焦距， 来袭激光在FPA1的光斑坐标为（x₀，y₀）， 根据光学理论可得粗测来袭激光方位角α₀和俯仰角β₀为

\left\{\begin{array}{l}{\alpha }_{\mathrm{0}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{x_{\mathrm{0}}}{f_{\mathrm{1}}}\right),\\ {\beta }_{\mathrm{0}}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{y_{\mathrm{0}}}{f_{\mathrm{1}}}\right)\mathrm{。}\end{array}\right.（1）

角度精测原理如图 1 下半图所示， 其中d为二维光栅常数， f₂为小视场角度精测镜头焦距， λ为来袭激光波长， m为激光经二维光栅和镜头在面阵探测器上x方向衍射级次（m=0，±1，±2，…）， n为激光经二维光栅和镜头在面阵探测器上y方向衍射级次（n=0，±1，±2，…）， θ_xm 为在FPA2的x方向第m级衍射角， θ_yn 为在FPA2的y方向第n级衍射角， x_（m，n） 和y_（m，n） 分别为FPA2上激光第（m，n）级衍射光斑的x坐标值和y坐标值。根据光栅衍射理论及光学成像理论可获得被测激光方位角α、 俯仰角β、 波长λ满足

\left\{\begin{array}{l}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{xm}=\frac{x_{(m,\mathrm{*})}}{f_{\mathrm{2}}}，\\ \mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}{\theta }_{yn}=\frac{y_{(\mathrm{*},n)}}{f_{\mathrm{2}}}，\\ d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{xm}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\alpha \right)=m\lambda ，\\ d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{yn}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\beta \right)=n\lambda \mathrm{。}\end{array}\right.（2）

根据式（2）， 结合f₂、 x_（m，n） 和y_（m，n） 可得θ_xm 、 θ_yn 、 λ为

\left\{\begin{array}{l}{\theta }_{xm}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{x_{(m,\mathrm{*})}}{f_{\mathrm{2}}}\right)，\\ {\theta }_{yn}=\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{t}\mathrm{a}\mathrm{n}\left(\frac{y_{(\mathrm{*},n)}}{f_{\mathrm{2}}}\right)，\\ \lambda =\pm d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{x(m\pm \mathrm{1})}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{xm}\right)\mathrm{或}\\ \lambda =\pm d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{y(n\pm \mathrm{1})}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{yn}\right)\mathrm{。}\end{array}\right.（3）

角度粗测获得的来袭激光方位角α₀、 俯仰角β₀为精测提供方位角α、 俯仰角β的大体方向， 因此， 将式（3）中θ_xm 、 θ_yn 、 λ和粗测方位角α₀、 俯仰角β₀代入光栅方程获得精测衍射级次m和n为

\left\{\begin{array}{l}m=round\left[\frac{d}{\lambda }\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{xm}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\alpha }_{\mathrm{0}}\right)\right]，\\ n=round\left[\frac{d}{\lambda }\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{yn}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\beta }_{\mathrm{0}}\right)\right]，\end{array}\right.（4）

式中： round（x）为x四舍五入取整函数。将式（4）、 θ_xm 、 θ_yn 、 λ、 d代入式（2）， 最终获得来袭激光的精确方向（方位角α、 俯仰角β）和波长λ分别为

\left\{\begin{array}{l}\alpha =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{m\lambda }{d}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{xm}\right),\\ \beta =\mathrm{a}\mathrm{r}\mathrm{c}\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}\left(\frac{n\lambda }{d}-\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{yn}\right),\\ \lambda =\pm d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{x(m\pm \mathrm{1})}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{xm}\right)\mathrm{或}\\ \lambda =\pm d\left(\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{y(n\pm \mathrm{1})}+\mathrm{s}\mathrm{i}\mathrm{n}{\theta }_{yn}\right)\mathrm{。}\end{array}\right.（5）

2 微型激光告警系统集成及实验分析

2.1 微型激光告警系统参数设计及分析

焦平面探测器FPA1和FPA2采用面阵互补金属氧化物半导体（CMOS）， 光谱响应范围为450~11 00 nm， 像元尺寸Δx=Δy=6 μm， 分辨率为752×480。设计微型激光告警视场角： 俯仰视场120°、 方位视场77°。因此， 角度粗测中大视场镜头的视场设计为方位视场120°， 俯仰视场77°， 等效焦距f₁=1.30 mm， 角度精测中二维光栅的光栅常数d=8 μm。要实现来袭激光波长的测量， 需要在光谱范围内每个波长下激光角度精测模块在x方向（或y方向）至少有2个级的衍射光斑。结合现有市场已有镜头视场， 最终确定角度精测小视场微型镜头的方位视场为26°， 俯仰视场为17°， 等效焦距f₂=9.77 mm。根式（1）和式（3）可得角度粗测模块分辨率Δα₀（或Δβ₀）， 角度精测衍射角分辨率Δθ_xm （或Δθ_xn ）分别为

\left\{\begin{array}{ll}\mathrm{\Delta }{\alpha }_{\mathrm{0}}=\frac{f_{\mathrm{1}}}{{x_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{2}}+{f_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{\Delta }x,& \mathrm{\Delta }{\beta }_{\mathrm{0}}=\frac{f_{\mathrm{1}}}{{y_{\mathrm{0}}}^{\mathrm{2}}+{f_{\mathrm{1}}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{\Delta }y,\\ \mathrm{\Delta }{\theta }_{xm}=\frac{f_{\mathrm{2}}}{{x_{(m,\mathrm{*})}}^{\mathrm{2}}+{f_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{\Delta }x,& \mathrm{\Delta }{\theta }_{yn}=\frac{f_{\mathrm{2}}}{{y_{(\mathrm{*},n)}}^{\mathrm{2}}+{f_{\mathrm{2}}}^{\mathrm{2}}}\mathrm{\Delta }y\mathrm{。}\end{array}\right.（6）

将详细参数代入式（6）可获得角度粗测中激光角分辨率Δα₀（或Δβ₀）与光斑在FPA1不同像素对应关系如图 3 黑色曲线所示（以FPA1 和 FPA2中心为像素0点位置）， 角度精测衍射角分辨率Δθ_xm （或Δθ_yn ）与衍射光斑（m， n）级光斑在FPA2不同像素对应关系如图 3 红色曲线所示。由图 3 可得该系统理论上来袭激光角度粗测角分辨率Δα₀（或Δβ₀）<0.30°， 角度精测理论上衍射角分辨率Δθ_xm （或Δθ_yn ）<0.035 5°， 因此， 该方法理论上角度精测角分辨率较粗测角分辨率提高近一个数量级。

为降低成本， 二维光栅采用商业成熟的两块一维线性光栅正交放置来实现， 如图 4（a）和图 4（b） 所示； 并针对焦平面探测器响应波段的2个常用军用波长（532 nm和1 064 nm）激光设计双带通窄带滤光片， 如图 4（c） 和图 4（d） 所示。将光学镜头、 探测器、 控制及数据处理电路集成后的实物如图 5 所示。

2.2 实验及分析

将上述器件集成微型激光告警样机， 并搭建实验进行验证， 如图 6 所示。采用军用常用的2个波长（532 nm和1 064 nm）激光进行模拟测试实验， 将微型激光告警样机模块放置在高精度二维旋转台（转台角度定位精度为0.005°）模拟不同角度入射， 扩束激光与二维旋转台的距离为125 cm， 扩束光斑直径为8 cm， 2个波长激光实验获得的粗测和精测光斑部分图像如图 7 所示。由于大视场下镜头存在严重畸变， 及高精度的角度分辨率要求， 因此， 采用大量实验数据结合多次拟合的方式进行系统标定。最终样机测得的部分实验结果如表 1 所示， 该系统对角线视场为180°， 方位角视场为120°， 俯仰角视场为77°， 角度测量精度优于0.05°， 中心波长测量精度优于10 nm， 模块体积为8 cm×3 cm×6 cm。

3 结　论

针对目前小型装备对高精度微型激光告警的需要， 以及现有激光告警无法同时实现大视场宽波段下的多参数高精度感知， 提出基于二维光栅的双目大视场高精度微型激光告警技术， 对各参数测量进行理论推导和系统仿真， 搭建测试系统验证其可行性。实验结果表明， 该系统方位角视场为120°， 俯仰角视场为77°， 角度测量精度优于0.05°， 中心波长测量精度优于10 nm， 该技术将为微型高精度大视场激光奠定基础。

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基金资助

国家自然科学基金资助项目(62105302)

航空科学基金资助项目(2023Z019U0001)

实验室开放基金项目(LabSOMP-2023-02)