高空间分辨率的非成像型激光告警装置设计_于一.pdf

第 44 卷 第 4 期2023 年 4 月 激光杂志LASER JOURNALVol.44,No.4April,2023http /收稿日期:2022-09-26作者简介:于一(1980-),男,实验师,硕士,主要研究方向:激光传感、计算机应用。E-mail:41769293 通讯作者:李世伟(1980-),男,副教授,主要研究方向:信息处理与通信、激光传感。E-mail:30637567 高空间分辨率的非成像型激光告警装置设计于 一1,李世伟21中北大学大数据学院,太原 030051;2中北大学信息与通信工程学院,太原 030051摘 要:为了在非成像型激光告警装置中获得来袭激光方位,使用半球体结构排布光电传感器。通过对光电传感器定位编号以及光强采集,基于激光来袭时的受光传感器空间坐标和激光强度,进行数学化建模,从而获得激光来袭方向。针对告警装置中噪声电流对该方法求解方位信息的影响,论证了该方法可得到的最小角度分辨率表达式,并为此方法设计了实际的可行方案。关键词:激光告警;方位探测;最小二乘法;光电探测器中图分类号:TN247 文献标识码:A doi:10.14016/ki.jgzz.2023.04.057Design of no imaging type laser warning device withhigh spatial resolutionYU Yi1,LI Shiwei21North University Of China School of Data Science and Technology,Taiyuan 030051,China;2North University Of China School of Information and Communication Engineering,Taiyuan 030051,ChinaAbstract:For getting the coming laser direction in no imaging type laser warning device,a half-ball structure was applied to arrange the Photoelectric Sensors.with numbering all of the sensors and getting the light intensity informa-tion,based on the spatial coordinate of the sensors and the light intensity,built the mathematic model program to get the information of coming lasers direction.Take the influence of noise to get the direction information,analysis the minimum angular resolution the method can get and design a feasible program for this method.Key words:laser warning;direction detection;least square method;photoelectric sensor1 引言基于光谱识别方式的非成像激光告警装置,具有成本低、设计原理简单可行、视场范围大等优点。鉴于此,世界上很多国家研究了非成像类告警装置,并已运用于实际装备。绝大部分的非成像类告警装置都具有一个共同的特点,其获得激光来袭方向的方法是通过光电探测器视场分割实现的,且分辨率不是很高。提出的根据光电探测器电流和光电探测器空间坐标建立方程组的方法,可在不增加探测器的情况下使得系统的空间角度分辨率得到较大提高。2 原理分析在线性工作区中,光电探测器电流与其接收的光能量成正比,当入射激光与探测器成不同角度时,其输出电流与角度具有对应函数关系。基于这样的分析,提出根据探测器电流响应判断入射激光方向的方法,此方法可以在不增加探测器个数的情况下大大提高系统的角度分辨率。原理如下:图 1 探测器等效接收如图 1 所示,设探测器光敏面面积为 S,其法线方http /向为 n,?n 为法线的单位向量,?m 为 S0的单位法向量,S0为 S 在与入射光垂直平面上的投影,有:|S0|=|S|?n?m=|S|cos(1)设 为入射光原始功率密度,探测器在线性工作区响应电流与接收能量关系为(S)/i=K,则探测器响应电流 i0为i0=S0K(2)显然,仅通过一个探测器的响应电流,不能得到确定的入射方向解,因此,需要建立有解的线性方程组从而获得确定的方向结果。显然当三者光敏面处于同一平面或有其中两个处于同一平面时,无法获得激光照射方向。因此,可使用半球体结构作为探测固定装置,探测器光敏面与半球体球半径垂直,如图 2所示。图 2 探测器空间坐标设半球地面中心为 O(0,0,0),A、B、C 为激光告警机上可被同时照射的 3 个任意探测器,设 OA(a11,a12,a13)、OB(a21,a22,a23)、OC(a31,a32,a33)分别为告警机球心指向探测光敏面中心的单位向量,D1、D2、D3 为来袭平行光方向单位向量。探测器 A接收到的能量为WA=SA=SOAD1(3)同理,设探测器 B、C 获得能量分别为 WB、WC。由于 D1、D2、D3 均为平行光反向单位向量,设:D1=D2=D3=(x1,x2,x3)(4)OAD1=(a11 a12 a13)x1x2x3()(5)设 y1=(SA)/K,y2=(SB)/K,y3=(SC)/K,其中 y1、y2、y3 分别为探测器 A、B、C 的响应电流,则有:111213212223313233()x1x2x3()=y1y2y3()(6)则当 OA、OB、OC 非线性相关时,方程有唯一解,即可得出来袭激光的入射方向为x1x2x3()当系统有 3 个以上探测器接收到来袭激光时,由于方程未知数只有三个,可通过求方程组最小二乘解的方法等到激光方位。X=(ATA)-1AT(Y)(7)在实际工作情况中,每个探测器将不可避免地受到噪声的影响4,导致方程的解存在一定误差,必然影响到整个系统的最小空间角度分辨率,因此,需确定噪声对最小空间角度分辨率的影响。通常,系统使用同一型号探测器,因此,可将所有探测器信噪比视为 SNR,则由噪声引起的响应电流为 i=i/SNR,将i 引入方程组:111213212223313233()x1x2x3()=y1y1SNRy2y2SNRy3y3SNR|(8)这里设 Y=x1x2x3(),正比于探测器得到的能量。A=111213212223313233(),X=x1x2x3()(9)方程 AX=Y+E 的最小二乘解为X=(ATA)-1ATYYSNR()(10)X=(ATA)-1AT(Y)(11)噪声对结果的影响为|x-X|=ATYSNR()(12)非成像类激光告警装置的探测对象为在一定距离内直接入射的激光信号,其光强较大。背景噪声经过光学滤波和电学滤波的双重抑制后,其转化得到的电信号与激光信号对比相差较大,即信噪比较高,可以得出,最小角度分辨率与信噪比成正比,可在一定程度上提高系统的空间角分辨率,可为激光方位辨别工作提供新的思路。3 方案设计根据以上理论分析,在实际设计中必须保证来袭激光可以被三个或三个以上的探测器同时有效接收,85于一,等:高空间分辨率的非成像型激光告警装置设计http /且探测器光敏面均不处于同一平面。基于以上分析,采用如下方法对探测器视场和安装位置进行设计。如图 3 所示,在半球体顶点安装一个探测器,探测器光敏面与半球体底面平行,其他探测器一共 16 个,分水平两层安装,中间层每个探测器的光敏面垂直于光敏面中心与半球体底面的中心连线,连线与半球体底面成 45角;底层水平面探测器贴近半球体底面安装。图 3 探测器安装水平方向每层 8 个探测器安装在直线 1、2、3、4上,如图 4 所示。图 4 探测器水平分布垂直方向,探测器均匀排布在半球外表面与过半球体顶点和底面中心平面的交线上,相邻两个探测器角度差为 45,每个探测器进行编号,如图 5 所示。图 5 探测器垂直分布根据安装结构和探测器分布情况,当探测器视场应90,当有激光来袭时,水平方向至少有两个探测器接收信号的同时,垂直方向也至少有两个探测器可以接收信号,即至少可以保证同时有 3 个探测器可以接收到来袭激光,满足所述提高角度分辨率的方法。由来袭激光转换的电流可线性变换成电压信号,通过AD 转换得到数字量后送入处理芯片进行算法处理。4 实施方案为了确定激光来袭方向,可先对告警装置进行空间定位。以 1 号和 9 号传感器对应北方,其余按顺时针进行编号对应,分别对应空间八个方向:北、东北、东、东南、南、西南、西、西北共八个方位信息。上下两层的传感器在垂直方向上、下两个信息。通过编辑程序,将程序变量与 16 个光电传感器进行对应,当有激光来袭时,基于告警装置空间定位和采集到的光电传感器编号信息,对来袭方向进行大致方位辨识;而后,将相应光电传感器采集到的光强信息带入算法程序,从而给出更为精确的方向定位信息。执行过程如图 6所示。图 6 来袭激光信息处理流程5 结论根据光电探测器工作在线性区时电流和接收功率成正比,利用空间坐标建立方程组,对来袭激光的方位进行判定。分析了该方法成立的条件为三个或三个以上探测器可同时接收激光信号,并且任意两个探测器不能处在同一平面。当同时接收到信号的探测器超过三个时,可用最小二乘的方法求解。考虑到实际工作存在噪声影响,给出了该方法能够达到的最小角度分辨率表达式,并结合叙述的方法给出了可行的设计方案。参考文献1 王喜焱,张洁.激光告警设备的发展过程及现状J.情报指挥控制系统与仿真技术,2002,24(6):22-29.2 程玉宝,李庆,刘上乾.一种激光定向的多窗口设计J.应用光学,2005,26(6):53-56.3 孙春生,李树山,雷选华.一种确定激光辐射方位的新技术J.激光与红外,2003,33(2):101-103.4 张记龙,王明,田二明,等.激光告警接收机灵敏度和信噪比分析及实验验证J.光谱学与光谱分析,2009,29(1):20-235 赵涛,刘明,王璐.国外激光告警技术的设备和发展.J.舰船电子工程,2009,29(2):27-296 吴新宇,陈拥军,张华达,等.大视场探测与激光告警技术J.光电工程,2004.31(7):5-77 刘智超,张记龙,阎鹤,等.一种投影式激光方位测量方法J.光学学报,2008,28(8):15181-522.95于一,等:高空间分辨率的非成像型激光告警装置设计