光柵衍射型激光告警機的預處理圖像優(yōu)化設計

王 暉，成 瀚

（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

光柵衍射型激光告警機的預處理圖像優(yōu)化設計

王 暉，成 瀚

（北京航空航天大學儀器科學與光電工程學院，北京 100191）

光柵衍射型激光告警機是利用激光通過光柵后成像在光電探測器上的衍射條紋，進行分析處理而得到激光參數(shù)的。在其工作波長范圍內(nèi)太陽光線等背景噪聲很嚴重。這些噪聲使還原和檢測探測信號的過程十分復雜、緩慢，甚至不精確。本文設計的系統(tǒng)通過兩臺同步CCD探測器，一臺配有光柵，將獲得的圖像相減處理，快速減少噪聲干擾，識別探測信號光斑。再根據(jù)光斑位置和面積用最小的矩形將光斑圍住，光滑處理后，根據(jù)邊緣點橢圓測試得到橢圓的中心，即各個光斑精確的坐標。這種設計可以使激光告警機的后期處理更加快速、高效、準確。

圖像處理；圖像相減；橢圓測試；光柵；CCD

隨著越來越多的激光武器成功研制及其在軍事中的應用，如激光眩目器、激光致盲武器、激光制導導彈等，為了限制和對抗這些激光設備，激光告警技術(shù)得到高度重視，成為光電對抗領域的一項重要技術(shù)。激光告警機可以用來探知來襲激光的特征參數(shù)，入射方向等信息。為了有效對抗激光武器，設備必須能夠?qū)崟r識別到激光的波長從而用相同波長的激光去進行擾亂，得到具有威脅性激光的準確波長是判斷來襲激光設備性質(zhì)，威脅程度和種類的重要參數(shù)。在各種激光告警機中，光柵衍射型激光告警機以其結(jié)構(gòu)簡單，寬視場，反應速度快，以及精度高的特點，在光電對抗，激光探測，激光通信等領域得到廣泛的應用。光柵衍射型激光告警機測量原理如圖1所示，x0，x1，x2的坐標是系統(tǒng)優(yōu)化的研究對象。激光通過光柵后的衍射激光譜如圖2，3所示，入射的激光通過光柵后在CCD上形成同一直線上離散的光斑。

圖1 光柵衍射型激光告警機測量原理圖

本文設計的系統(tǒng)通過兩臺同步CCD探測器，一臺配有光柵，將獲得的圖像相減處理，快速得到小噪聲的光斑圖像，根據(jù)光斑位置和面積用最小的矩形將光斑圍住，光滑處理后，根據(jù)邊緣點橢圓測試得到各個光斑精確的坐標。這種設計可使激光告警機的后期處理更加快速、高效、準確。

圖2 激光通過光柵后的衍射光斑圖

圖3 CCD上接收到的光柵衍射光斑圖

1 預處理圖像優(yōu)化設計的原理和特點

1.1 相減處理圖像的原理和優(yōu)點

相減處理圖像的原理是將不同圖像得到的信息相減，也就是說，在某一時刻一個地點得到的圖像和另一圖像相減。

減法的公式：

其中，A（x，y）和B（x，y）是原始圖像某一位置的灰度值。是圖像中的坐標值。C（x，y）是被檢測圖像的灰度。

通過相減處理圖像的這一方法，可以快捷有效地排除圖像中多余內(nèi)容，例如信號以外的背景、物體的陰影、圖像信號上各種周期噪聲。另外，相減圖像處理可以快速檢測同一場景圖像間的不同之處并且處理出物體的邊緣輪廓。這樣使動態(tài)檢測、物體跟蹤、隔離背景和物體識別等過程變得容易、高效。

現(xiàn)在相減處理圖像已經(jīng)在很多領域廣泛使用，體現(xiàn)出很好的應用前景。例如通過遠程監(jiān)控圖像來實施森林火災、洪水，海洋污染等重大災害的動態(tài)監(jiān)測和控制。

1.2 橢圓測試算法的原理和步驟

橢圓的標準等式是：

其中，x0，y0是橢圓的中心位置坐標，θ是和x軸的夾角。a，b為橢圓長軸和短軸的長度。

圖4 橢圓模型

首先假設橢圓有以下等式表示：

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：

計算上面的等式，將6組邊緣數(shù)據(jù)點帶入得：

2 光柵衍射型激光告警機CCD衍射光斑預處理優(yōu)化的過程

2.1 圖像分析

在日常工作環(huán)境中獲得的CCD圖像如圖5所示，圖像中包含很多多余的因素，例如被觀察物體周圍的環(huán)境、光線和陰影。這些都影響著圖像的質(zhì)量和處理的效率，例如背景光線特別強就會干擾圖像采集，使接收到的圖像扭曲變形，甚至使接收到的圖像無法識別。這些都會嚴重影響后續(xù)處理來襲激光重要參數(shù)的結(jié)果，同時背景圖像會隨著工作場景改變而發(fā)生改變，這些都為迅速準確控制來襲激光產(chǎn)生一定程度的阻礙。使整個告警系統(tǒng)的運算復雜，繁瑣，甚至得到的結(jié)果有誤。

圖5 CCD探測到的光斑圖

2.2 基于相減原理的圖像預處理

如果噪聲在圖像處理前就被預先過濾掉，那就會大大簡化光斑識別的過程，從而加快整個系統(tǒng)的反應速度，同時使系統(tǒng)精度變得高效。系統(tǒng)引入相減處理圖像的原理來減去干擾噪聲圖像，提取有用的信號。因為光斑是由激光通過衍射光柵產(chǎn)生相對于沒有光柵采集到的圖像的不同信號。系統(tǒng)工作的時候，通過兩臺CCD獲得的背景圖像是完全同步的，包括周圍光源的變化和移動，以及其他噪聲對系統(tǒng)的影響。所以光斑就可以被認為是兩幅圖像中的不同信號。通過相減圖像處理的方法可以很快的分離出圖像的有用信號并記錄光斑的粗略坐標，進而加速圖像的處理。

2.3 計算光斑的精確坐標

將通過衍射光柵后CCD探測到的圖像放大，得到放大了的衍射光斑點，如圖6所示。

圖6 放大的衍射光斑

將放大的衍射光斑用邊緣檢測，描繪出的圖如圖7所示。

圖7 放大的光斑邊緣檢測處理后

通常得到的光斑不是對稱的圓，所以用求圓心的方法來確定它的中心點往往不是很準確，為以后的高精度計算和運用有隱患，提高后續(xù)處理難度。這也是本系統(tǒng)相對于其他激光告警機波長測量精確改進的地方。本系統(tǒng)將光斑的邊緣點放進橢圓曲線中來測試橢圓公式，從而確定符合光斑的橢圓圓心，即光斑的精確中心。

確定橢圓中心的具體步驟：

1）通過光斑的位置和面積，用最小的矩形把圖像上的每一個光斑圍住。

2）平滑處理矩形里面的圖像，這樣可以過濾許多圖像采集系統(tǒng)的隨機噪聲有助于邊緣檢。

3）求一階導獲得圖像光斑的邊緣。

4）所得的邊緣包含圓形光斑的邊緣和噪聲的邊緣，致使光斑不是對稱的圓，每個光斑的大致中心坐標已經(jīng)知道，通過這個中心配合不同的半徑測試邊緣點像素位置。

5）用符合的橢圓測試，得到準確的圓心，即精確的光斑中心位置。

3 結(jié)論與展望

3.1 結(jié)論

激光武器的快速研制和應用，使得激光對抗的斗爭也愈演愈烈。激光告警機的快速反應，測試精度的要求也不斷提高。設備的成本也在不斷的增加，如何充分利用現(xiàn)有設備得到高效、準確的探測結(jié)果越發(fā)重要。相減處理圖像可以在各種環(huán)境下簡化排除圖像噪聲的處理進程，從而釋放大量的后續(xù)處理設備的成本。橢圓測試確定精確的光斑位置，可以在現(xiàn)有精度的設備上，得到更準確的數(shù)據(jù)，為后續(xù)測量來襲激光波長提供處理的便利和精度保障。本文設計的系統(tǒng)通過兩臺同步CCD探測器，一臺配有光柵，將獲得的圖像相減處理，快速得到小噪聲的光斑圖像，根據(jù)光斑位置和面積用最小的矩形將光斑圍住，光滑處理后，根據(jù)邊緣點橢圓測試得到各個光斑精確的坐標。這種設計可以使激光告警機的后期處理更加快速，高效，準確。

3.2 展望

CCD探測器作為激光告警機的核心設備，隨著精度、反應速率要求的不斷提升，成本也越發(fā)昂貴。本文的系統(tǒng)采用兩臺探測器，這可能在設備不斷升級的過程中遇到資金困難，在后續(xù)的實驗中將著力降低探測器的成本。后續(xù)的實驗計劃分為兩部分，第一部分測試兩臺不同精度的CCD的圖像預處理。用于采集對比圖像的CCD探測器精度可以適當降低，以削減成本，畢竟背景噪聲的采集精度對整體設備的處理影響不大。第二部分，研究不同速率和精度的CCD對整體告警系統(tǒng)效率的影響，以及不同運算速度的系統(tǒng)后臺對整體系統(tǒng)效率的影響，對比兩部分的成本，核對出最經(jīng)濟，高效，準確的激光告警裝置配置。

［1］王明.相干識別型激光告警接收機信噪比分析［D］.太原：中北大學，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.

〔編輯 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

王暉（1988-），男，山西大同人，碩士，研究方向：激光告警、圖像處理。