張卓奇，張 瑞，牛家麒，王志斌
(1.中北大學 儀器與電子學院，太原 030051；
2.中北大學 山西省光電信息與儀器工程技術研究中心，太原 030051；
3.中北大學 前沿交叉科學研究院，太原 030051)
激光技術作為光電探測領域的重要分支，憑借其響應快，功率大，應用面廣的特點，在軍事領域中已經得到飛速的發展。20世紀以來，激光追蹤、激光制導、激光雷達和激光作戰衛星等激光武器已經相繼應用到戰場之中，激光武器已經成為各個國家軍隊競賽的重要領域。因此，為了應對國際上日益嚴重的激光威脅，各國都在大力發展激光告警技術。激光告警系統是一種可以測得來襲激光方位角、俯仰角、光功率和波長等參數的軍用告警設備，其可以對敵軍武器進行實時監測和反偵察，也可以對我方的激光設備進行定期的精度和性能檢測[1]。目前，激光告警系統主要裝配在衛星雷達上，星載激光告警系統安裝在易于受到反衛星激光武器攻擊的部位，告警信號由星上數據處理系統快速分析與處理，判斷激光武器的威脅程度，發送給衛星防護體系，并采取信號干擾、攔截和破壞等操作進行防御[2]。
現有的激光告警技術按成像原理主要分為散射探測型、光譜識別型和光柵衍射型[3]。散射探測型的激光告警系統結構簡單，制作成本低，但是只能探測固定波長的激光，并且角度分辨率低；
光譜識別型激光告警系統可以探測多波段的激光，但是其衍射效率低，角度分辨率低，并且搭建儀器較為復雜，成本較高；
光柵衍射型激光告警系統憑借其測量精度高，探測波段廣和制作成本低的優點，已經逐步將散射探測型和光譜識別型激光告警系統取代[4]。自從各國開始發展激光告警技術以來，激光告警系統逐漸朝著多波段，大視場范圍和高精度的方向發展[5]。20世紀80年代初期，英國BAE公司研制的1220型激光告警機器，其探測光譜接受范圍達到0.35～1.1 μm，俯仰角水平范圍達到了-15～+40°，方位角水平范圍達到了360°，測量角度分辨率為10°左右[6]。1998年，中國信陽空軍第一航空學院基于CCD線陣探測器，研制了國內第一臺激光告警機器，其角度分辨率達到1.5°，并且單個探測器的方位角視場范圍達到120°。2010年，合肥電子工程學院設計出FPGA+DSP的激光告警裝備，具有寬波段探測波長范圍的優點。近幾年，中北大學光電信息研究中心使用了面陣CCD探測器，解決了國內不能對俯仰角測量的問題，并且方位角視場范圍達到±45°，俯仰角視場范圍達到±35°，角度分辨率達到0.5°，自此國內激光告警技術逐漸走向成熟[7-10]。
隨著激光技術在基本理論和材料工藝等方面的成熟，各國對激光告警的測量精度要求日益嚴格，傳統的激光告警系統已經不能滿足現代化戰爭的需求。光斑中心提取的準確與否決定了激光告警系統測量精度的好壞[11]。但是在實際應用中，由于探測器工藝生產過程中不可避免的缺陷與激光告警機器工作環境的復雜性，激光告警系統探測器的成像往往有噪點和非目標因素的干擾，這些干擾直接影響到光斑中心提取的準確性，進而影響到激光告警系統的測量精度，所以有效去除噪點和非目標因素的干擾，對激光告警系統測量的準確性至關重要[12-14]。
近年來常見的目標分割方法主要有：1)最大熵閾值分割，該方法是在保持圖像均勻性的前提下，尋找最優的閾值來分割圖像的方法，但是該方法對噪聲比較敏感且計算量比較大，在激光告警系統的實際應用過程中不易分割出光斑與噪點[15]，不適于光柵衍射型激光告警系統的成像特性；
2)迭代閾值法，該方法是根據給定的閾值對圖像進行二值化處理，不斷調整閾值，直到最合適的圖像位置，但是的計算速度較慢，不滿足于激光告警的系統的實時性要求[16]；
3)邊緣檢測法，該方法主要是通過一階導數算子或者二階導數算子對圖像做卷積來提取圖像的邊緣信息，該算法邊緣檢測較準，對噪聲比較敏感，但是閾值的大小需要自己設定，自適應能力較差，不適用于激光告警系統工作時復雜變化的環境[17]。Otsu閾值分割算法具有自動選取閾值，處理速度快和適用范圍廣的優點。該算法不需要人工干預，在計算類間方差時，只需要計算一次灰度直方圖，并且適用于各種復雜變換的環境。因此，Otsu算法滿足高精度寬波段激光告警系統實時性和復雜環境下工作的需求。
針對現有激光告警系統提取精度差，測量角度分辨率低的問題，提出了基于FPGA與改進Otsu算法的高精度寬波段激光告警系統，對Otsu算法進行了推導和改進，并將改進后的Otsu算法與探測器的成像控制相結合，有效去除了噪點和非目標因素的干擾，提高了激光告警系統的測量精度，并將測量的來襲激光的參數通過RS422接口傳輸至上位機實時觀看。
高精度激光告警系統主要包括光學衍射模塊，探測器控制模塊、圖像處理模塊和數據傳輸模塊。光學衍射模塊是將來自被探測物體的光線集中到探測器芯片上，生成電信號并傳輸圖像。探測器控制模塊是通過FPGA控制探測器將光電信號轉變為模擬信號。數據傳輸模塊是基于AD芯片和RS422接口構成的通信傳輸系統。圖像處理模塊主要包括圖像閾值分割模塊。圖像閾值分割模塊基于Otsu算法，實現了自適應閾值控制，基于計算出的閾值，對探測器采集的圖像進行二值化處理。系統基于處理后的圖像，進行光斑中心坐標提取和角度計算。系統原理如圖1所示。
圖1 激光告警原理圖
1.1 光柵衍射型激光告警測量原理
系統使用兩個InGaAs焦平面陣列探測器分別進行角度的精測和粗測，可以實現對波段為0.4～1.7 μm的可見與近紅外光探測[18-19]。粗測模塊僅僅使用了廣角鏡頭，不使用光柵，計算出的角度為激光告警系統提供大致的方位角和俯仰角。
(1)
其中：x粗和y粗是粗測模塊獲得的光斑中心坐標，f粗是廣角鏡頭的焦距。α粗和γ粗是粗測計算出的方位角和俯仰角，可以確定光斑衍射的級數。
精測模塊使用寬波段大視場二維衍射光柵，利用多縫衍射原理將來襲激光根據不同的波段衍射成不同個數的光斑[20]，通過計算最靠近成像中心的光斑坐標來計算出來襲激光的方位角和俯仰角。
(2)
其中：x精和y精是經過寬波段二維衍射光柵衍射后離成像中心最近的光斑坐標，f精是帶有光柵的鏡頭焦距，α精和γ精是精測計算出的方位角和俯仰角。
根據式(1)和式(2)可以計算出經過光柵衍射后光斑的衍射級數a和b：
(3)
其中：round是四舍五入的取整函數，d為光柵常數。由式(1)～(3)可以得到來襲激光的方位角、俯仰角和波長為：
(4)
式中，α和γ是激光告警系統真正測出的方位角和俯仰角，λ為測得來襲激光的波長。
1.2 Otsu算法原理
Otsu算法又稱作最大類間方差法，是一種經典的非參數，無監督的自適應閾值選取法，該算法是通過計算一幀圖像的灰度直方圖信息，使目標因素和非目標因素的方差取得最大時的像素值作為分割圖像的最佳閾值[21-22]。
傳統Otsu算法的基本思想是：假設一副圖像的灰度值范圍是[L0，L1]，灰度值為i，算法通過設置灰度值t把圖像分為a0和a1兩部分，則a0區域的灰度值取值范圍為[L0，t]，a1區域的灰度值取值范圍為[t+1，L1]。則a0和a1的灰度概率為：
(5)
(6)
則這兩個區域所有像素點的平均灰度值為：
(7)
(8)
由式(5)～(8)可得到傳統的a0和a1類間方差表示為：
g=w0w1(u0-u1)2
(9)
滿足式(9)取得最大時的閾值t，即為最大類間方差獲得的最佳分割閾值：
t=Arg{max(g)}，L0≤t≤L
(10)
但是傳統的Otsu算法計算的閾值t，只考慮到類間方差的大小，沒有考慮各類本身的內聚性，在目標區域和背景區域相差較大時，會導致圖像得不到有效的分割[23]。為了對來襲激光衍射的光斑圖進行有效的分割，引入了類內絕對差和類間差的比值作為閾值判別的依據，改進后的算法公式表示為：
g=w0w1|u0-u1|
(11)
(12)
σi=σ0+σ1
(13)
則新的最佳閾值判別函數為：
(14)
滿足式(14)取得最大時的閾值t，即為改進后的Otsu算法的最佳分割閾值。
改進后的Otsu算法只需計算絕對值，而無需計算平方，降低了算法的復雜程度和計算量，并且采用了類內絕對差和類間離差的比值作為判別函數，使得目標和背景分類效果最優的同時，目標類內的內聚性也比較好，使得式(14)計算出的閾值更接近實際的最佳閾值。
高精度激光告警系統硬件部分重點設計了InGaAs探測器驅動電路、RS422串口通信電路、模數轉換電路和FPGA控制電路。
2.1 InGaAs探測器驅動電路設計
系統使用兩個InGaAs焦平面陣列探測器分別進行角度的精測和粗測。其中LINE1 和DATAVALID端口為探測器第一行數據有效標志和行數據有效標志，由探測器向FPGA輸入數據，FPGA通過端口的高低電平進行處理。SERDAT為探測器的串口數據輸入端口，FPGA通過SPI通信協議向SERDAT端口輸入寄存器組，以此來配置探測器的積分電容，輸出通道控制和功耗控制等初始工作模式。INT為系統幀同步信號端口，由FPGA對端口進行控制，FPGA向探測器輸入高電平時探測器進行數據處理，低電平時不進行數據處理工作，FPGA通過配置INT端口來配置探測器的積分讀出工作模式。MC為探測器時鐘端口，由FPGA向探測器輸入工作時鐘。VDDA和VDDA3為探測器的模擬電源，典型電壓為3.3 V。SUBPV引腳為探測器的外部輸入偏置電壓，推薦電壓為2.25～2.95 V。系統使TPS7A7002DDAR 電壓基準芯片為SUBPV和VBLM供電。VLOG、VBP和VREF為探測器內部產生電壓。
InGaAs焦平面陣列探測器的參數如表1所示，探測器驅動電路設計如圖2所示。
表1 面陣探測器主要參數
圖2 InGaAs探測器驅動電路原理圖
2.2 RS422串口通信電路設計
二維激光告警系統的接口模塊使用了RS422串口通信電路，RS422是一系列規定采用4線，全雙工，差分傳輸和多點通信的數據通信協議，具有傳輸速率高、傳輸速率遠、不易受到干擾的特點[24]。電路使用了MAX3490ESA低功耗收發器，每個器件中都具有一個驅動器和一個接收器，可以減小電磁干擾，并降低由不恰當的終端匹配電纜引起的反射，實現最高250 kbps的無差錯數據傳輸。其原理如圖3所示，電路中MAX3490ESA收發芯片的工作電源為3.3 V，D2、D7、D8、D9、D10、D11均為瞬態抑制二極管，阻值設置為120 Ω，用于對接口的保護。
圖3 RS422串口通信電路原理圖
2.3 模數轉換電路設計
激光告警系統具有高傳輸速度的要求，為了匹配InGaAs探測器最高8通道的模擬信號輸出，系統設計選用了型號AD9288的模數轉換芯片，該芯片擁有最高125 Msps的采樣速率，可以滿足激光告警系統的傳輸要求。為了保證探測器和AD芯片傳輸時的最大效率，在電路每個接地端口均放置了去耦電容，并將其差分端口INA+、INA-和INB+、INB-探測器輸出端口相連接，以供FPGA進行數據讀取。其電路設計如圖4所示。
圖4 AD9288模數轉換芯片電路原理圖
2.4 FPGA控制電路設計
激光告警系統主要通過FPGA進行探測器芯片控制、圖像處理和數據傳輸。系統選用的FPGA控制芯片為Intel公司的EP4CE55F23I7N芯片，該芯片是一款架構先進、高性能、低功耗的FPGA。該芯片能夠使用的IO引腳多達374個，芯片的邏輯單元高達55 000個，片內RAM的存儲容量為2 340 kbit，滿足激光告警系統的設計需求。FPGA控制器的輸入電壓由整機系統電源模塊輸出的5 V電壓提供，隨后需要將5 V電壓轉化為FPGA芯片內部I/O口需要的數字電源電壓3.3 V、PLL鎖相環需要的模擬電源電壓2.5 V以及內核數字電源電壓1.2 V。因此，系統選擇使用電壓精度芯片TLV62130完成3.3 V和1.2 V電壓轉換。FPGA控制電路如圖5所示。
圖5 FPGA控制電路
系統軟件部分基于EP4CE55F23型號的FPGA芯片、Quartus Ⅱ開發環境和Verilo HDL編程語言，實現了InGaAs探測器控制、RS422串口通信、Otsu圖像分割算法。
3.1 InGaAs探測器時序控制
FPGA芯片控制InGaAs探測器將來襲的激光信號轉換為模擬信號，再通過AD芯片傳輸給FPGA處理。為了提高激光告警系統的采樣頻率，同時滿足實時性的要求，使探測器工作在邊積分邊讀取模式，這種工作模式下，InGaAS探測器在輸出前一幀圖像的同時，同時對當前幀信號進行積分處理操作，實現一邊積分，同時一邊讀出的功能。每個信號讀出的時間為一個時鐘周期Tmc，幀周期近似等于讀出時間，積分時間幾乎和輸出時間重疊。探測器工作流程如圖6(a)所示，其各個端口的FPGA工作時序如圖6(b)所示。
圖6 InGaAs探測器邏輯控制圖
3.2 Otsu算法圖像分割
Otsu圖像分割模塊根據式(14)計算出的結果，調整最優閾值t，從而實現對探測器圖像輸出的閾值控制。閾值的大小通過FPGA的Otsu模塊傳到兩個探測器的控制模塊，并根據計算出來的t，將探測器輸出的數據進行二值化處理：灰度值大于閾值的數據設置為1，灰度值小于閾值的數據設置為0。將處理后的光斑數據傳輸給圖像處理模塊，進行光斑中心坐標、來襲激光俯仰角和方位角的計算。其FPGA的RTL viewer如圖7所示。
圖7 激光告警系統RTL視圖
3.3 RS422串口通信
基于RS422通用全雙工收發傳輸器規定的設備之間傳輸的幀格式。FPGA向上位機模擬發送了8字節進行串口通信驗證，發送的數據為：17 h、70 h、00 h、10 h、00 h、14 h、AAh和55 h，傳輸波特率設置為115 200波特，RS422串口通信的工作時序如圖8所示。
圖8 RS422的工作時序圖
在上述理論研究和系統設計的基礎上，基于實驗室的光學平臺和測試儀器，搭建的雙目高精度激光告警系統實驗裝置如圖9所示。
圖9 雙目高精度寬波段激光告警實驗圖
多波段激光器模擬523 nm、1 064 nm和1 550 nm的3種波段的來襲光源，作為激光告警系統測試的發射光源。高精度二維轉臺使激光告警系統在不同角度的光照射下，進行數據采集、標定和驗證，并且轉臺轉動精度達到0.01°。PC上位機通過RS422接口實時檢測激光告警的測量數據。
4.1 探測器圖像采集
在合適光照強度的照射下，用1 064 nm波段的模擬光源照射激光告警系統，將探測器采集到的光斑衍射圖通過FPGA芯片和USB2.0通信協議傳輸至上位機實時觀看。采集到的光斑如圖10所示。
圖10 不同波段激光采集
從圖10中可以看出，探測器可以成功采集來襲激光的衍射光斑圖，并且采集到的圖像清晰無壞點，但是由于探測器工藝生產不可避免的缺陷，InGaAs探測器在成像過程中往往有噪點和盲元的干擾，并且由于光柵衍射效率的影響，在波長1 064 nm激光的照射下，精測光斑圖像會有零級光斑衍射產生的光暈的干擾，這些噪點和光暈會影響后續對中心光斑的坐標計算，進而影響到激光告警系統對方位角和俯仰角等參數測量的準確性。
4.2 改進的Otsu算法驗證
為了驗證改進的Otsu算法的分割結果，基于MATLAB開發軟件，分別用傳統的閾值分割算法，傳統的Otsu算法和改進的Otsu算法，對探測器采集的光斑圖像進行閾值分割。3種不同方法的分割結果如圖11所示。
圖11 光斑分割效果比較圖
從圖11不同算法的分割結果比較圖可以看出，在1 064 nm的模擬光源照射下，傳統的Otsu算法相對于傳統的閾值分割算法，可以有效避免由于探測器工藝產生的噪點和無效像元的影響，但是零級光斑附近還是存在較大光暈的影響。相比于傳統的閾值分割算法和Otsu算法，改進的Otsu算法不僅抑制了噪點和無效壞點的干擾，還可以有效抑制了衍射光暈的影響，提高了探測器的成像質量，為激光告警系統計算的準確性提供了一定的保障。
4.3 高精度激光告警系統驗證
在有效抑制噪點和光暈的干擾后，為了驗證激光告警系統的精度，通過轉臺調整激光告警系統的方向，使其在不同方位角和俯仰角的模擬激光照射下工作，通過灰度質心法，對傳統閾值分割法下的光斑中心坐標和改進的Otsu法下的光斑中心坐標進行多次計算，并和理論光斑中心坐標進行對比，兩種不同方法的對比結果如表2所示。
表2 不同角度下衍射光斑的中心坐標
由表2可知，傳統閾值分割法光斑中心坐標像素誤差在0.64個像素左右，而改進的Otsu算法誤差在0.06個像素左右，實驗結果表明，相較于傳統的閾值分割算法，改進后的Otsu算法使光斑中心提取精度達到了0.06個像素，有效抑制了盲元和光暈對光斑中心提取的影響，提高了激光告警系統對光斑提取精度。
基于改進后的Otsu算法，將灰度質心法提取出來的光斑中心坐標x粗、y粗、x精、y精代入式(1)～(4)中得到來襲激光的方位角、俯仰角和波長。以轉臺的角度為基準，激光告警系統測量的方位角與俯仰角和轉臺角度對比結果如表3所示。
表3 激光告警系統測量角度對比
由表3可知，雙目高精度寬波段激光告警系統的方位角和俯仰角測量最大誤差為0.1°，平均誤差為0.03°，角度分辨率達到了0.05°，相比較傳統激光告警系統，從測量精度和角度分辨率兩個方面都有了較大的提升。
為了驗證雙目高精度寬波段激光告警系統的視場范圍，在轉臺俯仰角為0°時，使方位角以0.05°的步進依次增加，記錄出可測范圍內x精和轉臺角度的關系，如圖12(a)所示。轉臺方位角為0°時，可測范圍內y精和轉臺角度的關系，如圖12(b)所示。
圖12 光斑中心坐標與角度關系圖
由圖12可知，隨著轉臺角度的不斷變化，距離成像中心最近的光斑中心坐標x精和y精呈現周期性變化，符合光柵衍射的成像原理，并且雙目高精度寬波段激光告警系統測量的方位角視場范圍可以達到±60°，俯仰角視場范圍可以達到±50°。
本文針對激光告警系統采集的光斑中心提取誤差大，角度測量精度差和測量分辨率低的問題，設計了一種基于FPGA和改進的Otsu算法的高精度寬波段激光告警系統。系統通過將改進的Otsu閾值分割算法和探測器圖像輸出相結合起來，通過自適應計算出合理的閾值，有效抑制了探測器固有噪聲和衍射光暈的干擾，提高了探測器的成像質量，突出了探測目標的信息。經驗證，改進后的激光告警系統對光斑中心提取平均誤差在0.06個像素，系統的方位角視場范圍達到±60°，俯仰角視場范圍達到±50°，在滿足大視場范圍的同時，角度分辨率達到0.05°，角度測量平均誤差為0.03°。實驗證明，雙目高精度寬波段系統在測量精度和視場范圍等方面都有了一定的改善，滿足了激光告警系統在現代化戰爭的應用需求。
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