李曉江，王瑞（國網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司，湖北荊門，448000）

利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測的研究

李曉江，王瑞
（國網(wǎng)湖北省電力公司荊門供電公司，湖北荊門，448000）

利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測，是目前對光電窺視設(shè)備檢測的新途徑，由于光電窺視設(shè)備本身具有一定復(fù)雜性，對激光探測技術(shù)、探測設(shè)備以及相關(guān)探測原理、方式進(jìn)行探討，有利于該技術(shù)的進(jìn)步和進(jìn)一步用于光電窺視設(shè)備檢測等工作。

激光主動探測技術(shù)；光電窺視設(shè)備；原理；檢測

0 引言

激光探測技術(shù)的出現(xiàn)，是探測技術(shù)的一次重大進(jìn)步，相較于傳統(tǒng)探測技術(shù)，激光探測技術(shù)優(yōu)勢十分突出，按不同探測方式、技術(shù)，激光探測的分類各有不同，其應(yīng)用范圍也因此而異，探究激光探測技術(shù)，有利于實現(xiàn)利用激光主動探測技術(shù)進(jìn)行光電窺視設(shè)備的檢測。

1 激光探測技術(shù)簡介

1.1 激光探測技術(shù)的概念和分類

激光探測技術(shù)其核心是將光信息轉(zhuǎn)換成電信息。按探測器的不同將激光探測技術(shù)分為單元探測和多元陣列探測兩種形式，按探測方式又可以分為外差探測和直接探測兩種。

外差探測又被成為相干探測，這是由于激光譜線非常窄，而單色性相對較高，兩個激光型號在光頻段進(jìn)行混頻可以實現(xiàn)光的相干探測。光的外差原理與電子外差原理基本是相同的，外差探測較之于直接探測，明顯的不同是多了本振激光器和光速合成器。

直接探測的突出特點是其往往是通過將光信號直接轉(zhuǎn)換成電信號進(jìn)行工作，光電探測器輸出的電信號在直接探測模式下其幅度與接收的光功率成正比。同時，信號沒有相干性。目前看來，激光雷、激光火控測量系統(tǒng)、激光偵察系統(tǒng)普遍采用直接探測方式。其可靠性較強(qiáng)、穩(wěn)定性良好，能夠適應(yīng)多種環(huán)境，而且相對來說結(jié)構(gòu)簡單、體積小[1]。

1.2 激光探測器

1.2.1 外光電效應(yīng)探測器

外光電效應(yīng)探測器，也就是一般所謂的真空型管探測器，光電倍增管、像增強(qiáng)管微通道板管、條紋管等都屬于外光電效應(yīng)探測器，光電倍增管和微通道板管對單個光子能量比較靈敏，可以瞬間感知光子能量，因此其內(nèi)增益往往是較高的，可以達(dá)到107,光電倍增管和微通道板管可以用于可見光激光波長、微弱信號以及其他響應(yīng)速度較高的場合。光電發(fā)射式探測器的相應(yīng)波長可以延伸到1.1um，但其劣勢在于，較之可見光，光電轉(zhuǎn)換效率不夠高。

1.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)探測器

內(nèi)光電效應(yīng)探測器是一種半導(dǎo)體器件，如常用的硅光電二極管、多元陣列半導(dǎo)體探測器、雪崩光電二極管、PIN管等。

內(nèi)光電效應(yīng)探測器的特點是無論對可見光，還是近紅外波段都具有較良好的光電轉(zhuǎn)換性能，在實際生活中，除了少數(shù)單光子探測工作和成像探測激光雷達(dá)外，內(nèi)光電效應(yīng)探測器的應(yīng)用非常廣泛，尤其是雪崩光電二極管，內(nèi)增益能力非常強(qiáng)，可以達(dá)到50-100，而對于1.54um以上的人眼安全激光，多采用InGaAS和HgCdTe[2]。

2 貓眼探測原理

激光探測技術(shù)等常見探測技術(shù)與貓眼原理密不可分。通過貓眼原理，可以較為直觀的理解激光探測技術(shù)和其對光電窺視設(shè)備的檢測，由于貓眼經(jīng)常應(yīng)用于房門的安裝中，本文以房門上的貓眼為例進(jìn)行講解，其原理如圖1所示。

一般來說，房門上的貓眼由兩塊透鏡和簡單零件組成，從室內(nèi)通過貓眼向外看時，L1是凹透鏡，L2是凸透鏡，由于L1的焦距非常短，門外的情形會被縮成整理虛像A′B′，該虛像落在L2的第一焦點之內(nèi)，由于L2是凸透鏡，在此時可以起到放大的作用，門外的情形得以被放大為一個正立虛像A〃B〃，放大后的虛像已經(jīng)在人的明視距離之內(nèi)，因此可以看得十分清楚。

圖1 貓眼原理

貓眼目標(biāo)與其回波功率之比一般不會因距離的改變出現(xiàn)變化，利用回波強(qiáng)度的差異可以進(jìn)行貓眼目標(biāo)與漫反射小目標(biāo)的區(qū)分。如果漫反射的目標(biāo)較大則此方法不適用，因為較大的漫反射目標(biāo)與貓眼目標(biāo)之間的回波功率之比會隨著距離增加而漸漸減少，當(dāng)較大的漫反射目標(biāo)與貓眼目標(biāo)的回波功率相當(dāng)時，這種變化才會停止。簡言之，在室內(nèi)通過貓眼向室外看的時候，地面即是漫反射大目標(biāo)，激光光斑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于地面面積，激光會被全部反射，因此，單純依靠回波強(qiáng)度差異的方法是無法識別貓眼目標(biāo)的[3]。

3 利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測

3.1 激光主動探測系統(tǒng)

常用的激光器分為固體激光器和半導(dǎo)體激光器，二者除了原材料的區(qū)別之外，轉(zhuǎn)換效率也有差別，通常半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到50%左右，而固體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率只有15%上下，不到前者的三分之一，因此半導(dǎo)體激光器通常是激光探測相關(guān)設(shè)備照明模塊的首選。

一般來說，半導(dǎo)體激光器的波長選用近紅外波段，通常包括915、880、850、810nm四個波長，但需要注意的是，電荷耦合元件對激光的響應(yīng)度會受到激光波長的影響，波長越長，電荷耦合元件對激光的響應(yīng)度就會越弱，而近紅外波段激光的波長與激光的紅曝現(xiàn)象又有直接關(guān)系，因此選用810nm波長的激光器進(jìn)行試驗較為妥當(dāng)，輸出功率在1W以下，束散角角度為10°，成像分辨率為768X576，變焦鏡頭為5-50mm焦距的鏡頭。

3.2 光電窺視設(shè)備檢測

3.2.1 差分圖像

利用前文提到的810nm波長的激光器等材料組成實驗設(shè)備，獲得激光主動照射圖像和漫反射圖像，對兩張圖像進(jìn)行差分，獲取相關(guān)資料、數(shù)據(jù)等，進(jìn)行詳細(xì)記錄，該過程可以重復(fù)進(jìn)行，以確保數(shù)值和結(jié)果的可靠性，由于激光會被很多物體反射，圖像中會存在噪聲干擾等情況，因此反復(fù)進(jìn)行圖像提取和差分十分必要。

3.2.2 分割閾值

通過閾值分割將噪聲和有效圖像分割開來，通常來說，貓眼所對的目標(biāo)亮度往往是較高的，利用背景差得到的圖像往往不受外界環(huán)境光強(qiáng)影響，因此通過固定閾值法進(jìn)行相關(guān)分割工作即可。

3.2.3 抑制噪聲

一般來說，閾值分割過后，噪聲不能被完全清除，通過抑制噪聲可以進(jìn)一步獲得有效圖像，其主要手段是利用低通濾波對噪聲進(jìn)行去除，需要注意的是，低通濾波在去除噪聲的過程中，還會對目標(biāo)圖像造成影響，選擇3X3模板可以將影響降到最低。

3.3.4 提取特征

窺視光學(xué)設(shè)備的鏡頭一般來說以圓形鏡頭為主，通過圓形鏡頭可以確定貓眼對象的大致范圍，進(jìn)一步利用貓眼對象光斑的形狀特征和面積進(jìn)行下一步研究，按前文所選設(shè)備分析，貓眼對象光斑范圍應(yīng)為[25,200]之間。

此實驗即是利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)檢測的具體實踐。

4 利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測的核心方法

4.1 背景差方法

背景差方法由于具有實現(xiàn)簡單、運算速度快、實時性好、檢測效果較好等特色，目前廣泛應(yīng)用于運動目標(biāo)檢測中。

背景差方法的基本原理是利用背景幀和當(dāng)前幀進(jìn)行差分比較，背景模型是檢測結(jié)果準(zhǔn)確性的主要影響因素，目前看來，使用背景差方法進(jìn)行目標(biāo)檢測的基本前提是背景幀和當(dāng)前幀的像素點必須一一對應(yīng)。

4.2 貓眼探測原理

貓眼探測原理與小孔成像原理不同，其兩塊透鏡是工作的關(guān)鍵，也正是因此，貓眼探測原來可以用于激光主動探測技術(shù)，實現(xiàn)對光電窺視設(shè)備的檢測。

5 結(jié)束語

利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測，是隨著工業(yè)發(fā)展出現(xiàn)的一種新型檢測方法和思路，其基本原理是貓眼原理，核心辦法是背景差辦法，通過貓眼原理選取合適設(shè)備，在實驗室條件下利用背景差手段進(jìn)行相關(guān)實驗，將所獲數(shù)據(jù)和結(jié)果進(jìn)行分析，有利于在為下一步工作提供經(jīng)驗參考，使利用激光主動探測技術(shù)實現(xiàn)光電窺視設(shè)備檢測更加可行。

[1]錢鋒.隱蔽光電目標(biāo)的激光主動探測識別技術(shù)研究[D].中國科學(xué)院研究生院(長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所),2016.

[2]燕沖.激光瞬態(tài)回波信號鎖相檢測技術(shù)[D].西安工業(yè)大學(xué),2014.

[3]魏巍.激光主動成像識別技術(shù)研究[D].吉林大學(xué),2013.

Detection of photoelectric peeping device using laser active detection technology

Li Xiaojiang,Wang Rui
(State Grid, Hubei electric power company, Jingmen power supply company, Jingmen Hubei, 448000)

The realization of photoelectric detection equipment into active detection technology by laser is a new way to the photoelectric detection of equipment due to peep, peep the photoelectric equipment itself has a certain complexity of laser detection technology, detection equipment and detection principle, carries on the discussion, is conducive to the progress of technology and equipment for photoelectric detection further peep work.

laser active detection technology; photoelectric peeping equipment; principle; detection