基于红外扫描监控技术的激光监听检测设备

徐 明，赵晓叶，田亚慧，倪 屹

（江南大学 物联网工程学院，江苏 无锡 214122）

随着激光、红外技术的不断发展，以及光电侦察、预警和防护系统的广泛应用。近年来，光电对抗已经成为发展最快、最引人注目的技术领域之一，它的基本目标是如何实现对放置在一定距离的光电设备（如激光测距仪、热像仪以及激光、红外、电视制导系统等）进行快速、精确的定位，从而进一步对抗这些光电设备。这些光电设备的一个公共特性就是其光学元件对入射光具有很强的与原光路平行反射的特性，通常比漫反射目标的回波强102～104倍，这种特性俗称“猫眼”效应[1]。

激光监听检测技术正是利用光学元件的猫眼效应，通过发射激光束对光电系统和光学观瞄设备进行扫描和识别，从而实现对具有完整光学系统的监听设备进行检测。另外，这种利用猫眼效应的主动式侦察原理和技术在反恐和军事侦察中也有重要实用前景。

1 系统总体方案

该设备是基于“猫眼效应”以及主动成像技术的反激光监听设备，具有全天候成像、自动巡航、图像处理、以及语音和图像预警等功能。具体工作原理如图1所示。

由方案图可知，该设备的系统组成有光检测系统、扫描系统以及报警系统。

图1 总体技术方案Fig.1 Overall technical scheme

1）光检测系统

图2为光检测系统的工作原理示意图，由图可知，该子系统由激光发射单元、激光接收单元以及计算显示单元组成。其中，激光发射单元由半导体激光发射器和光学系统组成；激光接收单元由光电探测器和光学接收系统组成；计算显示单元由图像处理和报警显示两部分组成。

激光发射器在驱动电路的控制下对划定区域进行激光扫描；对方光学镜头反射的激光信号由接收光学系统汇聚到光电探测器（CCD）中，经CCD把光信号转换为电信号后由专门的视频服务器输出到计算机中进行图像处理，并将处理后的结果显示在监控画面中，当画面中出现监听设备时由报警子系统完成报警功能。

图2 光检测系统的原理框图Fig.2 The principle of optical detection system block diagram

2）扫描系统

本系统中采用速度可调节云台进行左右以及俯仰扫描，在光检测系统未报警情况下，云台进行自动扫描；当出现可疑目标时，光检测系统给云台提供检测信号，通过扫描机构反馈数据，可确定系统工作的方位角，从而确认可疑目标的具体位置。

3）报警系统

在光检测系统检测到可疑目标后，通过输出传输以及语音驱动使警示灯闪烁以及扩音器报警。

2 原理及硬件设计

2.1 “猫眼”效应及激光主动检测原理

激光主动检测就是利用监听设备中光学系统的反射特性进行的检测，即向目标区域发射激光，通过对反射回波的分析识别目标。激光主动检测主要基于光学系统存在的“猫眼”效应[2]。形成“猫眼”效应的条件：一是目标必须是完整的光学系统，具有一定的光学增益并在焦平面附近有反射物；二是探测激光必须进入目标视场；三是光电探测器的光谱响应半径与激光波频率匹配。其原理如图3所示。

图3 光学镜头"猫眼"效应原理图Fig.3 The principle diagram of the optical lens"cat's eye"effect

激光照射在目标上时，如果激光的辐射通量为θr，则受照目标的辐射强度为：

式中，ρ为均匀漫反射的反射率，Ω为空间立体角。激光照射在普通目标上时ρ=0.05，Ω=π。激光照射在“猫眼”目标上时 ρ=0.5，Ω=0.02 rad。

代入（1）则有：

式中，I0为“猫眼”目标的辐射强度，IM为普通目标的辐射强度。由此不难看出，具有“猫眼”效应的目标，其辐射强度比普通均匀漫反射目标的辐射强度高3个数量级以上。因此在理论上，利用猫眼效应可以使检测出光学镜片与普通环境的区别[3]。

2.2 硬件设计

本方案选择OSRAM公司出品的一款红光波段（900 nm）的半导体激光器SPLLL90作为激光发射器，其突出优点是功率较高。内部结构如图4所示。

图4 半导体激光器内部示意图Fig.4 Semiconductor laser internal schematic diagram

本项目在激光器的驱动电路中采用限流、稳流、延时软启动等措施来实现防止电流或静电荷浪涌的冲击，从而对驱动电源进行保护。

具体的激光驱动原理图如图5所示。

图5 激光驱动原理图Fig.5 The principle diagram of the laser driver

3 软件设计

3.1 扫描报警系统

图6 激光监听检测系统的扫描及报警工作流程图Fig.6 Laser listening test system of scanning and alarm work flow chart

3.2 图像处理

为了适应智能化激光监听检测系统的要求，提出了借助视频监控装置拍摄图像，利用图像处理技术自动获取不同光强的图像边界。初步判定有可能有激光监听设备的位置。当反射激光在某些位置超出规定阈值安全范围时.自动进行报警并且采取相应措施，从而保证了场所安全，其图像处理算法流程图如图7所示。

图7 图像处理流程图Fig.7 Image processing flow chart

4 关键技术

4.1 如何提高系统信噪比问题

由于系统工作在白天，在有阳光的户外，环境照度可达上千勒克斯，而如果激光照射照度远小于环境激光时，会影响系统检测正确率，因此需要对激光以及成像系统进行处理，可使系统全天候进行检测[4]。

在本方案中采用两种途径提高系统信噪比：其一，把光斑由10 m见方的范围处理为带状光，因此同样功率激光，单位面积内能量可以提高上千倍，从而可以提高系统性噪比，降低系统成本、体积等，同时不影响系统检测速度[5]。具体方案如图8所示，在系统中，通过光纤输出的激光器发散角为θ=12°，可以在θ//角方向率先采用球透镜把角度压小，然后再通过柱透镜对输出激光进行准直，即可输出线状光斑。其二，在成像系统前加滤波器，只有激光波长范围内的激光可以进入成像系统，其余光均被滤除（如图9）。如滤光器的波长为900 nm，带宽范围为20 nm左右，则可滤除其它杂散光，可将系统信噪比提高上百倍（在900 nm附近，太阳光的能量分布相对较少，通过滤波可以最大的提高系统性噪比，同时激光器件比较普及）。

图8 线状激光输出光学系统示意图Fig.8 Linear laser output optical system schematic diagram

图9 滤波成像系统示意图Fig.9 Filtering imaging system schematic diagram

4.2 如何提高激光均匀化问题

由于激光输出波长比较窄，因此出射的光会有很多干涉花纹，从而出现有的地方比较亮，而另外一部分相对比较暗，这会降低系统信噪比。因此提高激光均匀度对系统信噪比提高有相当重要的意义。

本系统对输出的激光进行光纤耦合，而耦合光纤缠绕在圆柱形PZT上，对PZT施加高频调制信号，其调制频率远远大于CCD图像取样频率（20帧/秒），由于PZT调制是激光在光纤中行进路线进行改变，可以实现在照射的同一位置激光亮暗发生快速显著变化，而图像传感器CCD的速度却远小于这变换速率，因此设计出了相对于CCD取样图像而言激光均匀照明的系统。

4.3 如何确定系统对可疑目标位置精度确认

当激光语音获取设备检测检测到目标时，由于环境目标都为窗户，具有同质性，如何在同质性的环境中确认可疑目标以及为排查可疑目标提供精确数据。

在激光监听检测系统中，激光检测设备安装在云台上，而云台通过程序可按一定轨迹运行，在云台运行过程中，记录其运行轨迹，得出系统方位角，而通过方位角就可确定系统采集图像的具体位置，从而可以确定出报警时的目标地点[6]。

5 结 论

本项目主要是基于红外扫描监控技术，利用“猫眼效应”实现对激光监听设备的检测，半导体激光二极管在驱动电路的作用下产生一束近红外激光，然后通过准直整形、光束调整等处理后由专门的激光发射系统发射出准线状红外激光，当照射到激光监听设备后，由于“猫眼效应”的存在，使得激光监听设备的反射激光能量会显著大于背景信号，因此进入CCD成像器件的反射信号在形成图像时，就可通过信号强度的对比检测出激光监听设备。本系统具有背景反差好、探测距离远、成像清晰度高、强光抑制效果好，实用性强等优点，可用于国家安全部门、警用部门、机密会议场所的反监听领域，或者军用领域反狙击手。

[1]赵勋杰，高稚允，张英远.基于“猫眼”效应的激光侦察技术及其在军事上的应用[J].光学技术，2003，29（4）:415-417.

[2]赵延仲，孙华燕，宋丰华，等.猫眼效应用于激光主动探测技术的研究现状与发展趋势[J].中国激光，2010，47:102802.

[3]赵延仲，宋丰华，孙华燕，等.利用Zemax分析“猫眼效应”的激光反射特性[J].光学技术，2007，33（S1）:89-91.

[4]王小谟，张光义.雷达与探测——信息化战争的火眼金睛[M].北京：国防工业出版社，2008.

[5]SLD400lasersniperdetector[EB/OL].http://www.cilas.com/defense-securite/fiche-produit-sld400.pdf.

[6]SLD 500 surveillance and sniper detection laser system[EB/OL].http://www.cilas.com/defense-securite/sld500-angl.pdf.