利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测的研究

李晓江，王瑞（国网湖北省电力公司荆门供电公司，湖北荆门，448000）

利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测的研究

李晓江，王瑞
（国网湖北省电力公司荆门供电公司，湖北荆门，448000）

利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测，是目前对光电窥视设备检测的新途径，由于光电窥视设备本身具有一定复杂性，对激光探测技术、探测设备以及相关探测原理、方式进行探讨，有利于该技术的进步和进一步用于光电窥视设备检测等工作。

激光主动探测技术；光电窥视设备；原理；检测

0 引言

激光探测技术的出现，是探测技术的一次重大进步，相较于传统探测技术，激光探测技术优势十分突出，按不同探测方式、技术，激光探测的分类各有不同，其应用范围也因此而异，探究激光探测技术，有利于实现利用激光主动探测技术进行光电窥视设备的检测。

1 激光探测技术简介

1.1 激光探测技术的概念和分类

激光探测技术其核心是将光信息转换成电信息。按探测器的不同将激光探测技术分为单元探测和多元阵列探测两种形式，按探测方式又可以分为外差探测和直接探测两种。

外差探测又被成为相干探测，这是由于激光谱线非常窄，而单色性相对较高，两个激光型号在光频段进行混频可以实现光的相干探测。光的外差原理与电子外差原理基本是相同的，外差探测较之于直接探测，明显的不同是多了本振激光器和光速合成器。

直接探测的突出特点是其往往是通过将光信号直接转换成电信号进行工作，光电探测器输出的电信号在直接探测模式下其幅度与接收的光功率成正比。同时，信号没有相干性。目前看来，激光雷、激光火控测量系统、激光侦察系统普遍采用直接探测方式。其可靠性较强、稳定性良好，能够适应多种环境，而且相对来说结构简单、体积小[1]。

1.2 激光探测器

1.2.1 外光电效应探测器

外光电效应探测器，也就是一般所谓的真空型管探测器，光电倍增管、像增强管微通道板管、条纹管等都属于外光电效应探测器，光电倍增管和微通道板管对单个光子能量比较灵敏，可以瞬间感知光子能量，因此其内增益往往是较高的，可以达到107,光电倍增管和微通道板管可以用于可见光激光波长、微弱信号以及其他响应速度较高的场合。光电发射式探测器的相应波长可以延伸到1.1um，但其劣势在于，较之可见光，光电转换效率不够高。

1.2.2 内光电效应探测器

内光电效应探测器是一种半导体器件，如常用的硅光电二极管、多元阵列半导体探测器、雪崩光电二极管、PIN管等。

内光电效应探测器的特点是无论对可见光，还是近红外波段都具有较良好的光电转换性能，在实际生活中，除了少数单光子探测工作和成像探测激光雷达外，内光电效应探测器的应用非常广泛，尤其是雪崩光电二极管，内增益能力非常强，可以达到50-100，而对于1.54um以上的人眼安全激光，多采用InGaAS和HgCdTe[2]。

2 猫眼探测原理

激光探测技术等常见探测技术与猫眼原理密不可分。通过猫眼原理，可以较为直观的理解激光探测技术和其对光电窥视设备的检测，由于猫眼经常应用于房门的安装中，本文以房门上的猫眼为例进行讲解，其原理如图1所示。

一般来说，房门上的猫眼由两块透镜和简单零件组成，从室内通过猫眼向外看时，L1是凹透镜，L2是凸透镜，由于L1的焦距非常短，门外的情形会被缩成整理虚像A′B′，该虚像落在L2的第一焦点之内，由于L2是凸透镜，在此时可以起到放大的作用，门外的情形得以被放大为一个正立虚像A〃B〃，放大后的虚像已经在人的明视距离之内，因此可以看得十分清楚。

图1 猫眼原理

猫眼目标与其回波功率之比一般不会因距离的改变出现变化，利用回波强度的差异可以进行猫眼目标与漫反射小目标的区分。如果漫反射的目标较大则此方法不适用，因为较大的漫反射目标与猫眼目标之间的回波功率之比会随着距离增加而渐渐减少，当较大的漫反射目标与猫眼目标的回波功率相当时，这种变化才会停止。简言之，在室内通过猫眼向室外看的时候，地面即是漫反射大目标，激光光斑远远小于地面面积，激光会被全部反射，因此，单纯依靠回波强度差异的方法是无法识别猫眼目标的[3]。

3 利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测

3.1 激光主动探测系统

常用的激光器分为固体激光器和半导体激光器，二者除了原材料的区别之外，转换效率也有差别，通常半导体激光器的电光转换效率可以达到50%左右，而固体激光器的电光转换效率只有15%上下，不到前者的三分之一，因此半导体激光器通常是激光探测相关设备照明模块的首选。

一般来说，半导体激光器的波长选用近红外波段，通常包括915、880、850、810nm四个波长，但需要注意的是，电荷耦合元件对激光的响应度会受到激光波长的影响，波长越长，电荷耦合元件对激光的响应度就会越弱，而近红外波段激光的波长与激光的红曝现象又有直接关系，因此选用810nm波长的激光器进行试验较为妥当，输出功率在1W以下，束散角角度为10°，成像分辨率为768X576，变焦镜头为5-50mm焦距的镜头。

3.2 光电窥视设备检测

3.2.1 差分图像

利用前文提到的810nm波长的激光器等材料组成实验设备，获得激光主动照射图像和漫反射图像，对两张图像进行差分，获取相关资料、数据等，进行详细记录，该过程可以重复进行，以确保数值和结果的可靠性，由于激光会被很多物体反射，图像中会存在噪声干扰等情况，因此反复进行图像提取和差分十分必要。

3.2.2 分割阈值

通过阈值分割将噪声和有效图像分割开来，通常来说，猫眼所对的目标亮度往往是较高的，利用背景差得到的图像往往不受外界环境光强影响，因此通过固定阈值法进行相关分割工作即可。

3.2.3 抑制噪声

一般来说，阈值分割过后，噪声不能被完全清除，通过抑制噪声可以进一步获得有效图像，其主要手段是利用低通滤波对噪声进行去除，需要注意的是，低通滤波在去除噪声的过程中，还会对目标图像造成影响，选择3X3模板可以将影响降到最低。

3.3.4 提取特征

窥视光学设备的镜头一般来说以圆形镜头为主，通过圆形镜头可以确定猫眼对象的大致范围，进一步利用猫眼对象光斑的形状特征和面积进行下一步研究，按前文所选设备分析，猫眼对象光斑范围应为[25,200]之间。

此实验即是利用激光主动探测技术实现光电窥视设检测的具体实践。

4 利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测的核心方法

4.1 背景差方法

背景差方法由于具有实现简单、运算速度快、实时性好、检测效果较好等特色，目前广泛应用于运动目标检测中。

背景差方法的基本原理是利用背景帧和当前帧进行差分比较，背景模型是检测结果准确性的主要影响因素，目前看来，使用背景差方法进行目标检测的基本前提是背景帧和当前帧的像素点必须一一对应。

4.2 猫眼探测原理

猫眼探测原理与小孔成像原理不同，其两块透镜是工作的关键，也正是因此，猫眼探测原来可以用于激光主动探测技术，实现对光电窥视设备的检测。

5 结束语

利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测，是随着工业发展出现的一种新型检测方法和思路，其基本原理是猫眼原理，核心办法是背景差办法，通过猫眼原理选取合适设备，在实验室条件下利用背景差手段进行相关实验，将所获数据和结果进行分析，有利于在为下一步工作提供经验参考，使利用激光主动探测技术实现光电窥视设备检测更加可行。

[1]钱锋.隐蔽光电目标的激光主动探测识别技术研究[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所),2016.

[2]燕冲.激光瞬态回波信号锁相检测技术[D].西安工业大学,2014.

[3]魏巍.激光主动成像识别技术研究[D].吉林大学,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