高　巍　李翰山

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

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激光光幕靶探測性能研究*

高巍李翰山

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要為了改善光幕靶的探測性能,通過建立激光光幕靶的探測靈敏度模型分析了其探測性能。利用紅外波段的線激光器構(gòu)造光幕靶的發(fā)射光源,給出了線激光器數(shù)量與探測光幕盲區(qū)之間的關(guān)系;從探測靈敏度的定義出發(fā),結(jié)合光幕靶的探測原理,建立了激光光幕靶的探測靈敏度計(jì)算模型,說明了靶面內(nèi)光能分布情況,分析了影響激光光幕靶探測性能的因素。利用仿真對比了激光光強(qiáng)與可見光LED的光強(qiáng),并說明了激光光幕靶的探測靈敏度與激光器功率的大小成正比。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了激光光幕靶的探測性能要明顯優(yōu)于以可見光LED構(gòu)造光源的傳統(tǒng)光幕靶。

關(guān)鍵詞激光光幕靶; 探測靈敏度; 光能分布; 光電探測器

Detection Sensitivity Calculation Model of Laser Light Screens

GAO WeiLI Hanshan

(School of Electronic Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractTo improve the detection performance of laser light screen, through the establishment of detection sensitivity model of laser light screen, its detection performance was analyzed in this paper. The infrared laser was used to construct light screens emitting light, the relationship between detection screen area and the number of line lasers was given. According to the definition of detection sensitivity, combined with the working principle of laser light screen, the detection sensitivity model was set up, the light energy distribution on detection screens were introduced, the influencing factors of laser light screens detection performance was analyzed. Through simulation results, the laser light intensity and the visible LED light intensity was compared, indicating the laser screen target detection sensitivity was proportional to the power of the lasers. Experiment showed the laser light screen had better detection performance than traditional light screen with visible light LED as a light source.

Key Wordslaser light screens, detection sensitivity, laser energy distribution, photoelectric detectors

Class NumberTP181

1引言

傳統(tǒng)光幕靶利用可見光LED構(gòu)造發(fā)射光源,存在探測靶面小容易受到燈光等環(huán)境光的影響。采用近紅外波段波長的激光代替可見光LED來構(gòu)造光幕靶的光源,可以有效克服上述存在問題。目前有部分文獻(xiàn)對激光光幕靶進(jìn)行了研究,但針對光幕靶系統(tǒng)探測靈敏度模型還沒相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道。因此,很有必要對光幕靶探測靈敏度進(jìn)行研究。

2激光光幕靶探測靶面分析

傳統(tǒng)光幕靶利用可見光LED構(gòu)造發(fā)射光源,光源的垂直發(fā)散角大,導(dǎo)致光能量發(fā)散,因此光能傳播距離較近,用其構(gòu)造的光幕靶靶面的大小受到了限制。相比于可見光LED而言,激光的準(zhǔn)直性非常好,即垂直發(fā)散角很小,光能可以傳播很遠(yuǎn)的距離。據(jù)此,利用激光作為光幕靶光源可以得到較大面積的探測光幕。同時(shí),選用近紅外波段波長的激光,與響應(yīng)近紅外波段波長的光電探測器相配合,可以有效避免室內(nèi)等光對光幕靶系統(tǒng)的影響。

圖1為所構(gòu)造的單個(gè)激光光幕靶面示意圖。光源由陣列激光器組成并固定于靶架下方;接收裝置由陣列光電二極管器件構(gòu)成并固定于靶架上方位置。激光器的選取上采用線激光器,大大地減少光幕靶的成本和復(fù)雜程度。同時(shí)為了保證探測光幕的均勻性和一致性,需要保證線激光器對稱排布。接收裝置選用高靈敏度的PIN型硅光電二極管,若干光電二極管緊密排布構(gòu)成光電探測面。從圖1可以看出,由于實(shí)際靶面的限制,即使增加線激光的發(fā)散角,線激光發(fā)出的光線也不能夠被探測器接收到。但是當(dāng)線激光器的數(shù)目增多時(shí),探測光幕盲區(qū)的面積會隨之減小,因此可以選擇合適的線激光器數(shù)目來滿足靶面的實(shí)際需求。

圖1　激光光幕靶靶面示意圖

在圖1中,三角形OCD是其中的一塊探測盲區(qū),h1為三角形AOB的高,h2為三角形OCD的高,由兩個(gè)三角形之間的幾何關(guān)系如下:

(1)

其中:AB為探測靶面的寬度,CD為線激光器D1和線激光器D2之間的間距。

由于線激光器對稱排布,則有AB=2CD,即h1=2h2。盡管圖1所示的探測盲區(qū)是兩塊三角形區(qū)域,但在矩形區(qū)域內(nèi)進(jìn)行測試時(shí),會出現(xiàn)目標(biāo)穿過部分區(qū)域有信號而穿越部分區(qū)域無信號的情況,并且難以對探測盲區(qū)的三角形區(qū)域進(jìn)行準(zhǔn)確劃分,因此將整個(gè)的矩形區(qū)域作為探測盲區(qū)看待。以探測盲區(qū)的三角形區(qū)域的高度的整個(gè)矩形區(qū)域均不被算入有效探測靶面的面積中。

對于多個(gè)線激光器的情況類似,當(dāng)線激光器的數(shù)目為N時(shí),探測盲區(qū)由N-1個(gè)三角形區(qū)域組成,且所有的探測盲區(qū)三角形的高度都是一樣的,探測靶面的有效探測區(qū)的高度為

(2)

由此可以看出,隨著線激光器數(shù)目的增多,探測盲區(qū)的高度減小,有效探測靶面的面積隨之增大。圖2所示為11個(gè)線激光器組成探測光幕時(shí)的情況,其中靶面的寬度為1.5m,高度為1.65m,此時(shí)的探測盲區(qū)僅為0.1m寬度的矩形區(qū)域,探測光幕盲區(qū)的面積僅占整個(gè)靶面面積的9%?？梢钥闯鲇行綔y靶面的面積大大增加了,最終實(shí)際有效的探測光幕面積為1.5m*1.5m的區(qū)域。

圖2　多個(gè)線激光器靶面示意圖

3激光光幕靶探測靈敏度模型

光幕靶系統(tǒng)的探測靈敏度通常用探測距離y與目標(biāo)寬度l的比值來描述。根據(jù)探測靈敏度δ的定義可以推出其表達(dá)式如下所示:

(3)

由此可知,對于同樣大小的目標(biāo),探測靈敏度越高表示其探測距離越遠(yuǎn),意味著靶面的高度可以做得越大。

當(dāng)有目標(biāo)經(jīng)過探測光幕時(shí),光電探測器輸出的光電流Ic為

Ic=ΔΦ·δd

(4)

其中:ΔΦ為目標(biāo)經(jīng)過時(shí)所遮擋的光通量;δd是光電探測器的光照靈敏度。

而目標(biāo)經(jīng)過探測光幕時(shí)所遮擋的光通量ΔΦ又可以表示為

ΔΦ=I·S

(5)

其中:I為分布在探測器感光面上的激光光強(qiáng);S為目標(biāo)通過探測光幕時(shí)的遮光面積。

設(shè)光幕靶的狹縫光闌的寬度為b,則目標(biāo)通過探測光幕時(shí),在光電探測器上的遮光面積可近似看為S=lb。對于光電探測器而言,其可以接受的光通量有一個(gè)極限最小值,低于這個(gè)值,則即使有光通量的變化探測器也不會有光電流信號輸出,據(jù)此并綜合光幕靶工作原理可以推知激光光幕靶系統(tǒng)探測靈敏度具有如下關(guān)系:

(6)

其中:H為靶面高度;β為探測電路的總放大倍數(shù)。

光幕靶的探測靈敏度可以非常直觀地反映出系統(tǒng)的探測性能,因此通常將其作為衡量光幕靶性能的重要參考依據(jù)。

4激光光幕靶探測靈敏度分析

為了說明式(6)中激光光能對探測靈敏度的影響情況,需要分析陣列激光器形成的探測光幕在光電探測器感光面上的光能分布情況。

當(dāng)線激光器LD的水平發(fā)散角為αs,垂直發(fā)散角為βv,根據(jù)光度學(xué)可知在距離激光器y處激光光強(qiáng)的理想分布為

(7)

其中:P為線激光器的出瞳功率;A為激光光強(qiáng)在光敏面上的分布面積。

由式(7)可以看出,由于激光的垂直發(fā)散角比可見光LED的垂直發(fā)散角小得多,因此在離光源相同距離的情況下,激光光強(qiáng)遠(yuǎn)大于可見光LED的光強(qiáng)。

為了保證系統(tǒng)的一致性,設(shè)所有線激光器的發(fā)散角一致,由于陣列線激光器中的各個(gè)線激光器單元都是獨(dú)立的光源,不同的線激光器發(fā)出的激光互不影響,因此對于多個(gè)線激光器所形成的探測光幕在整個(gè)靶面內(nèi)的光強(qiáng)分布情況而言,可以將每個(gè)線激光器的光強(qiáng)分布線性疊加。

靶面內(nèi)任意一點(diǎn)的光強(qiáng)大小不僅與該點(diǎn)到線激光器的垂直距離有關(guān),還與線激光器的光強(qiáng)在該點(diǎn)處疊加的數(shù)目有關(guān)。在靶面結(jié)構(gòu)確定的情況下,靶面內(nèi)任意一點(diǎn)的光強(qiáng)隨著到光源的距離越近以及線激光器的光強(qiáng)在此處疊加的越多,呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢。其中位于靶面兩側(cè)邊緣的區(qū)域,由于僅有一個(gè)線激光器形成其探測光幕,因此其激光光強(qiáng)最弱,即該區(qū)域的探測靈敏度最小,通常用其表征光幕靶系統(tǒng)的探測靈敏度。在式(7)建立了靶面內(nèi)光強(qiáng)分布的基礎(chǔ)上,綜合式(6)可得系統(tǒng)探測靈敏度表達(dá)式如下:

(8)

由式(8)可知,影響激光靶探測靈敏度的因素很多。在靶面結(jié)構(gòu)確定以后,則靶面高度H和線激光的水平發(fā)散角βv也隨之確定下來。由于線激光垂直發(fā)散角αs非常小,因此激光靶的探測靈敏度要遠(yuǎn)高于使用可見光LED作為光源的光幕靶。而硅光電探測器的光電轉(zhuǎn)化能力δd在近紅外波段相差無幾?？梢酝ㄟ^提高線激光器的功率P、增大光闌狹縫寬度b以及提高探測電路的放大倍數(shù)β等手段來提高系統(tǒng)的探測靈敏度。

雖然理論上可以通過將狹縫的寬度調(diào)大來獲取更高的探測靈敏度,但同時(shí)由于其額外引入了較多的背景噪聲,降低了系統(tǒng)的信噪比;并且由于光電探測器的輸出信號中存在熱噪聲和散粒噪聲等白噪聲,在提高電路放大倍數(shù)的同時(shí)會將此白噪聲的幅值放大,因此需要保證在系統(tǒng)有較高的信噪比時(shí)才可適當(dāng)提高探測電路的放大倍數(shù),因此實(shí)際測試中通常采取提高激光器功率這種措施來提高系統(tǒng)探測靈敏度。

5計(jì)算與實(shí)驗(yàn)分析

5.1可見光LED與線激光器光強(qiáng)對比分析

設(shè)可見光LED的垂直發(fā)散角為30°,線激光器的垂直發(fā)散角為8°,根據(jù)式(7)可知二者光強(qiáng)的理想分布如圖3所示。

圖3　可見光LED和激光光強(qiáng)分布

可以看出可見光LED和線激光器的光強(qiáng)大小均隨著到光源距離的增大而迅速減小;但在到光源相同距離的情況下,激光光強(qiáng)遠(yuǎn)大于可見光LED光強(qiáng),激光的光強(qiáng)要比理想光源的光強(qiáng)按距離的平方衰減緩慢得多。因此利用激光構(gòu)建光幕靶的光源可以實(shí)現(xiàn)較大的探測靶面。

5.2激光光幕靶探測靈敏度計(jì)算與分析

激光光幕靶的探測靶面示意如圖2所示,線激光器的出瞳功率為5mV,選用IGA020型InGaAs PIN光電探測器,其響應(yīng)近紅外波段波長激光的光電轉(zhuǎn)換能力為0.9A/W。選用的光電探測器可探測到的最小光照度為800Lux,設(shè)探測電路的總放大倍數(shù)為1×105倍,則根據(jù)式(8)可得光闌狹縫寬度與激光器功率對系統(tǒng)探測靈敏度的影響情況如下所示。

由圖4可知,隨著激光器功率和光闌狹縫寬度的增加,系統(tǒng)探測靈敏度逐漸增大。雖然增大光闌狹縫的寬度可以增加靶面的探測靈敏度,但與此同時(shí)將引入環(huán)境光等噪聲,這非常不利于最終的目標(biāo)信號識別,因此不將其作為提高探測靈敏度的手段。當(dāng)線激光器的出瞳功率為10mV且光闌狹縫的寬度為0.1mm時(shí),根據(jù)式(8)可求得激光光幕靶的探測靈敏度可以達(dá)到800。

圖4　光幕靶系統(tǒng)探測靈敏度

5.3實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證前文提到的理論分析部分,設(shè)計(jì)一個(gè)四幕激光光幕靶的原理樣機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。激光靶的靶面大小為1.5m*1.5m,光幕Ⅰ與光幕Ⅳ之間的距離為1.5m。表1和表2分別為利用氣槍彈對LED光源的光幕靶和激光光幕靶的靶面內(nèi)不同區(qū)域時(shí)進(jìn)行測試時(shí),光幕Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ相應(yīng)探測電路輸出的過靶信號幅值情況。

表1　LED光源光幕靶測試數(shù)據(jù)

表2　激光光幕靶測試數(shù)據(jù)

從表1和表2的對比情況可知,對于同一測試目標(biāo),激光光幕靶輸出的目標(biāo)過靶信號幅值高于傳統(tǒng)光幕靶輸出的目標(biāo)過靶信號幅值。同時(shí)可以看出,當(dāng)目標(biāo)經(jīng)過靶面內(nèi)中心位置時(shí),過靶信號幅值最高,對應(yīng)靶面內(nèi)探測靈敏度也最高;位于靶面兩側(cè)的邊緣位置只有較少的激光光幕疊加,因此目標(biāo)過靶信號幅值最小,對應(yīng)的探測靈敏度也最小。其中光幕Ⅲ由于是傾斜放置,其目標(biāo)過靶信號幅值和探測靈敏度要小于其它光幕。

通過實(shí)驗(yàn)分析可知,所設(shè)計(jì)的激光光幕靶輸出的目標(biāo)過靶信號幅值較高,反映出系統(tǒng)的探測靈敏度較高;即使在靶面內(nèi)性能最差的邊緣位置進(jìn)行實(shí)驗(yàn),其探測電路輸出的目標(biāo)過靶信號幅值也遠(yuǎn)高于以LED作為光源的光幕靶。實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地驗(yàn)證了前文理論分析的合理性。

6結(jié)語

本文提出利用紅外激光作為光幕靶發(fā)射光源,消除了LED可見光作為光源時(shí)環(huán)境光等雜散光對光幕靶的干擾,給出了線激光器數(shù)量對靶面探測盲區(qū)面積的影響情況,建立了激光光幕靶探測靈敏度模型,并說明了提高激光光幕靶探測靈敏度的一些措施。通過實(shí)驗(yàn)分析了靶面內(nèi)探測靈敏度的分布情況,驗(yàn)證了理論分析的合理性。本文對激光光幕靶探測靈敏度模型的研究與建立,為實(shí)際中激光光幕靶的設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)和指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

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中圖分類號TP181

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.03.010

作者簡介:高巍,男,碩士研究生,研究方向:光電探測與識別。

收稿日期:2015年9月1日,修回日期:2015年10月27日.