CN114200469A - 一种基于角锥阵列的激光探测系统 - Google Patents

Abstract

一种基于角锥阵列的激光探测系统，涉及激光技术领域。基于角锥阵列的激光探测系统包括安装于待定位目标上的角锥阵列、向角锥阵列发射激光的激光器、接收角锥阵列反射激光的接收光学系统、对接收光学系统接收激光进行光电转换的四象限探测器、与四象限探测器电连接的前端处理电路、与前端处理电路电连接的A/D采样电路、与A/D采样电路电连接的比较电路及与比较电路电连接的微控制器处理电路，微控制器处理电路控制激光器发射激光；角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向间隔布置的至少四个角锥棱镜组成。基于角锥阵列的激光探测系统可对近距离飞行目标进行高精度定位，受目标背景复杂度影响比较小，抗干扰能力强。

Description

一种基于角锥阵列的激光探测系统

技术领域

本申请涉及激光技术领域，具体而言，涉及一种基于角锥阵列的激光探测系统。

背景技术

目前国内外探测飞行目标主要采用图像跟踪进行定位，当飞行目标距离较远时，图像跟踪的定位精度可以满足系统跟踪要求，但飞行目标距离较近时，图像跟踪的定位精度已不能满足系统的跟踪要求，这是由于图像跟踪相关算法只能跟踪在飞行目标上，不能具体到飞行目标的具体某个部位，导致其定位精度差。

例如，中国北京环境特性研究所在专利公开号为CN103647937A名称为图像跟踪系统及其图像数据处理方法的专利中，提出了将采集的图像数据进行灰度变换和中值变化后的DSP根据变化的图像数据进行目标搜索与跟踪的方案。中国沈阳飞机工业(集团)有限公司在专利公开号为CN104064057A名称为图像跟踪测量数据与雷达测量数据互补融合的实现方法的专利中提出了在远距离采用雷达接收目标数据进行跟踪目标，近距离采用图像信息和激光测距仪辅助测距进行跟踪的方案。

上述几种方案的不足之处在于：当目标距离在3公里外时，定位精度可以满足系统的要求，当目标距离较近时，利用上述图像算法定位精度差，并且随着目标背景复杂，图像的识别效果会更差。

发明内容

本申请的目的在于提供一种基于角锥阵列的激光探测系统，可对近距离飞行目标进行高精度定位，受目标背景复杂度影响比较小，抗干扰能力强。

本申请的实施例是这样实现的：

本申请实施例提供一种基于角锥阵列的激光探测系统，其包括安装于待定位目标上的角锥阵列、用于向角锥阵列发射激光的激光器、用于接收角锥阵列反射激光的接收光学系统、用于对接收光学系统接收激光进行光电转换的四象限探测器、用于将四象限探测器输出的电流信号转换成电压信号的前端处理电路、用于对前端处理电路输出的电压信号进行采样的A/D采样电路、用于接收A/D采样电路输出数据并与设定阈值进行比较的比较电路及用于接收比较电路输出数据的微控制器处理电路，微控制器处理电路通过调制驱动电路控制激光器发射激光；角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向间隔布置的至少四个角锥棱镜组成。

在一些可选的实施方案中，还包括设于激光器和角锥阵列之间的发射光学系统，发射光学系统包括光纤准直器。

在一些可选的实施方案中，还包括用于将前端处理电路输出的电压信号进行放大的放大电路及用于对放大电路放大的信号进行滤波的带通滤波电路，A/D采样电路与带通滤波电路电连接。

在一些可选的实施方案中，接收光学系统包括依次布置的第一透镜、第二透镜和小孔光阑，小孔光阑的小孔处设有滤光片。

在一些可选的实施方案中，微控制器处理电路通过RS422通信接口连接有计算机。

在一些可选的实施方案中，角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向均匀间隔布置的六个角锥棱镜组成。

在一些可选的实施方案中，激光器为光纤激光器，且发射峰值功率为30W，发射激光的波长为1550nm。

在一些可选的实施方案中，发射光学系统和接收光学系统共窗口布置。

本申请的有益效果是：本申请提供的基于角锥阵列的激光探测系统包括安装于待定位目标上的角锥阵列、用于向角锥阵列发射激光的激光器、用于接收角锥阵列反射激光的接收光学系统、用于对接收光学系统接收激光进行光电转换的四象限探测器、用于将四象限探测器输出的电流信号转换成电压信号的前端处理电路、用于对前端处理电路输出的电压信号进行采样的A/D采样电路、用于接收A/D采样电路输出数据并与设定阈值进行比较的比较电路及用于接收比较电路输出数据的微控制器处理电路，微控制器处理电路通过调制驱动电路控制激光器发射激光；角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向间隔布置的至少四个角锥棱镜组成。本申请提供的基于角锥阵列的激光探测系统可对近距离飞行目标进行高精度定位，受目标背景复杂度影响比较小，抗干扰能力强。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统中角锥阵列的结构示意图；

图3为本申请实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统中接收光学系统的结构示意图；

图4为本申请实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统中激光光斑照射在四象限探测器的靶面中心时的示意图

图5为本申请实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统中激光光斑偏离四象限探测器的靶面中心时的示意图。

图中：100、角锥阵列；101、角锥棱镜；110、激光器；120、接收光学系统；121、第一透镜；122、第二透镜；123、小孔光阑；124、滤光片；130、四象限探测器；131、靶面；132、激光光斑；140、前端处理电路；150、A/D采样电路；160、比较电路；170、微控制器处理电路；180、调制驱动电路；190、放大电路；200、带通滤波电路；210、发射光学系统；220、计算机；230、RS422通信接口。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

以下结合实施例对本申请的基于角锥阵列的激光探测系统的特征和性能作进一步的详细描述。

如图1、图2、图3、图4和图5所示，本申请实施例提供一种基于角锥阵列的激光探测系统，其包括安装于待定位目标上的角锥阵列100、用于向角锥阵列100发射激光的激光器110、用于接收角锥阵列100反射激光的接收光学系统120、用于对接收光学系统120接收激光进行光电转换的四象限探测器130、用于将四象限探测器130输出的电流信号转换成电压信号的前端处理电路140、用于将前端处理电路140输出的电压信号进行放大的放大电路190、用于对放大电路190放大的信号进行滤波的带通滤波电路200、用于对带通滤波电路200滤波的电压信号进行采样的A/D采样电路150、用于接收A/D采样电路150输出数据并与设定阈值进行比较的比较电路160及用于接收比较电路160输出数据的微控制器处理电路170，微控制器处理电路170通过调制驱动电路180控制激光器110发射激光，微控制器处理电路170通过RS422通信接口230连接有计算机220，激光器110、调制驱动电路180和微控制器处理电路170依次电连接，四象限探测器130、前端处理电路140、放大电路190、带通滤波电路200、A/D采样电路150、比较电路160和微控制器处理电路170依次电连接；角锥阵列100由一个设于圆心的角锥棱镜101及沿设于圆心的角锥棱镜101周向间隔布置的六个角锥棱镜101组成，沿设于圆心的角锥棱镜101周向间隔布置的六个角锥棱镜101之间两两夹角呈60度角布置。激光器110和角锥阵列100之间设有发射光学系统，发射光学系统210包括光纤准直器；接收光学系统120包括依次布置的第一透镜121、第二透镜122和小孔光阑123，小孔光阑123的小孔处设有滤光片124，激光器110为光纤激光器，且发射峰值功率为30W，发射激光的波长为1550nm；发射光学系统210和接收光学系统120共窗口布置。

本实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统的工作原理是：使用前将设于圆心的角锥棱镜101及沿设于圆心的角锥棱镜101周向间隔布置的六个角锥棱镜101组成的角锥阵列100布置于待定位的飞行目标上，待飞行目标起飞后，通过计算机220输入控制指令，计算机220通过RS422通信接口230将控制指令输送至微控制器处理电路170，微控制器处理电路170通过电连接的调制驱动电路180控制激光器110启动发射激光，激光器110发射的激光经过光纤准直器准直后经过大气传播后覆盖到飞行目标上的角锥阵列100，射入角锥阵列100的激光经过角锥棱镜101的三个直角面的反射后，反射光线从与入射光线平行的方向射回并被接收光学系统120接收，射回的激光依次通过接收光学系统120的第一透镜121、第二透镜122和孔隙设有滤光片124的小孔光阑123进行聚焦并照射在四象限探测器130的靶面131上，四象限探测器130将电流信号输出至前端处理电路140，前端处理电路140将电流信号转换成电压信号输送至放大电路190，放大电路190用于将前端处理电路140输出的电压信号进行放大输出值带通滤波电路200，带通滤波电路200用于对放大电路190放大的信号进行滤波后输出至A/D采样电路150、A/D采样电路150用于对带通滤波电路200滤波的电压信号进行采样并输出至比较电路160，比较电路160用于接收A/D采样电路150输出数据并与设定阈值进行比较并将信号输出至微控制器处理电路170，微控制器处理电路170读取四路采样结果并计算出角度信息和距离信息后通过RS422通信接口230传输至计算机，其中，聚焦激光照射在四象限探测器130的靶面131上时，如图3所示，当激光光斑132位置位于四象限探测器130的靶面131中心表明正好对准飞行目标，如图4所示，当激光光斑132偏离四象限探测器130的靶面131中心表明需要进行角度调整，通过将四象限探测器130检测的四路采样结果转换、放大、滤波、比较后输送至微控制器处理电路170计算得到待定位目标的角度信息和距离信息。

本实施例提供的基于角锥阵列的激光探测系统同时实现了距离探测器和定位探测器的功能，且采用光纤激光器作为激光发射光源，具有体积小、可靠性高、对人眼安全的优点，同时采用发射光学系统210和接收光学系统120共窗口，解决了近距离跟踪盲区问题；.采用激光照射角锥阵列100作为定位标准，解决了光斑定位不均匀性问题，具有探测距离远、精度高、抗干扰能力强的优点，定位精度可以达到0.1mrad-0.2mrad。

以上所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

Claims (8)

1.一种基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，其包括安装于待定位目标上的角锥阵列、用于向所述角锥阵列发射激光的激光器、用于接收所述角锥阵列反射激光的接收光学系统、用于对所述接收光学系统接收激光进行光电转换的四象限探测器、用于将所述四象限探测器输出的电流信号转换成电压信号的前端处理电路、用于对所述前端处理电路输出的电压信号进行采样的A/D采样电路、用于接收所述A/D采样电路输出数据并与设定阈值进行比较的比较电路及用于接收所述比较电路输出数据的微控制器处理电路，所述微控制器处理电路通过调制驱动电路控制所述激光器发射激光；所述角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向间隔布置的至少四个角锥棱镜组成。

2.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，还包括设于所述激光器和所述角锥阵列之间的发射光学系统，所述发射光学系统包括光纤准直器。

3.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，还包括用于将所述前端处理电路输出的电压信号进行放大的放大电路及用于对所述放大电路放大的信号进行滤波的带通滤波电路，所述A/D采样电路与所述带通滤波电路电连接。

4.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，所述接收光学系统包括依次布置的第一透镜、第二透镜和小孔光阑，所述小孔光阑的小孔处设有滤光片。

5.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，所述微控制器处理电路通过RS422通信接口连接有计算机。

6.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，所述角锥阵列由一个设于圆心的角锥棱镜及沿设于圆心的角锥棱镜周向均匀间隔布置的六个角锥棱镜组成。

7.根据权利要求1所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，所述激光器为光纤激光器，且发射峰值功率为30W，发射激光的波长为1550nm。

8.根据权利要求2所述的基于角锥阵列的激光探测系统，其特征在于，所述发射光学系统和所述接收光学系统共窗口布置。

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