CN101086527B - 一种探测入射激光方向的方法及信号探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种探测入射激光方向的方法，以及该方法所用的信号探测装置。一种探测入射激光方向的方法，通过成像透镜(L1)汇聚入射激光，并通过半透半反镜((O1、O2)，使入射激光沿z方向和x方向透过可变密度滤光片(F1、F2)在探测器(P1、P2)分别测定2个信号输出S1和S2；再测定透过半透半反镜(O2)后的入射光线在探测器(P3)测定信号输出S3；然后通过公式实现入射激光的角度判断。本发明另外还公开了一种探测入射激光方向的信号探测装置。本发明采用透镜成像的方式，减小了由于大气的影响造成的角度测量误差，同时也解决了现有技术中由于θi过大，造成测量值无法确认的技术缺陷。本发明的方法计算简便，具有识别快的优点。

Description

一种探测入射激光方向的方法及信号探测装置

技术领域

本发明涉及一种探测入射激光方向的方法，以及该方法所用的信号探测装置。

背景技术

现有探测入射激光方向的技术(如美国专利US5604695)利用通光模板+阵列传感器的方法(如图1、图2所示)，以一维的方向激光传输方向为例，图中当激光10入射后，当入射角度θi变化时，落在组器件阵列8和7上的能量比例就会发生变化，如当θi＝0时，组器件阵列8和7上的能量相等，当θi沿图中顺时针方向增大时，组器件阵列7更多部分被阴影挡住，而组器件阵列8受到光照的面积增加，在光束能量分布均匀的情况下，两者的能量比例和绝对光强度无关，只和激光入射方向相关。

推广到二维的入射角度测量，可以用图3示意的形式。图3中的A+C的信号和B+D的信号之比可以用作Y方向的入射角度测量，A+B和C+D的信号比可以用作X方向的入射角度判断。

但在实际应用中，上述的方案有两个较大问题：

1、此方法的应用前提是入射光束的分布均匀，但是如果激光进行远距离的传输后，由于大气的影响，会造成局部的明暗的快速变化，导致到达传感器表面的光强即使在θi＝0的条件下，不同光敏单元上的能量是不同的，即造成角度测量误差。

2、此方法的探测的激光的入射角收到限制，如图2所示，如果θi过大，使得：

此时原有的能量比例的对应关系被破坏。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明的一个目的是提供一种新的入射激光方向的探测方法，该方法采用透镜成像的方式，解决了上述的技术问题。

本发明的另外一个目的是提供上述的方法中专用的信号探测装置。

为了实现第一个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种探测入射激光方向的方法，其由通过成像透镜汇聚入射激光，并通过第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)反射，沿z方向和x方向分别汇聚在第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)上，光线透过第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后，落在第一探测器(P1)和第二探测器(P2)上，分别测定对应的2个信号输出S1和S2；再测定透过第二半透半反镜(O2)后的入射光线在第三探测器(P3)上的引起的信号输出S3；然后通过以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值，而T(X)和T(Z)的值和位置坐标X、Z是线性关系，可以得到X、Z坐标的取值，并计算得到对应的空间入射角度：

S1＝S·R1·T(Z)·M1

S2＝S·T1·R2·T(X)·M2

S3＝S·T1·T2·M3

$E13=S1/S3=\frac{S\·R1\·T\left(Z\right)\·M1}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{R1\·T\left(Z\right)\·M1}{T1\·T2\·M3}$

$E23=S2/S3=\frac{S\·T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{T1\·T2\·M3}$

$T\left(Z\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{R1\·M1}$

$T\left(X\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{T1\·R2\·M2}$

其中：第一半透半反镜(O1)的透过率为T1，反射率为R1；第二半透半反镜(O2)的透过率为T2，反射率为R2；入射信号的大小为S，第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的灵敏度分别为M1、M2和M3；第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)的透过率为透过位置的函数，沿x和z方向的滤光片的透过率分别为x和z方向上位置的函数T(X)和T(Z)；E13和E23表征了输出信号S1、S2分别和输出信号S3相比的结果。

上述的方法中E13和E23数值的大小和输入信号S的大小无关，而由T(X)和T(Y)决定，T(X)和T(Y)取决于光线汇聚点落在可变密度滤光片上的位置，在可变密度滤光片和镜头的相对位置固定的情况下，光线汇聚点的位置是由入射角度决定，由此可以实现入射激光的角度判断。上述的x方向和z方向可以任意选择，不限于垂直的状态。

为了实现上述的第二个目的，本发明采用了以下的技术方案：

一种探测入射激光方向的信号探测装置，包括至少2片依入射光线方向依次设置的第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)和至少1片用于汇聚入射激光的第一成像透镜(L1)，2片第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)分别将入射光反射；在沿z方向和沿x方向分别设有透过率分别沿z方向和沿x方向变化的第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)，第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后部设有第一探测器(P1)和第二探测器(P2)，并在半透半反镜(O2)的透射光方向上设有探测器(P3)；

该装置通过成像透镜汇聚入射激光，并通过第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)反射，沿z方向和x方向分别汇聚在第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)上，光线透过第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后，落在第一探测器(P1)和第二探测器(P2)上，分别测定对应的2个信号输出S1和S2；再测定透过第二半透半反镜(O2)后的入射光线在第三探测器(P3)上的引起的信号输出S3；然后通过以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值，而T(X)和T(Z)的值和位置坐标X、Z是线性关系，可以得到X、Z坐标的取值，并计算得到对应的空间入射角度：

S1＝S·R1·T(Z)·M1

S2＝S·T1·R2·T(X)·M2

S3＝S·T1·T2·M3

$E13=S1/S3=\frac{S\·R1\·T\left(Z\right)\·M1}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{R1\·T\left(Z\right)\·M1}{T1\·T2\·M3}$

$E23=S2/S3=\frac{S\·T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{T1\·T2\·M3}$

$T\left(Z\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{R1\·M1}$

$T\left(X\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{T1\·R2\·M2}$

其中：第一半透半反镜(O1)的透过率为T1，反射率为R1；第二半透半反镜(O2)的透过率为T2，反射率为R2；入射信号的大小为S，第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的灵敏度分别为M1、M2和M3；第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)的透过率为透过位置的函数，沿x和z方向的滤光片的透过率分别为x和z方向上位置的函数T(X)和T(Z)；E13和E23表征了输出信号S1、S2分别和输出信号S3相比的结果。

上述的第一成像透镜(L1)设置在入射光的方向，使入射光线进入半透半反镜前即开始汇聚，但是这种方案由于成像位置到成像透镜的距离短，因此不利于后续半透半反镜的布局。

作为优选，上述的第一成像透镜(L1)设置在第一半透半反镜(O1)的透射光方向上，并在半透半反镜(O1)的反射光方向上设有第二成像透镜(L2)。作为另优选，在第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的入射光方向分别设有第一成像透镜(L1)。上述的2种方案中使成像透镜分布在反射光或透过半透半反镜后的入射光方向上，大大放宽了半透半反镜的位置限制，有利于零件的设置。

作为优选，上述的成像透镜为凸透镜。

作为优选，上述的紧贴第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)放置在成像透镜的焦点或附近。

作为优选，上述的第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)选用响应波长包括0.8微米到1.6微米范围的高速光电探测器。最优选的第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)为高速InGaAs探测器。

作为优选，上述的第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)为中性渐变密度片。

作为优选，上述的装置包括激光波长探测系统，波长探测系统包括在第二半透半反镜(O2)的透射光方向上设置的第三半反半透镜(O3)，第三半反半透镜(O3)反射光方向设有第四探测器(P4)。

作为优选，上述的波长探测系统的第四探测器(P4)选用在0.8微米到1.6微米范围内，响应特性和第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)有明显差异的光电探测器。最优选的第四探测器(p4)选用Si探测器。

作为优选，上述的波长探测系统的第四探测器(P4)选用对波长为1.2～1.6微米的激光反应光谱的探测器。

为了实现绝对方向的测量，该装置还可以设有姿态感知系统，对探头的倾斜进行修正。

本发明采用透镜成像的方式，减小了由于大气的影响造成的角度测量误差，同时也解决了现有技术中由于θi过大，造成测量值无法确认的技术缺陷。本发明的方法计算简便，可测量的角度范围大，具有识别快的优点。本发明的信号探测装置则具有结构简单、实施成本低的特点。因此，本发明在探测激光光源的入射方向的领域具有广泛的用途。

附图说明

图1为现有技术中一维激光探测装置的结构示意图。

图2为图1中局部放大结构示意图；图1、图2中的附图标记6为通光窗口，附图标记4为不透明部分，附图标记8和附图标记7分别为组器件阵列，附图标记2为荫罩、附图标记12为(AR)镀膜玻璃窗口、附图标记14为中性密度过滤器，附图标记10为入射的激光光束。

图3为现有技术中二维的入射角度测量时的结构示意图。

图4为本发明实施例1的信号探测装置的结构示意图。

图5为本发明实施例2的信号探测装置的结构示意图。

图6为本发明实施例3的信号探测装置的结构示意图。

图7为本发明入射激光方向判断的原理简图。

图8为本发明入射激光波长判断的原理简图。

图9、图10为本发明入射激光波长判断的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

实施例1

如图4所示的探测入射激光方向的信号探测装置，该装置包括2片依入射光线方向依次设置的第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2和1片设置在入射光线前方的第一凸透镜L1，第一凸透镜L1用于汇聚入射激光，第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2的设置可以将其反射的光分别沿z方向和沿x方向反射。在透过第二半透半反镜O2的透射光线方向上设有第三探测器P3。

沿z方向，第一半透半反镜O1的反射光方向上设有第一可变密度滤光片F1和第一探测器P1，沿x方向的第二半透半反镜O2的反射光方向上设有第二可变密度滤光片F2和第二探测器P2。可变密度滤光片和探测器紧贴设置。

上述的第一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3为高速InGaAs探测器，第一可变密度滤光片F1、第二可变密度滤光片F2采用中性渐变密度片。第一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3距入射光的光程相等，并且距第一凸透镜L1的光程为第一凸透镜L1的焦点距离。

实施例2

如图5所示的探测入射激光方向的信号探测装置，该装置包括激光波长探测系统，波长探测系统包括在透过第二半透半反镜O2后的透射光线方向上设置的第三半反半透镜O3，第三半反半透镜O3的反射光方向设有第四探测器P4。第四探测器P4选用Si探测器。

本实施例的其他技术特征如实施例1所述。

实施例3

如图6所示的探测入射激光方向的信号探测装置，该装置包括依入射光线方向依次设置的第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2。第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2的设置可以将其反射的光分别沿z方向和沿x方向反射。第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2之间设有第一凸透镜L1。第二半透半反镜O2的透射光方向设有第三探测器P3。

沿z方向，在第一半透半反镜O1的反射光方向设有第二凸透镜L2，在第二凸透镜L2后方设有第三半透半反镜O3，第三半透半反镜O3的透射光方向设有第一可变密度滤光片F1和第一探测器P1，第三半透半反镜O3的反射光方向设有第四探测器P4。

沿x方向，在第二半透半反镜O2的反射光方向设有第二可变密度滤光片F2和第二探测器P2。

实施例4

如图4所示，入射激光经过第一半透半反镜O1，反射光线经过放置在像面(或焦平面上)沿z方向透过透过率渐变的第一可变密度滤光片F1后，入射到紧贴第一可变密度滤光片F1放置的第一探测器P1上；透过第一半透半反镜O1的透射光线入射到第二半透半反镜O2；从第二半透半反镜O2上反射的光线经过沿x方向透过透过率渐变的第二可变密度滤光片F2后，被第二探测器P2接收；从第二半透半反镜O2透射的光线入射到第三探测器P3上。

光线经过光学系统到达一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3的光程相等，都为距离L，则对应相应的入射空间角度为θ的光线，汇聚在一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3上时，和图像中心(或平行光轴的入射光线在传感器上的汇聚点)的偏移为ΔX、ΔZ，第一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3上信号(分别对应信号输出S1、S2和S3)的比例关系和以下条件相关：

(1)第一半透半反镜O1、第二半透半反镜O2的反射、透射特性；

(2)ΔX、ΔZ位置上，第一可变密度滤光片F1、第二可变密度滤光片F2的透过率，滤光片F1的透过率是Z的函数，第二滤光片F2的透过率是X的函数。

现在假设：

(1)第一半透半反镜O1的透过率为T1，反射率为R1；

(2)第二半透半反镜O2的透过率为T2，反射率为R2；

(3)入射信号的大小为S，第一探测器P1、第二探测器P2、第三探测器P3的灵敏度分别为M1、M2和M3；

(4)可变密度滤光片的透过率为透过位置的函数，沿x和z方向的滤光片的

透过率分别为x和z方向上位置的函数T(x)和T(z)。

可以得到：

S1＝S·R1·T(Z)·M1

S2＝S·T1·R2·T(X)·M2

S3＝S·T1·T2·M3

$E13=S1/S3=\frac{S\·R1\·T\left(Z\right)\·M1}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{R1\·T\left(Z\right)\·M1}{T1\·T2\·M3}$

$E23=S2/S3=\frac{S\·T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{T1\·T2\·M3}$

E13和E23表征了第一探测器P1、第二探测器P2的输出信号分别和探测P3的输出相比的结果。然后通过以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值：

$T\left(Z\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{R1\·M1}$

$T\left(X\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{T1\·R2\·M2}$

而T(X)和T(Z)的值和位置坐标X、Z是线性关系，可以得到X、Z坐标的取值，并计算得到对应的空间入射角度。

判断原理如图7所示，入射激光通过凸透镜后在像面上的位置和入射角成比例关系，此时在像面上放置透过率线性变化的可变密度滤光片，则输出信号大小和像点的位置相关。通过比较输出信号比，既可以判断入射角的角度。对于任意光只需要判断三维空间的2个方向既可以确定入射激光的方向。因此，上述的x方向和z方向可以任意选择，不限于垂直的状态。

实施例5

如图5所示，第三探测器P3、第四探测器P4具有两个不同光谱响应曲线，对不同波长的入射光，当入射光的能量相同时，两个探测器对应的响应度不同，而且比例是已知的；因此在光路中放置半透半反镜后，只需要确定两个探测器的短路电流比，即可确定入射波长。判断曲线如图9、图10所示。

Claims (12)

1.一种探测入射激光方向的方法，其特征在于通过成像透镜汇聚入射激光，并通过第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)反射，沿z方向和x方向分别汇聚在第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)上，光线透过第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后，落在第一探测器(P1)和第二探测器(P2)上，分别测定对应的2个信号输出S1和S2；再测定透过第二半透半反镜(O2)后的入射光线在第三探测器(P3)上的引起的信号输出S3；然后通过以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值，而T(X)和T(Z)的值和位置坐标X、Z是线性关系，可以得到X、Z坐标的取值，并计算得到对应的空间入射角度：

S1＝S·R1·T(Z)·M1

S2＝S·T1·R2·T(X)·M2

S3＝S·T1·T2·M3

$E13=S1/S3=\frac{S\·R1\·T\left(Z\right)\·M1}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{R1\·T\left(Z\right)\·M1}{T1\·T2\·M3}$

$E23=S2/S3=\frac{S\·T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{T1\·T2\·M3}$

$T\left(Z\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{R1\·M1}$

$T\left(X\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{T1\·R2\·M2}$

其中：第一半透半反镜(O1)的透过率为T1，反射率为R1；第二半透半反镜(O2)的透过率为T2，反射率为R2；入射信号的大小为S，第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的灵敏度分别为M1、M2和M3；第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)的透过率为透过位置的函数，沿x和z方向的滤光片的透过率分别为x和z方向上位置的函数T(X)和T(Z)；E13和E23表征了输出信号S1、S2分别和输出信号S3相比的结果。

2.一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于包括至少2片依入射光线方向依次设置的第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)和至少1片用于汇聚入射激光的成像透镜，第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)分别将入射光反射；在沿z方向和沿x方向分别设有透过率分别沿z方向和沿x方向变化的第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)，第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后部设有第一探测器(P1)和第二探测器(P2)，并在半透半反镜(O2)的透射光方向上设有第三探测器(P3)；

该装置通过成像透镜汇聚入射激光，并通过第一半透半反镜(O1)和第二半透半反镜(O2)反射，沿z方向和x方向分别汇聚在第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)上，光线透过第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)后，落在第一探测器(P1)和第二探测器(P2)上，分别测定对应的2个信号输出S1和S2；再测定透过第二半透半反镜(O2)后的入射光线在第三探测器(P3)上的引起的信号输出S3；然后通过以下公式可以求出T(X)和T(Z)的取值，而T(X)和T(Z)的值和位置坐标X、Z是线性关系，可以得到X、Z坐标的取值，并计算得到对应的空间入射角度：

S1＝S·R1·T(Z)·M1

S2＝S·T1·R2·T(X)·M2

S3＝S·T1·T2·M3

$E13=S1/S3=\frac{S\·R1\·T\left(Z\right)\·M1}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{R1\·T\left(Z\right)\·M1}{T1\·T2\·M3}$

$E23=S2/S3=\frac{S\·T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{S\·T1\·T2\·M3}=\frac{T1\·R2\·T\left(X\right)\·M2}{T1\·T2\·M3}$

$T\left(Z\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{R1\·M1}$

$T\left(X\right)=\frac{E13\·T1\·T2\·M3}{T1\·R2\·M2}$

其中：第一半透半反镜(O1)的透过率为T1，反射率为R1；第二半透半反镜(O2)的透过率为T2，反射率为R2；入射信号的大小为S，第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的灵敏度分别为M1、M2和M3；第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)的透过率为透过位置的函数，沿x和z方向的滤光片的透过率分别为x和z方向上位置的函数T(X)和T(Z)；E13和E23表征了输出信号S1、S2分别和输出信号S3相比的结果。

3.根据权利要求2所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于所述的成像透镜设置在入射光的方向。

4.根据权利要求2所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于所述的成像透镜设置在第一半透半反镜(O1)的透射光方向上，并在第一半透半反镜(O1)的反射光方向上设有成像透镜。

5.根据权利要求2所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于在第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)的入射光方向分别设有成像透镜。

6.根据权利要求2～5任意一项权利要求所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于紧贴第一探测器(P1)和第二探测器(P2)的第一可变密度滤光片(F1)和第二可变密度滤光片(F2)放置在成像透镜的焦点或附近。

7.根据权利要求2～5任意一项权利要求所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)选用响应波长包括0.8微米到1.6微米范围的高速光电探测器。

8.根据权利要求2～5任意一项权利要求所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)为高速InGaAs探测器。

9.根据权利要求2～5任意一项权利要求所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于该装置包括激光波长探测系统，波长探测系统包括在第二半透半反镜(O2)的透射光方向上设置的第三半反半透镜(O3)，第三半反半透镜(O3)反射光方向设有第四探测器(P4)。

10.根据权利要求9所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于波长探测系统的第四探测器(P4)选用在0.8微米到1.6微米范围内，响应特性和第一探测器(P1)、第二探测器(P2)和第三探测器(P3)有明显差异的光电探测器。

11.根据权利要求9所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于波长探测系统的第四探测器(P4)选用Si光电探测器。

12.根据权利要求2～5任意一项权利要求所述的一种探测入射激光方向的信号探测装置，其特征在于该装置设有姿态感知系统，对探头的倾斜进行修正。

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