CN102721956A - 一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法 - Google Patents

Abstract

一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法，步骤为：(1)已知基于回波信号的光束瞄准系统中出射光脉冲脉宽为τ，脉冲重复频率v，距目标为L,真空中光速c；(2)由光发射系统产生与发射光同步的电脉冲信号触发同步控制系统，延迟τ₀，输出脉宽为1.5τ的脉冲，触发数据采集系统，采集时长为1.5τ的回波信号数据；(3)将采集的数据存入缓存，并在下一个脉冲到来之前将数据通过USB传输给误差估计和控制系统；本发明实现了光束瞄准系统中回波脉冲信号的采集和传输，节省了硬件资源，降低了后期数据处理的难度，提高了光束闭环瞄准的实时性。

Description

一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法

技术领域

本发明属于光束控制领域，具体的涉及一种光束瞄准系统中回波信号的采集和数据传输的方法。

背景技术

激光瞄准系统在有源跟踪、目标照明及自由空间通信等诸多领域起着关键作用。但是当光束传输穿过大气时，由于机械振动、大气湍流和跟踪器的局限性以及光学未对准引起的随机误差和偏差，会导致瞄准离轴和到达目标信号的损失。在大多数激光控制系统中，常出现两种瞄准误差，即对准视轴偏差（瞄准的静态偏差，可校准）和光束抖动（暂时性的随机误差），如图1所示，要实现光束瞄准，首先即要估计出光束瞄准视轴偏差（即静态偏差）。

上世纪九十年代初，由Lukesh等人提出一种新的估计技术：根据目标反射回来的信号强度的统计值估计抖动和视轴误差。该技术只针对光束尺寸大于目标尺寸的情况而开发的，它需要知道光束的轮廓和目标的形状/反射比，如图2所示。

基于目标回波信号统计的瞄准方法为：直接用激光束（高斯脉冲）照射目标，由于光束抖动的存在，导致光斑在目标平面内以一定的分布形式（二维高斯分布）随机漂移，则其回波信号的强度也随着目标相对光束中心的角位置变化而不断变化，通过对目标回波信号（光脉冲信号）进行统计分析，能够实时估计出目标相对于光斑统计中心的视轴偏差，并实时调整使激光束中心对准目标。最初该技术是直接对运动目标进行试验，通过分析返回的信号，逐步建立起了统计模型，并从理论上进行了大量的探索，取得了一些突破，现已能够较准确地估计出目标相对光束的统计中心的视轴偏差大小。

由于实际的外场中，光脉冲经大气远距离传输，较低的光透过率会导致回波光脉冲信号很弱，需要较大口径的接收系统和很高灵敏度的光电探测设备，而后向散射和背景光作为噪声光信号，会降低光脉冲回波信号的信噪比，特别是后向散射信号，其会随着发射光强度的增强而增强，在远距离的目标瞄准时，微弱的回波信号很可能会淹没在后向散射噪声中。因此克服后向散射是提高回波接收信噪比的关键。

光束瞄准系统中采用了距离选通技术，利用该技术能够大大提高回波信号的信噪比，但是由于光脉冲信号脉宽极短(十纳秒级)，对回波信号的数据采集系统和选通门开关时间的控制精度提出了很高的要求。且可以看出，由于回波脉冲重复频率相对较低，在一个脉冲周期内，真正有用的数据只有回波脉冲到来之时，如果数据采集系统不加区分的采集，需要1GS/s的高速数据传输设备，且大量的无用数据会给后期的估计和控制系统带来很大的麻烦。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提出了一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法，实现了基于回波信号的光束瞄准系统中回波脉冲信号的采集和数据传输，节省了大量的硬件资源，降低了后期数据处理的难度，提高了光束闭环瞄准的实时性。

本发明采用的技术方案为：一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法，步骤如下：

第一步，已知基于回波信号的光束瞄准系统中出射光脉冲脉宽为τ，脉冲重复频率v，传输距离L，真空中光速c；

第二步，由光发射系统产生与出射光同步的电脉冲信号触发同步控制系统，延迟τ₀，输出脉宽为1.5τ的脉冲信号，并触发采样频率高达1GS/s的数据采集系统，采集时长为1.5τ的回波信号数据；

第三步，将采集的数据存入缓存，并在下一个脉冲到来之前将数据通过USB传输给误差估计和控制系统。

所述第二步时间延迟τ₀的大小为：

由光发射系统发出的光脉冲，在大气中传输距离L到达目标，经目标反射到达回波信号接收系统，总共耗时

又由于同步控制系统对同步电脉冲的相应时间为τ₁，回波接收系统中光电探测器的响应时间为τ₂，数据采集系统响应时间为τ₃，则同步控制系统控制同步电脉冲延迟时长为：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{2L}{c}-{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_3.$

本发明与现有的技术方法相比的有益效果是：本发明实现了基于回波信号的光束瞄准系统中回波脉冲信号的采集和数据传输，降低了后期数据处理的难度，且节省了硬件资源，提高了光束闭环瞄准的实时性。

附图说明

图1为本发明中光束瞄准误差模型；

图2为本发明基于回波信号的光束瞄准系统结构；

图3为本发明回波信号接收距离选通示意图；

图4为本发明数据采集和传输的时序逻辑图；

图5为本发明数据采集和传输的板卡电路设计图。

具体实施方式

本发明所涉及的光束瞄准误差模型如图1所示：1表示光束发射系统，2表示瞄准偏差，3表示光束远场辐射分布，4表示光束抖动，5表示空间目标。

本发明所使用的光束瞄准系统如图2所示：由光源（激光器）6输出的高斯激光经光束发射系统1指向空间目标，从目标反射的回波脉冲信号11，由接收系统10接收，输入到数据采集系统9；经数字化后输入到误差估计和控制模块7估计出目标相对于光束统计中心的偏差大小，并将偏差信号返回给光束发射系统1，控制光束校准偏差，形成闭环的瞄准系统，其信号的接收和传输受同步控制系统8总体调控；并设在整个瞄准过程中，目标位置相对瞄准视场不变，或目标处于瞄准系统的精跟踪状态。

本发明所涉及的光束瞄准偏差估计算法为：

设以高斯激光光束瞄准点目标，则接受到N个回波脉冲观测值，第n个观测值的信号强度表示为：

$Q_e\left[n\right]=\mathrm{Kexp}(-\frac{{\left(x\right[n]+b_x)}^2+{\left(y\right[n]+b_y)}^2}{2{\mathrm{\Ω}}^2})---\left(1\right)$

n＝1,2,...,N

式中，K表示目标反射辐射强度的幅值，Ω是光束远场辐射分布的标准差；x[n]，y[n]是光束中心相对与目标平面在x和y方向的角坐标；b_x、b_y是光束中心相对目标在x和y方向的视轴瞄准偏差（未知）；N表示每次估计时的信号样本容量。

对于光束抖动，假设其在目标平面内围绕光束统计中心符合二维正态分布，其概率分布表示为：

$p\left(x\right[n],y[n\left]\right)=\frac{1}{2\mathrm{\π}{\mathrm{\σ}}_j^2}\exp \left(\frac{-\left(x^2\right[n]+y^2[n\left]\right)}{2{\mathrm{\σ}}_j^2}\right)---\left(2\right)$

式中以未知的抖动方差

来表示光束抖动大小，设：

${\mathrm{\θ}}_r\left[n\right]=\sqrt{{\left(x\right[n]+b_x)}^2+{\left(y\right[n]+b_y)}^2}---\left(3\right)$

回波脉冲信号表示为：

$Q_e\left[n\right]=\mathrm{Kexp}(-\frac{{\mathrm{\θ}}_r^2\left[n\right]}{2{\mathrm{\Ω}}^2})---\left(4\right)$

在以上数学模型的基础上，通过对样本容量为N的回波脉冲信号的统计分析，即可估计出瞄准视轴偏差和光束抖动大小。本发明所涉及的光束瞄准误差估计算法有：基于蒙特卡洛模型的χ²方法和极大似然估计法；这两种方法都能准确估计出光束瞄准偏差和光束抖动大小；尤其是极大似然估计算法，其简洁快速的特性更符合实时闭环瞄准的要求，这里主要介绍一下极大似然估计算法理论。设瞄准视轴偏差为：

$b=\sqrt{{b_x}^2+{b_y}^2}---\left(5\right)$

并令：

$z\left[n\right]=2{\mathrm{\Ω}}^2\log \left(\frac{K}{Q_e\left[n\right]}\right)---\left(6\right)$

联合式(1，2，5，6)，推导得其联合概率分布为：

$p\left(z\right[n\left]\right)=\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}_j^2}\exp (-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}_j^2}\left(z\right[n]+b))\×I_0\left(\frac{b}{{\mathrm{\σ}}_j^2}\sqrt{z\left[n\right]}\right)u\left(z\right[n\left]\right).---\left(7\right)$

上式中，I₀(·)表示第一类修正的零阶贝塞尔函数，u(·)表示离散阶跃函数；定义数据采集样本Z=z[1]，z[2]……z[N]，得自然对数下似然函数为：

$\ln p(b,{\mathrm{\σ}}_j)=2N\log \mathrm{\Ω}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln Q_e\left[n\right]-2N\ln {\mathrm{\σ}}_j$

$-\frac{1}{2{\mathrm{\σ}}_j^2}(b^{2}N+2{\mathrm{\Ω}}^2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln (K/Q_e[n\left]\right))---\left(8\right)$

$+\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln I_0\left(\frac{b}{{\mathrm{\σ}}_j^2}\sqrt{2{\mathrm{\Ω}}^2\ln (K/Q_e[n\left]\right)}\right).$

由上式分别对b，σ_j求导，取极大值，得等式：

$b^2+2{\mathrm{\σ}}_j^2=\frac{2{\mathrm{\Ω}}^2}{N}\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln (K/Q_e[n\left]\right)---\left(9\right)$

这样，当b和σ_j中有一个能从(9)式得出，另一个即可通过联立(8)式进行一维搜索求其极大值点得到。

本发明所涉及的距离选通回波信号接收方案为：

如图3，激光器发射光脉冲，利用激光高亮度、高方向性和窄脉冲的特点，通过发射光学系统1射向观察区域，到达空间目标5后，被反射回来进入接收系统10。当激光脉冲处于往返途中，目标反射的回波脉冲信号11到达接收系统之前的整个时间里，利用接收器的选通门12关闭接收器。这时不论后向散射光14多强，由于无法进入接收器，因而不会对接收系统产生任何影响。当目标反射的激光脉冲信号返回到接收系统10的瞬间，打开选通门，使携带目标信息的回波脉冲信号11刚好进入接收器，这样就能有效地克服后向散射14的影响，从时间上将目标反射的回波脉冲信号11和后向散射光14分离开来。

根据以上的定义可知，基于回波信号的光束瞄准系统是根据回波脉冲能量的分布特性来估计光束瞄准偏差，且算法运算量较大，因此需要高灵敏的回波接收系统和高速的数据处理系统。本发明主要解决的问题即是通过距离选通技术，首先甄别回波脉冲信号，并通过高速采集系统采集数据，去除了大量的冗余数据，然后以低速通道USB传输数据，实现了回波信号的采集和数据传输。本发明按以下步骤实现：

第一步，根据图4的时序逻辑图，已知基于回波信号的光束瞄准系统中出射光脉冲序列15脉宽为τ，脉冲重复频率v，传输距离L，真空中光速c；则对应的回波脉冲序列16到达接收系统时延迟τ₀；

第二步，由发射系统产生与出射脉冲同步的电脉冲信号触发同步控制系统，输出延迟τ₀脉宽为1.5τ的脉冲信号，并触发数据采集系统，以采样时钟19采集时长为1.5τ的回波信号数据；

根据距离选通回波信号接收方案，由光发射系统发出的光脉冲，在大气中传输L到达目标，经目标反射到达回波信号接收系统，总共耗时2L/c，又由于同步控制系统对同步电脉冲的响应时间为τ₁，回波接收系统中光电探测器的响应时间为τ₂，数据采集系统响应时间为τ₃，则同步控制系统控制同步电脉冲延迟时长为：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{2L}{c}-{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_3.$

第三步，将采集的数据存入缓存20，并在下一个脉冲到来之前将数据通过USB传输给误差估计和控制系统21；

根据以上描述，数据采集板卡如图5所示：在基于回波信号的光束瞄准系统中，发射系统发射脉宽为20ns，重复频率为400Hz的激光脉冲。其回波脉冲由光电探测器转换为电信号，并经BNC22接口输入，经信号调理23，进入采样频率为1GS/s的ADC24，并将采集结果输入缓存25；另一路同步触发信号，依据图4的延时控制经22BNC接口输入，触发FPGA26控制缓存将数据经USB接口28（由USB发送程序27控制）输出给上位机32。其中PROM29，JTAG30，OSC31为FPGA开发所需的存储器，下载接口和时钟。

以上所述仅是一种光束瞄准系统中回波信号的采集和数据传输的方法，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法，其特征在于实现步骤如下：

第一步，已知基于回波信号的光束瞄准系统中出射光脉冲脉宽为τ，脉冲重复频率v，传输距离L，真空中光速c；

第二步，由光发射系统产生与出射光同步的电脉冲信号触发同步控制系统，延迟τ₀，输出脉宽为1.5τ的脉冲信号，并触发采样频率高达1GS/s的数据采集系统，采集时长为1.5τ的回波信号数据；

第三步，将采集的数据存入缓存，并在下一个脉冲到来之前将数据通过USB传输给误差估计和控制系统。

2.根据权利要求1所述的一种光束瞄准系统中回波信号采集和传输方法，其特征在于：所述第二步时间延迟τ₀的大小为：

由光发射系统发出的光脉冲，在大气中传输距离L到达目标，经目标反射到达回波信号接收系统，总共耗时

又由于同步控制系统对同步电脉冲的响应时间为τ₁，回波接收系统中光电探测器的响应时间为τ₂，数据采集系统响应时间为τ₃，则同步控制系统控制同步电脉冲延迟时长为：

${\mathrm{\τ}}_0=\frac{2L}{c}-{\mathrm{\τ}}_1+{\mathrm{\τ}}_2+{\mathrm{\τ}}_3.$

Images