CN103019258A - 一种基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术 - Google Patents
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Abstract
本发明属于计算全息、激光束偏转控制、目标探测跟踪技术领域，具体涉及一种基于光学相控阵与逆向光学，能够实现多目标跟踪指示的技术。由成像透镜、透反镜、CCD、目标定位系统、空间光调制器LCOS、反射镜、激光器、扩束镜、傅里叶透镜组成。多目标成实像于CCD像面上，图像经过目标检测定位系统，获得多目标的位置。生成一幅背景为黑、含多个覆盖目标坐标的亮斑图，再由计算全息计算该生成图像的相息图，加载于空间光调制器，从激光器发出并经过扩束镜扩束的激光经过调制器后产生多光束，逆向通过成像光学系统射向相应的目标，达到跟踪指示目标的目的。当目标运动，加载于调制器上的相息图亦改变，调制后的多激光束位置和偏转方向随之变换，由此达到实时跟踪指示。本发明提出的基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，具有速度快、跟踪精度高、能耗低的特点。
Description
技术领域
本发明属于计算全息、激光束偏转控制、目标探测跟踪技术领域，具体涉及一种基于光学相控阵与逆向光学，能够实现多目标跟踪指示的技术。
背景技术
近年来，光束偏转控制在空间通信、遥感、导航以及目标探测、跟踪等领域的需求越来越明显。而传统的光学成像机械扫描控制系统存在体积大、重量大、能耗高、价格贵、响应慢，以及机械谐振、机械间隙等诸多缺点，限制了其性能和应用。
光学相控阵技术是一种新型光束指向控制技术。其基本原理是：通过调节从各个相控阵单元即光学移相器辐射出的光波之间的位相关系，使其在设定方向上彼此相同，产生相互加强的干涉，干涉的结果是在该方向上产生一束高强度光束，而在其他方向上从各相空单元射出的光波都不满足彼此同相的条件，干涉的结果彼此相抵消。光学相控阵无需机械运动而实现光束扫描，具有扫描速度快、灵活，指向精度和空间分辨率很高的优点。
目前美国、以色列、欧洲等国家和地区均设立了非机械式光束方向控制和激光束整形研究课题，并评估液晶空间光调制器用于激光束控制的可行性。国外对于基于液晶的光束偏转技术和空间光调制器的一系列基础实验研究表明液晶在光谱范围、响应时间、光损伤阈值、空间抗辐射能力等方面均能满足军事和空间的光束控制应用要求。而国内关于此方面的研究尚处于理论与实验研究阶段，尚无工程应用。基于这种情况，本发明提供了一种基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，具有实时、跟踪速度快、跟踪精度高、能耗低的特点。
发明内容
本发明的目的是提供一种非机械式的多目标跟踪指示技术。关键技术在于系统中采用光学相控阵技术控制激光束偏转、计算全息技术借助空间光调制器使入射单束激光束转化为多束激光束输出且多光束间相对位置由加载于空间光调制器的相息图决定、目标检测定位技术计算目标位置、系统跟踪光束逆向通过成像光路跟踪指示目标。
本发明的特征在于，借助光学相控阵实现无惯性活动部件的激光光束方向、尺寸的精密控制；巧妙应用了三种基本的物理现象实现多目标跟踪指示技术：物理现象一，成像光学系统像点发出的光线必然逆向汇集于该像点对应的目标点；物理现象二，改变光栅使光束产生不同方向的偏转，即光学相控阵；物理现象三，一束光束通过相位空间光调制产生所需不同 方向的多光束，即逆向光学。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性效果：无机械运动实现光束控制逆向指向目标，速度快，精度高。可实现整个成像视场的多目标跟踪指示，范围大。
附图说明
本发明基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术的附图有3个。
图1基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术实施例的结构示意图。
图2光学相控阵光束偏转控制方案图。
图3二维迭代傅立叶变换算法过程图。
图1～图3中，(1)-成像透镜，(2)-透反镜，(3)-CCD，(4)-目标检测定位系统，(5)-激光器，(6)-扩束镜，(7)-空间光调制器LCOS，(8)-傅里叶透镜，(9)-反射镜，(10)-成像位置，(11)-实像，(12)-相息图，(13)-亮斑图成像，(14)-多个目标，(15)-液晶空间光调制器面板，(16)-等效阶梯型玻璃器件，(17)-闪耀光栅。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明“基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术”做进一步描述。
图1为本发明提供的基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术的实施例，由成像透镜、透反镜、CCD、目标定位系统、空间光调制器LCOS、反射镜、激光器、扩束镜、傅里叶透镜组成。其工作过程为：多目标(14)成实像(11)在CCD像面上，图像经过目标检测定位系统(4)后输出多目标坐标，生成背景为黑、含多个覆盖目标坐标的亮斑图，由计算全息实时计算该生成图像的相息图，输出纯相位全息图(12)，加装于LCOS(7)，LCOS调制从激光器(5)发出并经过扩束镜(6)扩束的激光产生多光束，逆向通过成像光学系统射向相应的目标，达到跟踪指示目标的目的。
透反镜(2)对可见光透过率达95％，对激光器(5)出射的激光反射率达95％。
目标定位系统(4)，采用目标检测和定位算法计算目标的位置，并生成一幅黑色背景、仅在在目标位置上覆盖亮斑的图像，采用二维迭代傅立叶变换算法计算该生成图像的相息图。
空间光调制器LCOS(7)，完成光束偏转控制，原理如图2。
成像位置(10)、CCD(3)与透反镜(2)的距离相等，且成像位置(10)的光斑图成像(13)与CCD(3)上的图像(11)大小相等，从而保证逆向光线相当于从CCD像面中目标位置逆向发出。其中傅里叶透镜(8)把远场图像拉进于成像位置(10)。
图2为采用液晶空间光调制器进行光束偏转控制的原理图。液晶空间光调制器面板(15)取连续的N个像素作为一个周期，递增地施加电压使光折射率递减，在液晶层厚度相等的条件下等效光程差会递减，N个像素等效于阶梯型玻璃器件(16)。通过加周期性电压把整个 液晶光学相控阵分成多个阶梯型玻璃器件，即模拟了阶梯型闪耀光栅(17)。光束最大偏转角度θ表示为：
θ＝arcsin(λ/lN)
式中，λ为入射波长，l为每个像素的宽度，N为闪耀光栅一个周期内的像素个数。调节加在光学相控阵上的电压大小，等效于调整阶梯闪耀光栅的台阶高度和周期大小，从而调整光束偏转角度的大小。
所述液晶空间光调制器进行光束偏转控制方案用于多目标跟踪时，须灵活、快速地生成多条光束并进行控制，使多条激光束实时、准确指向空间目标。对空间光调制器而言，即根据期望的出射多条光束的分布计算出空间光调制器自身的相位分布，其核心问题即相息图的计算算法。
图3为二维迭代傅立叶变换算法过程图。所述优化算法假设需要得到目标图像即亮斑图像(13)已知，通过多次傅里叶变换及其逆变换的迭代操作，获得全息面(输入面)的位相分布，使傅立叶变换面(再现像面)输出所需的目标图像。所述迭代傅里叶变换算法过程如下：首先在再现像面以目标图像加上随机相位开始，傅里叶逆变换后在全息面加上平行光强度的幅值约束；傅里叶变换回物面，加上目标图像的幅值约束。同时，如果再现像与目标图像的相似程度达到要求，或者达到算法规定的最高迭代次数，则运算停止，输出相位形成相息图。再现时，用平行光照射相息图，则在无穷远处衍射成期望的目标图像。总之，通过在再现像面和全息面之间的不断傅里叶变换和逆变换寻找最优的相位解，并在每一个变换面都加入强制约束，这是该二维迭代傅里叶变换的基本过程。
Claims (5)
1.一种基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，其特征在于，至少含有：成像透镜(1)，透反镜(2)，CCD(3)，目标定位系统(4)，激光器(5)，扩束镜(6)，空间光调制器LCOS(7)，傅里叶透镜(8)，反射镜(9)。
2.根据权利要求1所述的基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，其特征在于，所述透反镜(2)对可见光透过率达95％，对激光器(5)出射的激光反射率达95％。
3.根据权利要求1所述的基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，其特征在于，目标定位系统(4)，采用目标检测和定位算法计算目标的位置，并生成一幅背景为黑、仅在在目标位置上覆盖亮斑的图像，采用计算全息算法计算该生成图像的相息图。
4.根据权利要求3所述的计算全息算法，其特征在于，二维迭代傅立叶变换算法计算相息图。
5.根据权利要求1所述的基于光学相控阵与逆向光学的多目标跟踪指示技术，其特征在于，成像位置(10)、CCD(3)与透反镜(2)的距离相等，且成像位置(10)上的光斑图成像(13)与CCD(3)上的图像(11)大小相等。
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