CN104280011B - 一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置 - Google Patents

一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，包括光栅衍射型探测器和激光告警器；其中光栅衍射型探测器用于将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；所述光栅衍射型探测器包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和焦平面阵列探测器(5)，其中闪耀光栅结构由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；激光告警器对接收的模拟信号进行处理，获取激光波长、方位角和俯仰角并传输出去，实现激光告警。本发明光栅衍射型探测器采用焦平面阵列探测器，因此在无需机械运动部件的情况下，系统即可实现对激光二维方向入射角的判别，抗振动能力强。

Description

一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置
技术领域
本发明涉及一种激光告警装置，具体涉及一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置。
技术背景
基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，在激光波长分辨率、角度分辨率、视场角等方面具有较大优势，现有的这种告警装置，多采用线阵CCD作为探测器，只能实现一维方向入射角的判别，对机载、星载等激光武器无法实现准确定位，利用2个线阵CCD和机械扫描装置，可以实现二维方向入射角的判别，但是系统结构复杂，稳定性差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，该装置可以实现激光二维方向入射角的判别，且判别结果准确性高。
实现本发明的技术方案如下：
一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，包括光栅衍射型探测器和激光告警器；其中
光栅衍射型探测器用于将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；
所述光栅衍射型探测器包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和焦平面阵列探测器(5)，其中闪耀光栅结构由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；透镜组(4)位于闪耀光栅结构出射光的光路上，用于对闪耀光栅结构出射激光的零级和一级衍射光进行聚焦；焦平面阵列探测器(5)位于透镜组(4)的焦平面处，用于对激光的零级和一级衍射光进行探测，将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；
激光告警器对接收的模拟信号进行处理，获取激光波长、方位角和俯仰角并传输出去，实现激光告警。
进一步地，本发明所述透射材料(3)与两闪耀光栅的材料相同。
进一步地，本发明所述透射材料(3)的长度比两闪耀光栅的光栅常数至少高两个数量级。
进一步地，本发明所述探测器由激光告警器驱动控制。
进一步地，本发明所述激光告警器包括电平转换模块、电压跟随与滤波模块、A/D转换模块、FPGA控制模块、数据缓存模块、DSP处理模块、CAN通信模块及电源模块；其中
电源模块用于为激光告警器上其它模块供电；
FPGA控制模块生成控制信号并传输给电平转换模块；
电平转换模块对所述控制信号进行电平转换后分成两路，一路作为探测器的驱动控制信号，另一路作为A/D转换模块的时钟信号；
电压跟随与滤波模块对来自探测器的模拟信号进行跟随、滤波后传输给A/D转换模块；
A/D转换模块在所述时钟信号的控制下，将接收的模拟信号模数转换后生成数字信号，并经FPGA控制模块传输给数据缓存模块；
数据缓存模块存储所述数字信号，FPGA控制模块将数据缓存模块中存储的数字信号传输给DSP处理模块；
DSP处理模块对接收的数字信号进行处理，获取出激光信号的波长、方位角和俯仰角并经CAN通信模块传输出去。
进一步地，本发明所述数据缓存模块包括2片SRAM存储器，用于实现数字信号的乒乓缓存。
进一步地，本发明所述FPGA控制模块与DSP处理模块之间通过EMIF接口进行通信。
有益效果
第一、本发明光栅衍射型探测器采用焦平面阵列探测器，因此在无需机械运动部件的情况下，系统即可实现对激光二维方向入射角的判别，抗振动能力强。
第二、本发明采用两个完全相同的闪耀光栅反向对接，有效提高一级衍射的效率，同时保证正一级与负一级衍射的效率相同；同时，本发明两闪耀光栅中间采用宽度远大于光栅常数的透射材料连接，被测激光通过透射材料时无衍射，因此该结构可有效提高整个光栅结构的零级衍射效率；因此本发明光栅能量主要集中在零级和正负一级，有利于提高整个激光告警装置的灵敏度。
第三、本发明光栅结构简单，只需要把完全相同的两个闪耀光栅通过透射材料反向对接即可实现，实现成本低。
附图说明
图1是本发明激光告警装置的示意图；
图2是本实施例激光告警装置的框图；
图3是面阵探测器模块；
图4是探测器驱动控制、AD采集电路框图；
图5是FPGA乒乓缓存框图；
图6是FPGA与DSP的通信接口模块框图；
图7是CAN总线输出电路模块框图。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细阐述。
如图1所示，本发明基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，主要由光栅衍射型探测器和激光告警器；其中
光栅衍射型探测器用于将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；所述光栅衍射型探测器包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和焦平面阵列探测器(5)，其中闪耀光栅结构由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；透镜组(4)位于闪耀光栅结构出射光的光路上，用于对闪耀光栅结构出射激光的零级和一级衍射光进行聚焦；焦平面阵列探测器(5)位于透镜组(4)的焦平面处，用于对激光的零级和一级衍射光进行探测，将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；
激光告警器对接收的模拟信号进行处理，获取激光波长、方位角和俯仰角并传输出去，实现激光告警。
由于现有闪耀光栅零级衍射光斑强度较弱，这样对激光告警模块判别激光入射方向会造成较大影响，本发明在两闪耀光栅之间设置透射材料，使得激光不经过衍射直接透射，因此可以很好增强零级衍射光斑的强度；同时，本发明闪耀光栅A(1)与闪耀光栅B(2)采用的材料、闪耀波长、闪耀角及光栅常数完全相同，确保两闪耀光栅的一级衍射角和衍射效率相同，保证一级衍射光斑可汇聚到焦平面探测器的相同位置。同时，本发明闪耀光栅A(1)与闪耀光栅B(2)结构关于透射材料(3)完全对称，这样可以实现两闪耀光栅的正负一级衍射效率互补，整体提高一级衍射效率；因此采用本发明光栅衍射型探测器，可以使激光告警器计算的激光波长、方位角和俯仰角具有更高的准确性。
本发明较佳地令所述透射材料(3)与两闪耀光栅的材料相同；这样可以避免由于材料不同导致折射率不同，进而影响出射光的方向与位置。
本发明较佳地令透射材料(3)的宽度远大于(至少高两个数量级)闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)的光栅常数，被测激光通过透射材料(3)处时没有衍射，并且沿原方向传播，与零级衍射方向相同，这样可确保零级有较高的能量，等效为提高整体光栅零级的衍射效率。
如图2所示，本发明所述激光告警器包括电平转换模块、电压跟随与滤波模块、A/D转换模块、FPGA控制模块、数据缓存模块、DSP处理模块、CAN通信模块及电源模块；其中，电平转换模块的输入端与FPGA控制模块连接，输出端分别与光栅衍射型探测器和A/D转换模块相连，光栅衍射型探测器的模拟输出端与电压跟随与滤波模块的输入端连接，电压跟随与滤波模块的输出端与A/D转换模块的输入端连接，A/D转换模块的输出端与FPGA控制模块相连，FPGA控制模块与数据缓存模块相连，FPGA控制模块通过EMIF接口与DSP处理模块的输入端相连，DSP处理模块的输出端与CAN通信模块相连。
电源模块用于为激光告警器上其它模块供电；
FPGA控制模块生成控制信号并传输给电平转换模块；
电平转换模块把3.3V控制信号电平转换成5V后分成两路，一路作为光栅衍射型探测器的驱动控制信号对探测器的工作时序进行控制，另一路作为A/D转换模块的时钟信号；
电压跟随与滤波模块对来自探测器的模拟信号进行跟随、滤波后传输给A/D转换模块；本发明设置电压跟随与滤波模块可以起到隔离作用，防止后置电路的高频信号对探测器形成干扰。
A/D转换模块在所述时钟信号的控制下，将接收的模拟信号进行模数转换后生成数字信号，并经FPGA控制模块传输给数据缓存模块；
数据缓存模块由两个2片SRAM存储器构成，用于对所述数字信号进行乒乓缓存，所述FPGA控制模块将数据缓存模块中存储的数字信号传输给DSP处理模块；
DSP处理模块对接收的数字信号进行处理，获取出激光信号的波长、方位角和俯仰角并经CAN通信模块传输出去。
该处理为现有技术，先对其进行简单说明DSP处理模块处理探测器采集的图像时，寻找到零级衍射和±1级衍射光斑的中心，根据零级光斑、±1级衍射光斑之间的相对位置，可以计算出激光波长、方位角和俯仰角。
本发明激光告警器还进一步包括与DSP处理模块相连的SDRAM存储器和FLASH，所述FLASH用于存储DSP处理模块的信号处理软件，所述SDRAM存储器用于存储信号处理过程中产生的中间变量。
本发明焦平面阵列探测器由焦平面阵列和探测电路组成，图3为探测电路，探测器型号为320*256-C型InGaAs FPA，VPD和VND为其数字电源、数字地引脚，VPOS和VPOSOUT为其模拟电源引脚，VNEG和VNEGOUT为其模拟地引脚，采用5V电源供电，VPOS_CORE是探测器内部读出电路的电源引脚，VDETCOM是焦平面阵列的偏置电压引脚，电阻XR1一端与5V电源连接，另一端与电阻XR2的一端连接，电阻XR2的另一端与地连接，电阻XR1与电阻XR2的连接点，同时与探测器的VPOS_CORE、VDETCOM引脚连接。探测器的DATA、FSYNC、LSYNC、CLK引脚为探测器的时序驱动引脚，接受FPGA的控制，OUTA为探测器的模拟输出引脚，作为AD采集的模拟输入。
图4为激光告警器，可实现光栅衍射型探测器的驱动控制，FPGA控制模块发出驱动控制信号，经过电平转换芯片74LVXC4245之后，其中4根控制信号分别与探测电路的DATA、FSYNC、LSYNC、CLK引脚连接，另外一根信号与A/D转换芯片AD9220的时钟信号AD_CLK连接，电压跟随与滤波模块用到的芯片为ADA4897-1，探测电路的模拟输出OUTA，经过电压跟随、滤波电路后，与A/D转换芯片的模拟输入相连接，在FPGA控制模块的控制下，A/D转换芯片的输出与FPGA控制模块的IO引脚连接，数据被缓存至与FPGA控制模块相连的2片SRAM中。
图5是实现乒乓缓存框图，A/D转换输出，数据缓存至FPGA控制模块，在FPGA控制模块内部，通过选择器，数据经过FIFO1后缓存至SRAM1中，同时把已经缓存在SRAM2中的数据读出，传送至DSP处理模块，然后把数据经过FIFO2后缓存至SRAM2中，同时把已经缓存在SRAM1中的数据读出，传送至DSP处理模块，循环这个过程，实现FPGA的乒乓缓存操作，把数据不断传送至DSP处理模块，SRAM的型号为IS61LV25616。
图6是FPGA控制模块与DSP处理模块的通信接口模块框图，FPGA的型号为EP1C6Q240C8，DSP的型号为TMS320C6713，DEP的EXTINT4引脚，CE2、CE3引脚，AOE、ARE、AWE引脚，ED0至ED15引脚，IIC总线引脚与FPGA的IO口连接，FPGA通过给DSP的EXTINT4引脚一个中断信号，DSP发出读写信号AOE、ARE和AWE，FPGA检测到读写信号，把数据通过ED0至ED15传给DSP，FPGA与DSP的其他信息交互通过IIC总线通信。
图7是CAN总线输出电路模块框图，DSP的AOE、ARE、AWR、EA2至EA9引脚与FPGA的IO口连接，FPGA的一部分IO口与CAN芯片SJA1000的CE、ALE、RD、WR引脚相连接，DSP发出读写信号，在FPGA内部，将DSP的读、写、地址等信号转换成符合SJA1000格式的读写时序输出；DSP的数据线与SJA1000的D0至D7引脚相连接，实现对SJA1000的数据、地址的操作；SJA1000的TX和RX引脚与PCA82C250的收、发引脚连接，转换成串行信号CANH和CANL，通过CAN总线与其他设备进行信息交互。
本发明说明书中未作详细描述的内容，本领域的技术人员应当理解；可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。

Claims (7)

1.一种基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，包括光栅衍射型探测器和激光告警器；其中
光栅衍射型探测器用于将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；
所述光栅衍射型探测器包括闪耀光栅结构、透镜组(4)和焦平面阵列探测器(5)，其中闪耀光栅结构由闪耀光栅A(1)、闪耀光栅B(2)及透射材料(3)组成，所述闪耀光栅A(1)和闪耀光栅B(2)相同，且分别反向固连于透射材料(3)的两端；透镜组(4)位于闪耀光栅结构出射光的光路上，用于对闪耀光栅结构出射激光的零级和一级衍射光进行聚焦；焦平面阵列探测器(5)位于透镜组(4)的焦平面处，用于对激光的零级和一级衍射光进行探测，将探测的激光信号转换成模拟信号传输给激光告警器；
激光告警器对接收的模拟信号进行处理，获取激光波长、方位角和俯仰角并传输出去，实现激光告警。
2.根据权利要求1所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述透射材料(3)与两闪耀光栅的材料相同。
3.根据权利要求1或2所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述透射材料(3)的长度比两闪耀光栅的光栅常数至少高两个数量级。
4.根据权利要求1所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述探测器由激光告警器驱动控制。
5.根据权利要求4所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述激光告警器包括电平转换模块、电压跟随与滤波模块、A/D转换模块、FPGA控制模块、数据缓存模块、DSP处理模块、CAN通信模块及电源模块；其中
电源模块用于为激光告警器上其它模块供电；
FPGA控制模块生成控制信号并传输给电平转换模块；
电平转换模块对所述控制信号进行电平转换后分成两路，一路作为探测器的驱动控制信号，另一路作为A/D转换模块的时钟信号；
电压跟随与滤波模块对来自探测器的模拟信号进行跟随、滤波后传输给A/D转换模块；
A/D转换模块在所述时钟信号的控制下，将接收的模拟信号模数转换后生成数字信号，并经FPGA控制模块传输给数据缓存模块；
数据缓存模块存储所述数字信号，FPGA控制模块将数据缓存模块中存储的数字信号传输给DSP处理模块；
DSP处理模块对接收的数字信号进行处理，获取出激光信号的波长、方位角和俯仰角并经CAN通信模块传输出去。
6.根据权利要求5所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述数据缓存模块包括2片SRAM存储器，用于实现数字信号的乒乓缓存。
7.根据权利要求5所述基于光栅衍射型探测器的激光告警装置，其特征在于，所述FPGA控制模块与DSP处理模块之间通过EMIF接口进行通信。
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