CN105319386B - 一种基于调制激光的主动式测速方法及测速装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于调制激光的主动式测速方法及测速装置，采用调制激光光幕的二次强度调制技术获得弹丸的速度，实现对振动、冲击、火光等各种干扰的抑制；采用相干解调方法对已调过靶信号进行解调，有效抑制干扰，提高信噪比，提高探测识别能力；测速装置采用一对光幕实现高速目标对激光散射光的光电探测，无需光反射合作目标即实现了测速，该装置结构简单且使用方便。
Description
技术领域
本发明涉及运动目标(包括弹丸、破片等)速度的光电检测领域，尤其涉及一种基于调制激光的主动式测速方法及测速装置。
背景技术
弹丸、破片等高速目标的速度在武器系统中是一项重要指标。目前国内外广泛采用区截测速方法，具体包括通断靶、线圈靶、声靶、天幕靶、LED光幕靶、激光光幕靶等。其中激光光幕靶因采用激光光源，波长单一、能量集中、方向性强、光束整形质量好，使得该方法具有灵敏度高、测试精度高、抗干扰能力强、室内户外均可可靠工作等突出特点,可实现高速目标速度的高精度、全天候、非接触光电测量。尤其是原向反射式激光光幕系统因其采用激光光幕发射接收一体化技术，测试时主机可置于地面下，使得在爆炸区域内能够得到有效防护，而在破片速度测试中独具优势。但现有的激光光幕测速技术因采用静态(非调制)光幕接收探测技术，对于振动、火光等外界干扰因素的抑制能力有限，对于淹没在振动、火光中的目标过靶信号无法有效提取，而且目前的激光光幕测速装置无论采用框架结构还是采用分体结构，均需要反射合作目标配合，结构复杂、光路调整繁琐、使用(尤其是外场测试场合)不便。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种基于调制激光的主动式测速方法及测试装置，其中采用调制激光的相干解调方法探测目标速度，现对振动、冲击、火光等各种干扰的抑制，有效抑制干扰，提高信噪比，提高探测识别能力；测速装置无需采用光反射合作目标即实现了测速，该装置结构简单且使用方便。
本发明的一种基于调制激光的主动式测速方法，包括如下步骤：
步骤1、产生光强随时间变化的调制激光信号，并控制2个激光器发射所述调制激光信号，从而同时形成2个平行的激光光幕，分别作为目标测速的启动靶和停止靶；
步骤2、在垂直激光光幕的方向发射目标，在所述目标先后穿过两激光光幕时，探测目标反射的激光信号，得到2个待测信号；
步骤3、对所述2个待测信号分别进行放大和滤波处理，滤除待测信号的基带部分，保留频带部分；
步骤4、将所述调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与步骤3中经放大和滤波后的2个待测信号的相位一致；
步骤5、将2路待测信号的频带部分分别与各自相位一致的移相后调制激光信号相乘，得到2个调制过靶信号；
步骤6、将所述2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为目标经过启动靶和停止靶时的2个过靶信号；
步骤7、根据所述2个过靶信号，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间，依据启动靶和停止靶之间的距离，得到目标速度。
进一步的，所述步骤3中，对待测信号进行滤波处理还包括滤除噪声信号。
较佳的，所述步骤7中，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间的方法为：
获得2个所述过靶信号进行互相关函数，求解使该互相关函数的绝对值取最大值时所对应的两个时间点，则该两个时间点之间的时间间隔即为目标的飞行时间。
较佳的，所述步骤7中，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间的方法为：
分别找到过靶信号的幅值从信号峰值跌落至信号峰值一半时对应的时间点，两个过靶信号的两个时间点之差即为目标飞行时间。
较佳的，所述步骤7中，采用重心算法得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间，具体为：针对过靶信号的各个离散点，求各时间与对应的幅值的乘积，将所有时间点的乘积求和，再将和值除以所有点的幅值之和，得到的即是该过靶信号的时间重心；将两个过靶信号的时间重心求差值，即为目标的飞行的时间。
本发明的一种基于调制激光的主动式测速装置，括：数据处理终端、调制驱动器、光电探测器、信号解调模块、滤波放大模块、2个一字线激光器以及2个光学镜头；
所述调制驱动器产生光强随时间变化的调制激光信号，并送至2个互相靠近放置的一字线激光器；
所述2个一字线激光器产生2个平行的激光光幕，分别作为目标测速的启动靶和停止靶；
每个所述一字线激光器的附近各布置一个光学镜头；两个光学镜头各连接一个光电探测器；
所述光电探测器接收目标穿过激光光幕时反射的激光信号，作为待测信号；
所述滤波放大模块从2个所述光电探测器各接收1个待测信号，并分别进行放大和滤波处理，滤除待测信号的基带部分，保留频带部分；
所述信号解调模块从所述调制驱动器接收调制激光信号后，首先将所述调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与滤波放大模块输出的2个待测信号的相位一致；然后再将所述2路待测信号的频带部分分别与各自相位一致的移相后调制激光信号相乘，得到2个调制过靶信号；最后，将所述2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为目标经过启动靶和停止靶时的2个过靶信号；
所述数据处理终端从所述信号解调模块接收2个过靶信号后，计算目标飞行时间，再依据启动靶和停止靶之间的距离，得到目标速度。
较佳的，还包括置于光学镜头后端与所述光电探测器之间的滤光片。
较佳的，所述光学镜头的接收面与所述一字线激光器的激光出射面平行共面放置。
本发明具有如下有益效果：
1)本发明采用调制激光光幕的二次强度调制技术获得弹丸的速度，实现对振动、冲击、火光等各种干扰的抑制；采用相干解调方法对已调过靶信号进行解调，有效抑制干扰，提高信噪比，提高探测识别能力。
2)本发明通过采用重心算法、相关算法、峰值跌落一半等算法，确定目标飞行穿越两光幕时的计时时刻，从而获得精确的速度。
3)本发明的测速装置，采用一对光幕实现高速目标对激光散射光的光电探测，无需光反射合作目标即实现了测速，该装置结构简单且使用方便；采用一维扩束激光光源与透射式光学镜头平行共面放置结构，确保激光光幕的有效靶面与光学镜头的成像平面重合，使得目标在有效靶面内任何位置穿过时，其表面漫反射光经光学镜头后均能汇聚于线阵光电探测器上，便于空间滤波和窄带滤光，消除背景光引起的光电转换输出饱和等问题；同时该结构可有效提高测速精度。
附图说明
图1为本发明的相干解调原理示意图。
图2为主动式激光测速仪原理示意图。
图3为启动靶(或停止靶)原理示意图。
Ⅰ-启动靶，Ⅱ-停止靶，1-一字线激光器，2-光学镜头，3-弹丸，4-滤光片，5-光电探测器，6-数据处理终端，7-调制驱动器，8-信号解调模块，9-滤波放大模块。
具体实施方式
下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
本发明的一种基于调制激光的主动式测速方法，包括如下步骤：
步骤1、产生光强随时间变化的调制激光信号，并控制激光器发射所述调制激光信号，从而同时形成2个平行的激光光幕，分别作为弹丸3测速的启动靶Ⅰ和停止靶Ⅱ。其中，一维扩束激光光源在正弦调制信号驱动下，改变半导体激光器的注入电流，使得激光器的输出光强随注入电流的变化而产生变化，从而形成高频调制的激光调制信号，该信号强随时间的表达式为：
(式1)
式1中，其中Im、ωm和分别为激光调制信号的峰值光强、调制信号的角频率和初始相位。
步骤2、在垂直激光光幕的方向发射弹丸3，在弹丸3先后穿过两激光光幕时，探测弹丸3反射的激光信号，得到2个待测信号。
当弹丸3飞行穿过激光光幕时，产生的表面漫反射光经透射式光学镜头收集、整形、会聚后由光电探测器5接收并进行光电转换；由于激光光幕很薄，收到的光强会随着目标物体在各挡光时刻的形状、大小不同而发生变化，即在目标穿过高频调制的激光光幕的过程中，系统接收到的漫反射光强经过了二次强度调制。静态时，接收到的光强为零，弹丸3经过光幕时探测器接收到的光信号s(t)可用下式表示：
(式2)
式中，K为比例系数，f(t)为信号s(t)的包络，是由目标经过光幕时表面漫反射光随时间的不同引起的，f(t)也称之为目标过靶信号。
为了得到信号的频谱表达式，对式2进行傅里叶变换，如式3所示：
(式3)
式3中，F(ω)是f(t)的频谱函数，S(ω)是s(t)的频谱函数，可以看出，信号中含有基带信号和以ωm为中心的频带信号。假设F(ω)的有效带宽B，则通过一个中心频率为f0＝ωm/2π带宽为2B的带通滤波器，再通过相干解调的方法获得目标过靶信号，可有效抑制振动、冲击、火光以及系统固有噪声等带来的各种干扰。
步骤3、对2个待测信号分别进行放大(比例为G)和滤波处理，滤除待测信号的基带信号，保留频带信号，用s1(t)表示，其表达式为：
(式4)
式4中，为待测信号经放大、滤波后得到的新相位。
步骤4、将调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与步骤3中经放大和滤波的待测信号s1(t)的相位一致；
步骤5、将2路待测信号分别与自己相位一致的激光调制信号相乘，得到2个调制过靶信号，如式5所示：
(式5)
步骤6、使用低通滤波器将2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为弹丸3经过启动靶Ⅰ和停止靶Ⅱ时的2个过靶信号，如式6所示：
(式6)
如此实现了对高速目标过靶信号的解调。
步骤7、根据所述2个过靶信号，可通过重心算法、相关算法、峰值跌落一半等算法，确定弹丸3飞行穿过启动靶Ⅰ和停止靶Ⅱ的时间，再依据启动靶Ⅰ和停止靶Ⅱ之间的距离，从而获得弹丸3的飞行速度。
重心算法是指通过计算高速目标过靶波形的时间重心作为计算速度的特征时刻。计算机采集到的目标过靶信号是目标过靶时模拟信号离散化的结果，信号幅值大的点离开时间轴的距离的权重也大。重心的计算是一个对信号进行积分的过程：先对计算机采集到的每个离散信号点求出其相对时间轴的面矩，将每个离散信号的面矩累加起来。再除以所有离散信号的幅值积分。过靶波形中的所有采样点都参与了重心的计算，采样点的信息利用率比较高，可以精确的获取过靶信号的特征点，同时还具有一定的抗噪声能力，不需要高采样率来保证精度。
相关算法指通过计算高速目标通过两光幕时的过靶信号的互相关函数，并求得其最大值时的时间间隔来计算速度。对于激光光幕测速系统中，同一目标穿过两激光光幕所获得的过靶信号显然是相关的，利用相关分析技术对这两组数据进行处理，利用相关的算法确定两者间的时间间隔，就是要求解使相关函数的绝对值取得最大时所对应的时间值，从而获得运动物体穿过空间两点的时间,进而依据靶距计算运动物的速度值。
峰值跌落一半算法指以高速目标过靶信号跌落至信号峰值一半处作为计算速度的计时时刻。由于弹丸3的几何形状和过靶姿态决定了过靶信号的形状，一般枪炮的弹丸3弹尾陡峭，当其飞行穿过光幕时，波形后沿会有最大的斜率，即弹尾离开光幕瞬间产生的波形。因此选择后沿跌落到信号峰值一半的时刻来计算时间间隔△t，可以使得由于弹丸3过靶位置与姿态不同及激光光源和电子器件不稳定引起的过靶信号幅值不同不会影响触发计时脉冲产生的时刻，使时间差误差降至最小，从而大大提高了测速精度。
本发明基于上述测速方法提供了一种测速装置，如图2和3所示，包括：数据处理终端6、调制驱动器7、光电探测器5、信号解调模块8、2个一字线激光器1以及2个光学镜头2。
所述调制驱动器7产生调制激光信号，并送至2个互相靠近放置的一字线激光器1；激光器1依调制激光信号产生激光光幕，两个光幕互相平行且与地面垂直，分别作为探测弹丸3过靶信号的启动靶I和停止靶II。
每个一字线激光器1的附近各布置一个光学镜头2，用于接收弹丸3反射的激光信号。本发明将一字线激光器1的激光出射面与光学镜头2平行共面放置，确保激光光幕的有效靶面与光学镜头2的成像平面重合，使得弹丸3在有效靶面内任何位置穿过时，其漫反射光经光学镜头2后均能汇聚于光电探测器5上，便于空间滤波，消除背景光引起的光电转换输出饱和等问题；同时也可有效提高测速精度。并利用透射式光学镜头2对漫反射光进行接收、整形，有效减小光入射光电探测器5的角度范围，便于在光电探测器5前进行窄带滤光。滤光片4也起到滤除杂散光的作用。
两个光学镜头2各连接一个用于接收待测信号的光电探测器5；滤波放大模块9从2个所述光电探测器5各接收1个待测信号，并分别进行放大和滤波处理，滤除待测信号的基带部分，保留频带部分；所述信号解调模块8从所述调制驱动器7接收调制激光信号后，首先将所述调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与滤波放大模块9输出的2个待测信号的相位一致；然后再将所述2路待测信号的频带部分分别与各自相位一致的移相后调制激光信号相乘，得到2个调制过靶信号；最后，将所述2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为目标经过启动靶和停止靶时的2个过靶信号。
数据处理终端6从所述信号解调模块8接收2个过靶信号后，通过上述的重心算法、相关算法、峰值跌落一半等算法，得到弹丸3速度。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于调制激光的主动式测速方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、产生光强随时间变化的调制激光信号，并控制2个激光器发射所述调制激光信号，从而同时形成2个平行的激光光幕，分别作为目标测速的启动靶和停止靶，其中，一维扩束激光光源在正弦调制信号驱动下，改变半导体激光器的注入电流，使得激光器的输出光强随注入电流的变化而产生变化，从而形成高频调制的激光调制信号，该信号强随时间的表达式为：
其中Im、ωm和分别为激光调制信号的峰值光强、调制信号的角频率和初始相位；
步骤2、在垂直激光光幕的方向发射目标，在所述目标先后穿过两激光光幕时，探测目标反射的激光信号，得到2个待测信号，
当目标飞行穿过激光光幕时，产生的表面漫反射光经收集、整形、会聚后进行光电转换；由于激光光幕很薄，收到的光强会随着目标物体在各挡光时刻的形状、大小不同而发生变化，即在目标穿过高频调制的激光光幕的过程中，系统接收到的漫反射光强经过了二次强度调制，静态时，接收到的光强为零，目标经过光幕时探测器接收到的光信号s(t)可用下式表示：
其中，K为比例系数，f(t)为信号s(t)的包络，是由目标经过光幕时表面漫反射光随时间的不同引起的，f(t)也称之为目标过靶信号；
为了得到信号的频谱表达式，对公式(2)进行傅里叶变换，如下式：
其中，F(ω)是f(t)的频谱函数，S(ω)是s(t)的频谱函数，可以看出，信号中含有基带信号和以ωm为中心的频带信号，假设F(ω)的有效带宽B，则通过一个中心频率为f0＝ωm/2π带宽为2B的带通滤波器，再通过相干解调的方法获得目标过靶信号；
步骤3、对所述2个待测信号分别进行放大和滤波处理，滤除待测信号的基带部分，保留频带部分，得到的待测信号用s1(t)表示，其表达式为：
其中，为所述待测信号经放大、滤波后得到的新相位；
步骤4、将所述调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与步骤3中经放大和滤波后的2个待测信号s1(t)的相位一致；
步骤5、将2路待测信号的频带部分分别与各自相位一致的移相后调制激光信号相乘，得到2个调制过靶信号，如下式：
步骤6、将所述2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为目标经过启动靶和停止靶时的2个过靶信号，如下式：
步骤7、根据所述2个过靶信号，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间，依据启动靶和停止靶之间的距离，得到目标速度。
2.如权利要求1所述的一种基于调制激光的主动式测速方法，其特征在于，所述步骤3中，对待测信号进行滤波处理还包括滤除噪声信号。
3.如权利要求1所述的一种基于调制激光的主动式测速方法，其特征在于，所述步骤7中，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间的方法为：
获得2个所述过靶信号进行互相关函数，求解使该互相关函数的绝对值取最大值时所对应的两个时间点，则该两个时间点之间的时间间隔即为目标的飞行时间。
4.如权利要求1所述的一种基于调制激光的主动式测速方法，其特征在于，所述步骤7中，得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间的方法为：
分别找到过靶信号的幅值从信号峰值跌落至信号峰值一半时对应的时间点，两个过靶信号的两个时间点之差即为目标飞行时间。
5.如权利要求1所述的一种基于调制激光的主动式测速方法，其特征在于，所述步骤7中，采用重心算法得到目标在启动靶和停止靶之间飞行的时间，具体为：针对过靶信号的各个离散点，求各时间与对应的幅值的乘积，将所有时间点的乘积求和，再将和值除以所有点的幅值之和，得到的即是该过靶信号的时间重心；将两个过靶信号的时间重心求差值，即为目标的飞行的时间。
6.实现如权利要求1所述的一种基于调制激光的主动式测速方法的一种基于调制激光的主动式测速装置，其特征在于，包括：数据处理终端(6)、调制驱动器(7)、光电探测器(5)、信号解调模块(8)、滤波放大模块(9)、2个一字线激光器(1)以及2个光学镜头(2)；
所述调制驱动器(7)产生光强随时间变化的调制激光信号，并送至2个互相靠近放置的一字线激光器(1)；
所述2个一字线激光器(1)产生2个平行的激光光幕，分别作为目标测速的启动靶和停止靶；
每个所述一字线激光器(1)的附近各布置一个光学镜头(2)；两个光学镜头(2)各连接一个光电探测器(5)；
所述光电探测器(5)接收目标穿过激光光幕时反射的激光信号，作为待测信号；
所述滤波放大模块(9)从2个所述光电探测器(5)各接收1个待测信号，并分别进行放大和滤波处理，滤除待测信号的基带部分，保留频带部分；
所述信号解调模块(8)从所述调制驱动器(7)接收调制激光信号后，首先将所述调制激光信号分出2路，并分别进行移相处理，使得2路调制激光信号的相位分别与滤波放大模块(9)输出的2个待测信号的相位一致；然后再将所述2路待测信号的频带部分分别与各自相位一致的移相后调制激光信号相乘，得到2个调制过靶信号；最后，将所述2个调制过靶信号的频带部分滤除，保留的基带部分即为目标经过启动靶和停止靶时的2个过靶信号；
所述数据处理终端(6)从所述信号解调模块(8)接收2个过靶信号后，计算目标飞行时间，再依据启动靶和停止靶之间的距离，得到目标速度。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于，还包括置于光学镜头(2)后端与所述光电探测器(5)之间的滤光片(4)。
8.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光学镜头(2)的接收面与所述一字线激光器(1)的激光出射面平行共面放置。
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|---|---|
| CN105319386A (zh) | 2016-02-10 |
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