CN105865637A - 一种星载高角度分辨率激光告警探测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光告警探测技术领域，更具体而言，涉及一种星载高角度分辨率激光告警探测方法及装置；该系统只需一个焦平面探测器即可实现激光高角度分辨率探测，通过光栅衍射获得激光波长信息，该系统具有结构紧凑、大视场、高角度分辨率、探测波长数多、体积小等优点，适用于星载激光告警；通过闪耀光栅、短焦透镜和焦平面探测器实现被测激光波长和粗略入射方向的测量，入射方向的粗测量是为透镜阵列的高精度角度测量提供大致的入射角范围，透镜阵列中的每一个透镜都对应很小的激光入射角范围，在小的入射角范围内对应到焦平面探测器的每个象元上就可实现高分辨率的角度测量，大大提高激光告警系统的角度定位精度；本发明主要应用在激光探测方面。

Description

一种星载高角度分辨率激光告警探测方法及装置

技术领域

本发明涉及激光告警探测技术领域，更具体而言，涉及一种星载高角度分辨率激光告警探测方法及装置，是一种采用光栅衍射和透镜阵列相结合的、高角度分辨率的激光入射方向和波长探测方法。

背景技术

随着反卫星武器的发展，尤其是激光武器的发展，为提高卫星的生存率，各国对激光威胁的探测和告警工作极为关注，以美俄为首的军事强国都在积极发展卫星技术的同时发展反卫星武器，并均已进行了大量激光反卫星的实验和实战。为了保护卫星，非常有必要开展星载激光告警技术研究。激光告警技术是光电对抗的重要组成，来袭激光的入射方向角度与波长信息的快速精确获取是激光告警技术研究的核心内容，只有准确获取来袭激光的波长，才能为我方是否采取防卫或反击措施提供依据；只有准确获取了来袭激光的方向信息，判断出威胁源的位置，才能为我方采取有效措施，干扰或者摧毁对方目标提供保障。根据报道，目前星载激光告警探测系统中，比较有效的方式是采用多通道成像的告警方法，也就是不同通道探测的波长不同，通过成像获得方位角度信息。但是该方法探测波段个数较少、需多个焦平面探测器、角度分辨率较低、结构复杂、体积大，不便于星载。因此，有必要对其进行改进。

发明内容

为了克服现有技术中所存在的不足，提供一种提高角度定位精度、减小系统体积的星载高角度分辨率激光告警探测方法及装置，该系统只需一个焦平面探测器即可实现激光高角度分辨率探测，通过光栅衍射获得激光波长信息，该系统具有结构紧凑、大视场、高角度分辨率、探测波长数多、体积小等优点，适用于星载激光告警。

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种星载高角度分辨率激光告警探测装置，包括闪耀光栅1、短焦镜头2、焦平面探测器3、透镜阵列4、反射镜5和半透半反镜6，所述闪耀光栅1、短焦镜头2、焦平面探测器3组成激光波长和角度粗测量模块，所述透镜阵列4、反射镜5、半透半反镜6、焦平面探测器3组成高精度角度定位测量模块，所述透镜阵列4是由多个透镜所组成的曲面，所述透镜均为六边形结构，且每个透镜的焦点均在焦平面探测器3的中心位置。

所述反射镜5将透镜阵列4过来的光路反射，通过半透半反镜6反射到焦平面探测器3上。

所述半透半反镜6可以反射反射镜5过来的光，同时投射闪耀光栅1过来的衍射光。

一种星载高角度分辨率激光告警探测方法，被测激光通过闪耀光栅进行衍射，衍射光通过短焦镜头到达焦平面探测器上，由焦平面探测器上获得的零级和一级衍射位置得到被测激光的波长和大致方向信息，被测激光同时通过透镜阵列经反射镜、半透半反镜到达焦平面探测器上，焦平面探测器只能探测到透镜阵列中某一个透镜过来的光，每一个透镜都对应很小的激光入射角范围，该入射角范围内对应到焦平面探测器的每个象元上，再结合上述焦平面探测器测得的大致方向信息，得到被测激光的精确位置。

所述由焦平面探测器上获得的零级和一级衍射位置得到被测激光的波长和大致方向信息按照如下方式计算可知：设被测激光经闪耀光栅后的零级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为α、俯仰角为γ，正一级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为β₊，负一级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为β_-，方位角即x方向探测，在x方向，焦平面探测器上零级光谱位置为x₀，正一级光谱位置为x₊₁，负一级光谱位置为x_-1，俯仰角即y方向探测，在y方向，入射光衍射后在焦平面探测器上的位置为y，设短焦镜头的焦距为f，闪耀光栅的光栅常数为d，波长为λ，则由光栅方程可知，正负一级衍射角度β₊、β_-满足：

正一级为：

负一级为：

其零级、正、负一级的位置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=f\tan \mathrm{\α}\\ x_{+1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{+}\right)\\ x_{-1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{-}\right)\\ y=f\tan \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

由(1)、(2)和(3)可以确定一级衍射角度β₊,β_-以及x方向方位角α、y方向俯仰角γ和波长λ，结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{x_0}{f}\right)\\ \mathrm{\γ}=arctan\left(\frac{y}{f}\right)\\ \mathrm{\λ}=d\{sin\[arttan\left(\frac{x_0}{f}\right)\]+\sin \[arctan\left(\frac{x_1}{f}\right)\]\}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中(4)式中，x₁为(3)式中x₊₁或x_-1，根据(4)式，由焦平面探测器获得的零级和一级衍射位置就可得到被测激光波长和大致方向信息。

与现有技术相比本发明所具有的有益效果为：

1、本装置无需多个探测器即可实现宽光谱范围激光的高精度角度定位和激光波长的探测；

2、本装置采用光栅衍射方法实现激光波长的探测，该方法具有波长分辨率高、探测波段宽等优点；

3、本装置采用透镜阵列的方式实现激光的高角度分辨率探测，并且与光栅衍射共用同一个焦平面探测器，且整个光学系统采用折反的方式，减小系统的体积和质量；

4、本装置结构紧凑、体积小、重量轻、高角度分辨率、大视场，符合星载激光告警的要求。

附图说明

下面通过附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的工作原理图；

图2为光栅衍射后在x方向的探测示意图；

图3为光栅衍射后在y方向的探测示意图；

图4为透镜i入射角为α₀＝0°时的光路示意图；

图5为透镜i入射角为α₁时的光路示意图；

图6为透镜i入射角为α₂时的光路示意图；

图7为透镜阵列的示意图；

图8为透镜阵列投影在xoy平面的示意图。

图中：1为闪耀光栅、2为短焦镜头、3为焦平面探测器、4为透镜阵列、5为反射镜、6为半透半反镜。

具体实施方式

下面实施例结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，一种星载高角度分辨率激光告警探测装置，该装置主要分为两部分：第一部分是由闪耀光栅1、短焦镜头2和焦平面探测器3组成的激光波长和角度粗测量模块；第二部分是由透镜阵列4、反射镜5、半透半反镜6和焦平面探测器3组成的高精度角度定位测量模块。其中第一部分提供初步的激光角度信息，为第二部分选择具体透镜提供对应的参数。如图1所示，每一个透镜的焦点处都位于焦平面探测器3的中心。每一个透镜探测不同的位置，但所有的透镜共用一个探测器，这样既提高了角度定位精度，也减小了多个探测器带来的成本贵、体积大的问题。

第一部分的激光波长和角度粗测量原理如图2和图3所示，激光入射经过闪耀光栅1衍射后通过短焦透镜2形成干涉条纹，被焦平面探测器3获得并转为电信号。激光方向角度信息主要是测方位角ɑ和俯仰角γ的测量，其中方位角探测原理如图2所示，在x方向，零级光谱位置为x₀，正一级光谱位置为x₊₁，负一级光谱位置为x_-1；其中俯仰角探测原理如图3所示，在y方向，入射光衍射后在探测器位置为y。根据零级和一级衍射的距离获得激光波长信息，根据零级的位置获得激光大致的方向信息。

如图2和图3所示，设短焦透镜2的焦距为f，闪耀光栅1的光栅常数为d。由光栅方程可知，正负一级衍射角度β₊,β_-满足：

正一级为：

负一级为：

其零级、正、负一级条纹的位置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=f\tan \mathrm{\α}\\ x_{+1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{+}\right)\\ x_{-1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{-}\right)\\ y=f\tan \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

由(1)、(2)和(3)可以确定一级衍射角度β₊,β_-以及x方向方位角α、y方向俯仰角γ和波长λ，结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=arctan\left(\frac{x_0}{f}\right)\\ \mathrm{\γ}=arctan\left(\frac{y}{f}\right)\\ \mathrm{\λ}=d\{sin\[arttan\left(\frac{x_0}{f}\right)\]+\sin \[arctan\left(\frac{x_1}{f}\right)\]\}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中(4)式中，x₁为(3)式中x₊₁或x_-1，因此根据(4)式，由面阵探测器3获得的零级和一级衍射位置就可得到被测激光波长和大致方向信息。闪耀光栅1可使衍射光能主要集中在对焦平面探测器3的零级和一级衍射中，能提高整个系统的信噪比，提高探测灵敏度。

第二部分的激光高角度分辨率探测原理如图4、图5和图6所示，激光入射到该激光告警机后，无论入射角多少，通过透镜阵列4的光中，只会有通过一个透镜的光聚焦在焦平面探测器3上，如图4-图6所示，而每一个透镜都对应很小的激光入射角范围，在小的入射角范围内对应到焦平面探测器3的每个象元上，这样可提高角度测量的分辨率，大大提高角度定位精度，随着激光入射角度不断变化，焦平面探测器3获得光信号所对应的透镜也不同，探测的光具体来自哪个透镜需要通过第一部分光栅衍射零级位置来确定。其中透镜阵列3中的每个透镜都采用六边形结构，并且这个透镜阵列组成一个曲面，以确保每个透镜的焦点都在焦平面探测器3的中心位置。反射镜5是为了通过反射光路的方式减小系统的体积。半透半反镜6主要两个作用，一是反射来自高角度分辨率测量用的光，二是透射闪耀光栅衍射光。

本发明通过闪耀光栅1、短焦透镜2和焦平面探测器3实现被测激光波长和粗略入射方向的测量，入射方向的粗测量是为透镜阵列4的高精度角度测量提供大致的入射角范围，透镜阵列4中的每一个透镜都对应很小的激光入射角范围，在小的入射角范围内对应到焦平面探测器3的每个象元上就可实现高分辨率的角度测量，大大提高激光告警系统的角度定位精度。该方式不仅提高激光告警系统的角度分辨率和实现大视场探测，而且只采用一个焦平面探测器3，结构紧凑，适合星载要求。

Claims (5)

1.一种星载高角度分辨率激光告警探测装置，其特征在于：包括闪耀光栅(1)、短焦镜头(2)、焦平面探测器(3)、透镜阵列(4)、反射镜(5)和半透半反镜(6)，所述闪耀光栅(1)、短焦镜头(2)、焦平面探测器(3)组成激光波长和角度粗测量模块，所述透镜阵列(4)、反射镜(5)、半透半反镜(6)、焦平面探测器(3)组成高精度角度定位测量模块，所述透镜阵列(4)是由多个透镜所组成的曲面，所述透镜均为六边形结构，且每个透镜的焦点均在焦平面探测器(3)的中心位置。

2.根据权利要求1所述的一种星载高角度分辨率激光告警探测装置，其特征在于：所述反射镜(5)将透镜阵列(4)过来的光路反射，通过半透半反镜(6)反射到焦平面探测器(3)上。

3.根据权利要求1或2所述的一种星载高角度分辨率激光告警探测装置，其特征在于：所述半透半反镜(6)可以反射反射镜(5)过来的光，同时投射闪耀光栅(1)过来的衍射光。

4.一种星载高角度分辨率激光告警探测方法，其特征在于：被测激光通过闪耀光栅进行衍射，衍射光通过短焦镜头到达焦平面探测器上，由焦平面探测器上获得的零级和一级衍射位置得到被测激光的波长和大致方向信息，被测激光同时通过透镜阵列经反射镜、半透半反镜到达焦平面探测器上，焦平面探测器只能探测到透镜阵列中某一个透镜过来的光，每一个透镜都对应很小的激光入射角范围，该入射角范围内对应到焦平面探测器的每个象元上，再结合上述焦平面探测器测得的大致方向信息，得到被测激光的精确位置。

5.根据权利要求4所述的一种星载高角度分辨率激光告警探测方法，其特征在于：所述由焦平面探测器上获得的零级和一级衍射位置得到被测激光的波长和大致方向信息按照如下方式计算可知：设被测激光经闪耀光栅后的零级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为α、俯仰角为γ，正一级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为β₊，负一级衍射光与闪耀光栅轴线的方位角为β_-，方位角即x方向探测，在x方向，焦平面探测器上零级光谱位置为x₀，正一级光谱位置为x₊₁，负一级光谱位置为x_-1，俯仰角即y方向探测，在y方向，入射光衍射后在焦平面探测器上的位置为y，设短焦镜头的焦距为f，闪耀光栅的光栅常数为d，波长为λ，则由光栅方程可知，正负一级衍射角度β₊、β_-满足：

正一级为：

负一级为：

其零级、正、负一级的位置如下：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_0=f\tan \mathrm{\α}\\ x_{+1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{+}\right)\\ x_{-1}=f\tan \left({\mathrm{\β}}_{-}\right)\\ y=f\tan \mathrm{\γ}\end{array}\right.---\left(3\right)$

由(1)、(2)和(3)可以确定一级衍射角度β₊,β_{_}以及x方向方位角α、y方向俯仰角γ和波长λ，结果如下：

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{\α}=\arctan \left(\frac{x_0}{f}\right)\\ \mathrm{\γ}=\arctan \left(\frac{y}{f}\right)\\ \mathrm{\λ}=d\left\{\sin \[art\tan \left(\frac{x_0}{f}\right)\]+\sin \[\arctan \left(\frac{x_1}{f}\right)\]\right\}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中(4)式中，x1为(3)式中x+1或x-1，根据(4)式，由焦平面探测器获得的零级和一级衍射位置就可得到被测激光波长和大致方向信息。