CN107462325B - 一种非成像型星载激光告警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非成像型星载激光告警系统，包括光谱分析系统和定位系统，该光谱分析系统由动反射镜、衰减片、分光镜、第一光谱仪、第二光谱仪和电机组成，电机连接动反射镜，衰减片设置在动反射镜和分光镜之间，电机控制和转动动反射镜来调节目标激光的入射角，使目标激光穿过衰减片，经过分光镜分为两路激光，两路激光一路穿过透镜进入第一光谱仪，另一路穿过透镜进入第二光谱仪，第一光谱仪、第二光谱仪分析目标激光的光谱范围。本发明能够探测地面待测激光，提供精确的待测激光的光谱信息和激光光源方位，从而实现告警待测激光。
Description
技术领域
本发明属于激光告警领域，特别是一种非成像型星载激光告警系统。
背景技术
现如今成像型星载激光告警系统主要是CCD成像型，通过成像CCD靶面位置来确定目标激光的方位。CCD成像型告警系统虽然技术成熟，但是还是有很多劣势与不足，如CCD以扫描方式输出，帧频不高，响应速度较慢，对于告警系统而言，系统反应时间尤为重要，反应时间的快慢决定整个系统的成败与否，CCD输出图像对于后续的处理电路功耗及要求都相对较高。CCD像素的大小及响应时间不一致，会影响光斑测量精度，进而影响定位精度。不同光谱范围需要不同CCD图像传感器，要探测从可见光到远红外的威胁激光，需要多个CCD进行组合，这样不仅使光学系统和外围驱动电路变得复杂，而且多个CCD器件的使用会造成整个系统的功耗及成本大大增加，体积大，笨重，虚警率高，探测光谱范围窄。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非成像型星载激光告警系统，探测地面待测激光，提供精确的待测激光的光谱信息和激光光源方位，从而实现告警。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种非成像型星载激光告警系统，包括光谱分析系统和定位系统，该光谱分析系统由动反射镜、衰减片、分光镜、第一光谱仪、第二光谱仪和电机组成，电机连接动反射镜，衰减片设置在动反射镜和分光镜之间，电机控制和转动动反射镜来调节目标激光的入射角，使目标激光穿过衰减片，经过分光镜分为两路激光，两路激光一路穿过透镜进入第一光谱仪，另一路穿过透镜进入第二光谱仪，第一光谱仪、第二光谱仪分析目标激光的光谱范围；
所述的定位系统包括前置光学系统、滤波及自增益控制模块、信号采集与处理模块和误差修正模块，前置光学系统由广角鱼眼透镜、衰光片、四象限探测器和放置在转盘上的滤光片组成，目标激光通过衰光片进入滤光片滤掉背景光，然后进入广角鱼眼透镜聚焦后进入四象限探测器的靶面产生四路信号；所述滤波及自增益控制模块由前置滤波放大器和主放大器组成，信号采集与处理模块由四路AD和FPGA组成；四路信号进入前置滤波放大器提高信噪比后进入主放大器放大，并由四路AD采样，该采样信号值进入FPGA中，FPGA将四路信号值进行高斯光斑定位，由光斑质心得到相对的目标激光角度信息，该角度信息一部分作为光谱分析系统的电机角度转动信息，控制动反射镜的转动角度，另一部分作为告警信息传递给己方地面基站；
所述光谱分析系统得到的光谱信息输入FPGA控制前置光学系统的步进电机，该步进电机带动转盘控制滤光片的选择。
本发明与现有技术相比，其显著优点：(1)功耗低。小型相机一个最少也要5W，要做到可见光到远红外的威胁激光都可识别，至少需要2～3个相机，后续图像处理电路复杂约10W，成像型的告警系统功耗要20W以上。小功率电机可达0.3W，探测器最高功率5W，信号处理板5W左右，本发明非成像型告警系统功耗15W左右。(2)体积小。四象限探测器的尺寸大小为18mm×18mm，厚度为0.6mm，信号采集与处理模块做成两块40mm×40mm大小板子，堆叠起来，一个板子用来AD采样，一个板子用来信号处理与数据通信。(3)重量轻。本发明选用的四象限探测器质量仅仅只有5g，相较于CCD相机告警系统质量大大减轻。(4)成本低。无论是非成像型告警系统中的四象限探测器与成像型告警系统中的CCD相机相比，还是信号处理板与图像处理板相比，成本都要小很多。(5)系统响应速度快。一般成像型激光告警的响应时间通常较慢，会达到100ms的量级，本发明的响应时间可达到1～10ms量级。(6)光谱探测范围广。即使全波段CCD相机响应波段200nm—1100nm，想要达到从可见光到远红外都能探测，一个CCD相机远远不够，本发明选用的四象限探测器的探测光谱范围可达到0.19μm-15μm。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1是非成像型星载激光告警系统-光谱分析系统原理图。
图2是非成像型星载激光告警系统-定位系统原理图。
图3是四象限探测器光敏面示意图。
图4是光斑移动示意图。
图5能量呈高斯分布的光斑模型示意图。
具体实施方式
本发明是一种非成像型星载激光告警系统，包括待测目标激光的光谱分析和待测目标激光的方位确定及告警两部分。如图1所示，为本发明非成像型星载激光告警系统的光谱分析系统，光谱分析系统由动反射镜、衰减片、分光镜、第一光谱仪、第二光谱仪和电机组成，电机连接动反射镜，衰减片设置在动反射镜和分光镜之间，电机控制和转动动反射镜来调节目标激光的入射角，使目标激光穿过衰减片，经过分光镜分为两路激光，两路激光一路穿过透镜进入第一光谱仪，另一路穿过透镜进入第二光谱仪，第一光谱仪、第二光谱仪分析目标激光的光谱范围。
如图2所示，本发明非成像型星载激光告警系统的定位系统包括：前置光学系统、滤波及自增益控制模块、信号采集与处理模块和误差修正模块四部分组成。
前置光学系统由一个广角鱼眼透镜、一个衰光片和若干滤光片组成的转盘。鱼眼透镜的视场可以覆盖半个球面，基本能接收到所有来自地面的未知目标激光；由于反卫星激光武器均为强激光攻击，辐射强度大约从1～10W/cm2，因此其可探测性不会成为问题，而且还需要采取一定的能量衰减措施，衰减片主要是为了衰减接收到的较大的威胁激光能量，防止探测器件产生饱和现象；技术成熟威胁激光光谱就只有少量的几个波段，在探测器的前端安装滤光片可以减少背景光的干扰，装有可通过不同波段光的若干滤光片的转盘由微型步进电机控制，电机控制信号由图1所示威胁激光光谱分析系统给出，通过光谱信息来确定所需滤光片，并命令电机转到相应位置。
四象限探测器采用瑞士Dreen TEG公司生产的热电式象限探测器(gRAYB05-PC)，超高位置分辨率，优秀线性输出，探测的光谱范围可达到0.19μm-15μm，产品的尺寸大小为18mm×18mm，厚度为0.6mm，质量小于5g，最高功率为5W,探测灵敏度为10μW，最低灵敏度为70mV/W,符合系统体积小、质量轻、功率低、灵敏度高、探测光谱范围广的要求。
滤波及自增益控制模块是模拟放大电路，主要分为前置滤波放大和自增益主放大部分。前置滤波放大对探测器接收到的四路信号进行适量的放大和噪声抑制处理，提高信噪比。通常情况下待测目标激光的能量都较大，因此探测器前加衰光片进行能量的衰减，而由于威胁激光的能量是未知的，因此采用自动增益控制放大电路，以适用于不同光强度，扩展了入射光强范围。自增益的控制信号则由FPGA提供(如图2所示)，四路AD所采主放大器的四路信号值进入到FPGA中，通过判断信号值是否超过5V或者低于0.5V，来改变FPGA的I/O口高低电平，将高低电平反馈给滤波及自增益控制模块的主放大器，通过控制主放大器的射极电阻来控制主放大器放大的倍数。
信号采集与处理模块中信号的采集部分采用的是ADI公司生产的四路高速A/D(AD9226)数模转换器。AD9226是采用多级差分流水线架构，具有完整的12位，数据速率可达65MSPS。AD将四路放大过的模拟信号转换成数字信号给后续的FPGA。FPGA内部具有丰富的逻辑单元，采用高速COMS工艺设计，低成本、低功耗，是小量定型系统提高系统集成度及可靠度的最优选择之一。基于FPGA设计ASIC方面的突出优势，系统采用Altera公司生产的EP3C25F324C8芯片。
误差修正模块是通过系统数据修正，如式(1)，通过标定可以确定a、b值，在系统原始数据的基础上通过式(1)的变化，来消除系统本身误差和背景光对定位精度造成的影响，从而提高该系统的精度。
y＝ax+b (1)
请参阅图3，为四象限探测器光敏面，根据四象限探测器的原理与约定，未知目标激光经过鱼眼透镜形成圆形光斑，如图4所示，光斑中心位置(x0，y0)可用式(2)得到，其中k为比例系数，是一常数。
SA,SB,SC,SD分别表示激光光斑分别落在四象限探测器的象限A、象限B、象限C、象限D上的激光能量值。
请参阅图5，本发明在实际应用中，激光光斑光强并不是呈理想的圆形均匀分布，因此四象限探测器中各象限所接收到的光能量不能简单地用光斑面积代替。一般来说，普通激光器发射出激光脉冲在光敏面上的能量分布更接近高斯分布，如图5所示，光斑光强在其中心处最大，呈圆形向四周扩散，光强逐渐衰弱。为此，在传统加减算法的基础上，基于能量呈高斯分布的光斑等效模型，本文提出了一种基于高斯分布的光斑位置定位算法，原理如下：
四象限探测器输出光电流大小取决于探测器各象限所接收到光斑的光能量I，激光脉冲经光学系统汇聚后映射在四象限探测器光敏面上，假设质心坐标为(x0，y0)，此时探测器光敏面上(x，y)处的光强值I(x，y)在呈高斯分布的光斑模型中可表示为：
其中，I0/2πσ2为光斑质心处光强，σ为高斯分布的束腰半径，反映了光斑映射范围及衰减速度，可在标定时求出。在计算四象限探测器各象限高斯分布的光斑能量时，探测器光敏面边界限制了高斯函数积分范围，考虑到激光光斑绝大部分能量都处在光敏面中，因此对光敏面边界的积分可近似为对无穷域积分，误差可忽略不计，此时四象限探测器光敏面上光斑能量总和由式(3)得到：
结合式(3)和式(4)，四象限输出电压总和U总与光斑能量比例关系如式(5)所示：
U总＝UA+UB+UC+UD＝M·I总＝MI0 (5)
其中，M是比例常量。根据式(5)，四象限输出电压与光斑质心位置的求解公式如下：
根据四路信号的电压值，可以得到光斑质心的坐标(x0，y0)，最终得到待测目标激光的相对位置。
为了提高定位精度，除了在探测器光敏面上的光斑不再认为是传统的圆柱形光斑，而认为是如图5所示的成高斯分布的光斑外，还将存在于系统中的背景光干扰、四路放大电路的不对称性、机械装配误差等一系列误差，通过修正算法来减弱甚至消除干扰，提高定位的精确性。
y＝ax+b (1)
通过系统数据修正，如式(1)，通过标定可以确定a、b值，在系统原始数据的基础上通过式(1)的变化，来消除系统本身误差和背景光对定位精度造成的影响，从而提高该系统的精度。系统得到了待测目标激光的精确定位和光谱信息，将一部分定位信息和光谱信息输送给卫星的动力控制系统，卫星动力控制通过调整卫星的飞行轨道、姿态和速度来躲避目标激光对卫星传感器的干扰或摧毁；同时将另一部分定位信息和光谱信息传送给地面基站，地面基站会发送干扰或摧毁目标激光光源，系统从而实现告警的功能。
Claims (4)
1.一种非成像型星载激光告警系统，其特征在于，包括光谱分析系统和定位系统，该光谱分析系统由动反射镜、衰减片、分光镜、第一光谱仪、第二光谱仪和电机组成，电机连接动反射镜，衰减片设置在动反射镜和分光镜之间，电机控制和转动动反射镜来调节目标激光的入射角，使目标激光穿过衰减片，经过分光镜分为两路激光，两路激光一路穿过透镜进入第一光谱仪，另一路穿过透镜进入第二光谱仪，第一光谱仪、第二光谱仪分析目标激光的光谱范围；
所述的定位系统包括前置光学系统、滤波及自增益控制模块、信号采集与处理模块和误差修正模块，前置光学系统由广角鱼眼透镜、衰光片、四象限探测器和放置在转盘上的滤光片组成，目标激光通过衰光片进入滤光片滤掉背景光，然后进入广角鱼眼透镜聚焦后进入四象限探测器的靶面产生四路信号；所述滤波及自增益控制模块由前置滤波放大器和主放大器组成，信号采集与处理模块由四路AD和FPGA组成；四路信号进入前置滤波放大器提高信噪比后进入主放大器放大，并由四路AD采样，该采样信号值进入FPGA中，FPGA将四路信号值进行高斯光斑定位，由光斑质心得到相对的目标激光角度信息，该角度信息一部分作为光谱分析系统的电机角度转动信息，控制动反射镜的转动角度，另一部分作为告警信息传递给己方地面基站；
所述光谱分析系统得到的光谱信息输入FPGA控制前置光学系统的步进电机，该步进电机带动转盘控制滤光片的选择。
2.根据权利要求1所述的非成像型星载激光告警系统，其特征在于，滤波及自增益控制模块的自增益的控制信号则由FPGA提供，四路AD所采主放大器的四路信号值进入到FPGA中，通过判断信号值是否超过5V或者低于0.5V，来改变FPGA的I/O口高低电平，将高低电平反馈给滤波及自增益控制模块的主放大器，通过控制主放大器的射极电阻来控制主放大器放大的倍数。
3.根据权利要求1所述的非成像型星载激光告警系统，其特征在于误差修正模块对FPGA中的数据进行修正，通过标定确定a、b值，在系统原始数据的基础上通过式(1)的变化，来消除系统本身误差和背景光对定位精度造成的影响，从而提高该系统的精度，
y＝ax+b (1)。
4.根据权利要求1所述的非成像型星载激光告警系统的告警方法，其特征在于，首先，未知目标激光经过鱼眼透镜形成圆形光斑，光斑中心位置(x0，y0)通过公式(2)得到，其中k为比例系数，是一常数；
SA,SB,SC,SD分别表示激光光斑分别落在四象限探测器的象限A、象限B、象限C、象限D上的激光能量值；
其次，基于高斯分布的光斑位置进行定位，具体如下：
四象限探测器输出光电流大小取决于探测器各象限所接收到光斑的光能量I，激光脉冲经光学系统汇聚后映射在四象限探测器光敏面上，假设质心坐标为(x0，y0)，此时探测器光敏面上(x，y)处的光强值I(x，y)在呈高斯分布的光斑模型中表示为：
其中，I0/2πσ2为光斑质心处光强，σ为高斯分布的束腰半径，反映了光斑映射范围及衰减速度，可在标定时求出；
然后在计算四象限探测器各象限高斯分布的光斑能量时，探测器光敏面边界限制了高斯函数积分范围，考虑到激光光斑绝大部分能量都处在光敏面中，因此对光敏面边界的积分可近似为对无穷域积分，误差可忽略不计，此时四象限探测器光敏面上光斑能量总和由式(3)得到：
结合式(3)和式(4)，四象限输出电压总和U总与光斑能量比例关系如式(5)所示：
U总＝UA+UB+UC+UD＝M·I总＝MI0 (5)
其中，M是比例常量；根据式(5)，四象限输出电压与光斑质心位置的求解公式如下：
根据四路信号的电压值，得到光斑质心的坐标(x0，y0)，最终得到待测目标激光的相对位置，当系统得到了待测目标激光的精确定位和光谱信息，将一部分定位信息和光谱信息输送给卫星的动力控制系统，卫星动力控制通过调整卫星的飞行轨道、姿态和速度来躲避目标激光对卫星传感器的干扰或摧毁；同时将另一部分定位信息和光谱信息传送给地面基站，地面基站会发送干扰或摧毁目标激光光源，系统从而实现告警的功能。
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| CN102914261A (zh) * | 2012-09-29 | 2013-02-06 | 凯迈（洛阳）测控有限公司 | 非接触式热目标尺寸测量系统及方法 |
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| CN107462325A (zh) | 2017-12-12 |
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