CN108037512A - 激光半主动关联成像跟踪探测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光半主动关联成像跟踪探测系统及方法，该系统包括：激光指示器，包括激光器、计算设备、空间光调制器驱动器、空间光调制器、投影镜头；激光半主动跟踪探测系统，包括位标器、信号处理器；位标器，包括物镜和四象限探测器，主要功能是带动物镜和四象限探测器实时指向目标，实现对目标的跟踪。本发明能够实现在不需要对激光半主动跟踪探测系统进行硬件改动只增加软件功能，同时对激光指示器增加空间光调制功能，即可使得激光半主动跟踪探测系统具备成像能力，从而提升现有非成像激光半主动跟踪探测系统的目标识别，跟踪能力。

Description

激光半主动关联成像跟踪探测系统及方法
技术领域
本发明涉及一种跟踪探测系统及方法，特别是涉及一种激光半主动关联成像跟踪探测系统及方法。
背景技术
20世纪60年代，伴随着激光器的发明与发展而产生了一种精确跟踪探测技术——激光半主动跟踪探测技术，激光半主动跟踪探测采用时间编码激光指示器对目标进行照射，激光半主动跟踪探测系统通过测量目标回波信号的角位置信息，实现对目标的跟踪，与红外成像跟踪探测体制相比，激光半主动跟踪探测对光信号的通频带宽极窄，具有更强的抗干扰性能，与激光主动跟踪探测相比，激光半主动跟踪探测实现了照明与探测的分离，成本更加低廉，最大的优势在于能够精确识别没有明显辐射特征的目标或经过伪装的目标，经过半个多世纪的发展，该激光半主动跟踪探测技术不但没有被历史淘汰，反而与其它新技术相结合，应用领域不断扩大，尤其近些年和无人机的结合，表现出了巨大的技术发展潜力与旺盛的生命力，目前，公知的传统激光半主动跟踪探测系统采用典型的四象限探测器，被探测目标由单束激光指示器照明，跟踪探测系统能够根据四个象限的和差信号测量回波激光光斑重心在探测器上的坐标，从而根据光学系统参数解算出目标的角位置信息实现对目标的跟踪，传统的激光半主动跟踪探测系统的四象限探测器不具备空间角分辨能力，只能探测目标角位置信息，无法成像，如果使其获得成像能力，典型思路是利用成像探测器替换四象限探测器即可实现对目标的成像，大规模的雪崩光电二极管成像阵列的采用将造成探测器件成本急剧增加，如果在没有明显增加探测系统硬件成本的前提下，增加照明系统的空间光调制功能，通过软件计算实现对目标的成像，无疑将增加对目标薄弱位置精确定位的能力，从而提升目标识别和跟踪效果，为此本发明提出一种可应用于激光半主动跟踪探测系统的关联成像跟踪探测方法。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种激光半主动关联成像跟踪探测系统及方法，其能够实现在不需要对激光半主动跟踪探测系统进行硬件改动只增加软件功能，同时对激光指示器增加空间光调制功能，即可使得激光半主动跟踪探测系统具备成像能力，从而提升现有非成像激光半主动跟踪探测系统的目标识别，跟踪能力。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，其包括：
激光指示器，包括激光器、计算设备、空间光调制器驱动器、空间光调制器、投影镜头，计算设备通过信号传输线与空间光调制器驱动器相连，将计算设备生成的第一编码图案序列数字信号传输给空间光调制器驱动器；空间光调制器驱动器通过信号传输线与空间光调制器相连，将第一编码图案序列数字信号转换为对空间光调制器的驱动信号；激光器发射的激光束照明空间光调制器，空间光调制器位于投影镜头的焦面处，空间光调制器按照驱动信号调制所入射的激光束生成结构光信号，再经投影镜头投射到目标上；
激光半主动跟踪探测系统，包括位标器、信号处理器，位标器与信号处理器通过信号传输线相连；
位标器，包括物镜和四象限探测器，四象限探测器在物镜的焦面处，主要功能是带动物镜和四象限探测器实时指向目标，实现对目标的跟踪；
信号处理器，主要功能是内置或计算编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像。
优选地，所述激光指示器发射远场光束，远场光束为结构光
优选地，所述结构光是一组数学方法构造的光图形，其实现是按照计算设备内置或计算得出的第一编码图案序列数字信号，经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器调制后，由投影镜头投影产生。
优选地，所述物镜将收集到的回波光信号投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法输出被探测目标的图像。
优选地，所述第一编码图案序列和第二编码图案序列在信号处理器进行图像重构算法时，需要保持一一映射或匹配关系，即在进行图像重构算法时，四象限探测器探测到的信号所对应的编码图案序列中的编码图案与此时预置或内存在处理机中的编码图案序列中对应的图案是相同的。
优选地，所述第一编码图案序列和第二编码图案序列的编码图案是连续编码或离散二值编码。
优选地，所述图像重构算法是各种恢复图像的计算方法。
优选地，所述激光指示器集成在飞行器、车辆及手持设备上。
本发明还提供一种激光半主动关联成像跟踪探测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，激光指示器始终指向目标，并进行结构光照明目标，计算设备通过内置或计算第一编码图案序列的数字信号，按照时间序列，依次将图案经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器进行调制；
步骤二，调制后在投影镜头焦面上生成光调制图案，将激光器发射的激光调制成给定图案并由投影镜头投影为远场光束，即结构光，结构光照明目标后，经目标反射为回波；
步骤三，回波经过物镜接收，并投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，四象限探测器能够测量出被探测目标的角位置信息，通过位标器使得物镜光轴始终指向被探测目标，四象限探测器的四个象限的强度和再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像。
优选地，所述所述回波携带了结构光和被探测目标的作用信息。
本发明的积极进步效果在于：本发明能够实现在不需要对激光半主动跟踪探测系统进行硬件改动只增加软件功能，同时对激光指示器增加空间光调制功能，即可使得激光半主动跟踪探测系统具备成像能力，从而提升现有非成像激光半主动跟踪探测系统的目标识别，跟踪能力。
附图说明
图1为本发明的激光半主动跟踪探测系统关联成像探测系统图。
图2为本发明的激光半主动跟踪探测系统关联成像探测方法图。
图3为本发明的四象限探测器强度和信号与编码图案序列映射示意图。
图4为本发明的静态条件下四象限探测器强度和信号与编码图案序列映射示意图。
图5为本发明的相对运动条件下四象限探测器强度和信号与编码图案序列映射示意图。
具体实施方式
下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明激光半主动关联成像跟踪探测系统包括：
激光指示器1，包括激光器4、计算设备5、空间光调制器驱动器7、空间光调制器8、投影镜头9，计算设备5通过信号传输线与空间光调制器驱动器7相连，将计算设备5生成的第一编码图案序列数字信号6传输给空间光调制器驱动器7；空间光调制器驱动器7通过信号传输线与空间光调制器8相连，将第一编码图案序列数字信号6转换为对空间光调制器8的驱动信号；激光器4发射的激光束照明空间光调制器8，空间光调制器8位于投影镜头9的焦面处，空间光调制器8按照驱动信号调制所入射的激光束生成结构光信号10，再经投影镜头投射到目标3上；
激光半主动跟踪探测系统2，包括位标器14、信号处理器15，位标器14与信号处理器15通过信号传输线相连；
位标器14，包括物镜12和四象限探测器13，四象限探测器13在物镜12的焦面处，主要功能是带动物镜12和四象限探测器13实时指向目标3，实现对目标3的跟踪；
信号处理器15，主要功能是内置或计算编码图案序列16通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像17。
所述激光指示器发射远场光束，远场光束为结构光10，这样方便后续使用。
所述结构光是一组数学方法构造的光图形，其实现是按照计算设备内置或计算得出的第一编码图案序列数字信号，经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器调制后，由投影镜头投影产生，产生方式简单。
所述物镜将收集到的回波光信号11投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法输出被探测目标的图像。
所述第一编码图案序列和第二编码图案序列在信号处理器进行图像重构算法时，需要保持一一映射或匹配关系，即在进行图像重构算法时，四象限探测器探测到的信号所对应的编码图案序列中的编码图案与此时预置或内存在处理机中的编码图案序列中对应的图案是相同的。
所述第一编码图案序列和第二编码图案序列的编码图案是连续编码或离散二值编码，例如：散斑编码，随机黑白编码等，选择范围广，这样方便使用。
所述图像重构算法是各种恢复图像的计算方法，例如：迭代算法、压缩感知算法、伪逆算法等，选择范围广，这样方便使用。
如图1至图5所示，本发明激光半主动关联成像跟踪探测方法包括以下步骤：
步骤一，激光指示器始终指向目标，并进行结构光照明目标，计算设备通过内置或计算第一编码图案序列6的数字信号，按照时间序列，依次将图案经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器进行调制；
步骤二，调制后在投影镜头焦面上生成光调制图案，将激光器发射的激光调制成给定图案并由投影镜头投影为远场光束，即结构光10，结构光照明目标后，经目标反射为回波；
步骤三，回波经过物镜接收，并投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，四象限探测器能够测量出被探测目标的角位置信息，通过位标器使得物镜光轴始终指向被探测目标，四象限探测器的四个象限的强度和再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像。由此可见即使是四象限探测器，通过结构光照明仍可实现对目标的成像。
所述回波携带了结构光和被探测目标的作用信息，方便使用。
激光指示器可以集成在飞行器、车辆及手持设备上，例如可以作为光电吊舱的一个模块挂载在无人机上，这样使用方便。激光指示器始终指向目标，并进行结构光照明目标，计算设备通过内置或计算编码图案序列数字信号，按照时间序列，依次将图案经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器调制后，在投影镜头焦面上生成光调制图案，将激光器发射的激光调制成给定图案并由投影镜头投影为远场光束，即结构光，结构光照明目标后，经目标反射为回波，回波就携带了结构光和被探测目标的作用信息，该回波经过物镜接收，将光能收集并投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，四象限探测器能够测量出被探测目标的角位置信息，通过位标器使得物镜光轴始终指向被探测目标，四象限探测器的四个象限的强度和再由信号处理器根据内置或计算编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像，由此可见，即使是四象限探测器，通过结构光照明仍可实现对目标的成像，请参阅图1并结合图2，为了使得四象限探测器探测到的信号与结构光的图案一一映射，将第一编码图案序列进行分帧，假设有M幅编码图案，可以分为F帧，每帧N＝M/F幅编码图案，在帧头发送一个特殊编码图案作为起始帧，这里假设占用两个Δt，然后固定时间间隔每隔Δt发送一个花样，每个花样在时域是一个脉冲，共需发送N幅花样，耗时NΔt，因此该帧共耗时(N+2)Δt，然后发送下一帧编码，四象限探测器探测到特殊帧后触发信号处理器记录脉冲强度信号，并统计脉冲个数，每个图案对应一个脉冲，直到该帧结束，共收进N个脉冲，探测器对每个脉冲的强度Ik(t)(例如第k个脉冲)在脉宽内进行积分即可获得该脉冲的能量Ek，由此保证了，编码图案和探测信号的一一映射关系，下面具体分三种情况论述：请参阅图2并结合图1，当激光指示器和激光半主动跟踪探测系统相对静止，且激光指示器发射的信号直接被激光半主动跟踪探测系统接收时，设某一时刻t，四象限探测器探测到的第k个图案Pk的信号Ik(t)就是结构光的强度信号即Ik(t)＝∫∫Pk(t,x,y)dxdy，该图案对应的脉冲能量是Ek＝∫∫∫Pk(t,x,y)dxdydt，特殊的触发花样可以定义为全1和全0图即白黑图，探测器会接收到一个明显的强脉冲信号Imax，对于其他编码要求发射脉冲强度为全白图的Imax/2，由于是系统处于静态，激光指示器和激光半主动跟踪探测系统2之间没有相对运动，四象限探测器接收到的脉冲时间间隔也应当恒定。请参阅图3并结合图1～2，当激光指示器、激光半主动跟踪探测系统和目标相对静止时，当结构光与目标作用后，所探测到的各个脉冲的峰值强度出现了起伏且脉冲会出现展宽，该起伏是经过结构光与被探测对像相互作用的结果，但是各脉冲间隔不变，与目标作用后的Ik和Ek分别为：Ik(t)＝∫∫Pk(t,x,y)O(x,y)dxdy和Ek＝∫∫∫Pk(t,x,y)O(x,y)dxdydt。请参阅图4并结合图1～3，当激光指示器、激光半主动跟踪探测系统和目标存在相对运动时，所探测到的脉冲间隔发生了变化，但是脉冲数量不会变化，例如，当光程减小时，脉冲间隔会相应的减小，导致四象限探测器接收时间减少了t-，但是脉冲个数和积分能量不会发生变化，因此四象限探测器探测到的信号仍含有目标的全部信息。第一编码图案序列和第二编码图案序列的编码图案可以是连续编码、也可以是离散二值编码，例如，散斑编码、黑白编码等。
综上所述，本发明能够实现在不需要对激光半主动跟踪探测系统进行硬件改动只增加软件功能，同时对激光指示器增加空间光调制功能，即可使得激光半主动跟踪探测系统具备成像能力，从而提升现有非成像激光半主动跟踪探测系统的目标识别，跟踪能力。
以上所述具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，其包括：
激光指示器，包括激光器、计算设备、空间光调制器驱动器、空间光调制器、投影镜头，计算设备通过信号传输线与空间光调制器驱动器相连，将计算设备生成的第一编码图案序列数字信号传输给空间光调制器驱动器；空间光调制器驱动器通过信号传输线与空间光调制器相连，将第一编码图案序列数字信号转换为对空间光调制器的驱动信号；激光器发射的激光束照明空间光调制器，空间光调制器位于投影镜头的焦面处，空间光调制器按照驱动信号调制所入射的激光束生成结构光信号，再经投影镜头投射到目标上；
激光半主动跟踪探测系统，包括位标器、信号处理器，位标器与信号处理器通过信号传输线相连；
位标器，包括物镜和四象限探测器，四象限探测器在物镜的焦面处，主要功能是带动物镜和四象限探测器实时指向目标，实现对目标的跟踪；
信号处理器，主要功能是内置或计算编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像。
2.如权利要求1所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述激光指示器发射远场光束，远场光束为结构光。
3.如权利要求2所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述结构光是一组数学方法构造的光图形，其实现是按照计算设备内置或计算得出的第一编码图案序列数字信号，经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器调制后，由投影镜头投影产生。
4.如权利要求3所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述物镜将收集到的回波光信号投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法输出被探测目标的图像。
5.如权利要求4所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述第一编码图案序列和第二编码图案序列在信号处理器进行图像重构算法时，需要保持一一映射或匹配关系，即在进行图像重构算法时，四象限探测器探测到的信号所对应的编码图案序列中的编码图案与此时预置或内存在处理机中的编码图案序列中对应的图案是相同的。
6.如权利要求5所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述第一编码图案序列和第二编码图案序列的编码图案是连续编码或离散二值编码。
7.如权利要求6所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述图像重构算法是各种恢复图像的计算方法。
8.如权利要求1所述激光半主动关联成像跟踪探测系统，其特征在于，所述激光指示器集成在飞行器、车辆及手持设备上。
9.一种激光半主动关联成像跟踪探测方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤一，激光指示器始终指向目标，并进行结构光照明目标，计算设备通过内置或计算第一编码图案序列的数字信号，按照时间序列，依次将图案经空间光调制器驱动器驱动空间光调制器进行调制；
步骤二，调制后在投影镜头焦面上生成光调制图案，将激光器发射的激光调制成给定图案并由投影镜头投影为远场光束，即结构光，结构光照明目标后，经目标反射为回波；
步骤三，回波经过物镜接收，并投射到四象限探测器，四象限探测器将探测到的光信号转成电信号，四象限探测器能够测量出被探测目标的角位置信息，通过位标器使得物镜光轴始终指向被探测目标，四象限探测器的四个象限的强度和再由信号处理器根据内置或计算第二编码图案序列通过图像重构算法计算后输出被探测目标的图像。
10.如权利9所述激光半主动关联成像跟踪探测方法，其特征在于：所述所述回波携带了结构光和被探测目标的作用信息。
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