CN108072913B - 运动目标的差分式光电探测方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置，该方法应用光学对称的两个或者两个以上的探测视场形成差分结构，通过探测所述两个或者两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻。本发明装置通过对称的探测视场设计与差分式探测电路配合，可以有效减弱甚至消除背景光波动和环境光干扰导致的可靠性问题，从根本上解决原有设计中灵敏度与探测精度之间的矛盾问题，有利于提高探测器的信噪比，从而可以在保证高度可靠的基础上实现更高的探测灵敏度。另外，本发明的输出信号时域特征更加明确，可以显著简化信号分析的算法，有利于通过硬件方式实现高精度的快速分析与处理。

Description

运动目标的差分式光电探测方法及其装置

技术领域

本发明属于光电测试领域，具体涉及一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置。

背景技术

在测试与控制工程领域中，很多情况下需要利用光电探测器探测运动目标到达预定空间位置的时刻。比如：生产线上的产品何时经过预定位置；升降梯门需要测试进出的人员何时最后离开危险区域；冲床的安全机构需要知道操作人员是否离开了危险区域,或者何时离开了危险区域；兵器测试中需要知道炮弹或者导弹何时离开发射装置，何时经过预定弹道上的某一位置等等。所有的这些光电探测器又被称为安全光幕、区截装置、天幕靶、光幕靶等。

其中，天幕靶就是一种兵器和工业靶场常见的光电探测仪器，经常被用来作为区截装置进行目标飞行速度的测试、弹箭发射或者着靶时刻的测量。天幕靶由光学组件、光电传感器、信号处理电路及支撑结构部件等组成。野外使用时，天幕靶常常以明亮天空为背景，其探测视场是具有一定厚度的扇形，目标穿越视场引起的光通量变化被转化成数字脉冲输出，用脉冲的边沿表示运动目标穿越视场扇面的时刻。

然而，基于目前技术所制造的天幕靶存在以下缺陷:1、由于光幕具有一定的厚度，弹丸有一定的长度，当被测目标穿过光幕时，从目标头部进入光幕到尾部飞离光幕，在产生的脉冲上会持续一段时间，该时间的长度取决于光幕的厚度，目标速度和目标的特征长度，短的会持续几微妙，长的有几百微秒甚至几百毫秒。从信号分析的角度出发，在输出信号脉冲上如何提取目标到达预定幕面的特征时刻点一直是一个难题。再者，由于被测试目标距离探测器的远近不一样，加上探测器光学对焦误差，以及光学系统的景深变化影响，被测目标成像的清晰范围也就存在差异，使得对应产生的电信号脉冲特征时刻的判定更加困难。3、灵敏度和精度矛盾：为了提高时刻的判定精度，原理上，减小狭缝宽度，使光幕更薄，产生的脉冲宽度更窄是可行的；但缝宽减少，探测灵敏度会显著降低。因此从改变光幕厚度出发提高时刻判定精度是不可行的。4、 环境光的干扰：现有技术的设备对于环境光的变化具有高度的敏感性，发射装置产生的火光、急剧的天空亮度变化、被测试目标曳光等极易导致仪器工作故障乃至失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置，解决现有技术中光电探测器对运动目标的特征时刻识别立差、精度不高，环境适应力差等缺点。

本发明采用的技术方案是 ：

一种运动目标的差分式光电探测方法，应用光学对称的两个或者两个以上的探测视场形成差分结构，通过探测所述两个或者两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻。

进一步的，利用对称的双光幕结构，当被测运动目标先后通过两个光幕时，采用差分模式探测对称的两个幕面上光通量的变化，输出两个相位相反脉冲信号，这两个脉冲信号的过零点就是被测运动目标穿过探测视场的特征时刻。

一种差分式光电探测装置，包括探测器镜头，光阑狭缝，在光阑狭缝下沿所述探测器镜头的光轴对称布置两排或者两排以上完全一致的阵列光通量变化敏感器件。

进一步的，在每两排阵列光通量变化敏感器件之间设置有隔离盲区。

进一步的，所述的阵列光通量变化敏感器件为光电二极管差分阵列。

进一步的，所述的阵列光通量变化敏感器件为可以传输光的光纤阵列，光纤阵列两端连接两个独立的光电二极管。

本发明具备以下优点：

1.本发明应用光学对称的两个或者更多个探测视场形成差分探测结构，通过探测对称光幕光通量的相对变化感知运动目标达到预定空间位置的精确时刻。与现有装置相比，本发明具有特征时刻更易识别、精度高、信噪比更高、环境适应性更好等特点;

2.只要光学上相互对称的探测光幕厚度一致，本发明的光幕厚度大小不会影响被测目标穿过光幕特征时刻的判定精度。因此，工程设计中可以适当增加光幕厚度来提高探测灵敏度，解决了精度和灵敏度的矛盾问题。

3.工作中，由于差分对称光幕的背景通常是相同的，本发明可降低背景光波动导致的附加噪声，有利于其灵敏度的增加。

4.本发明对于炮口火光、弹底曳光具有较显著的抑制作用，有利于提高探测器的可靠性。

附图说明

图1是现有技术中常规光电探测装置的工作原理图；

图2是现有技术中常规光电探测装置目标穿过光幕时的电脉冲信号图，其中，图2（a），图2（b），图2（c）分别是规则目标的正常信号输出、规则目标的过强（饱和）信号输出以及异形目标的信号输出。

图3本发明一种双排差分式光电探测装置的工作原理图；

图4是本发明一种双排差分式光电探测装置的阵列光通量变化敏感器件示意图，其中，图4（a）是无隔离盲区的阵列光通量变化敏感器件结构示意图，图4（b）是有隔离盲区的阵列光通量变化敏感器件示意图；

图5是本发明一种双排差分式光电探测装置的工作电路原理图；

图6是本发明一种双排差分式光电探测装置目标穿过双光幕时的几种典型的电脉冲信号图；

图7是本发明实施例1中接独立光电二极管的差分型光纤导光式阵列接收装置的结构原理图；

图8是本发明实施例2中带隔离盲区的差分型光纤导光式阵列接收装置的结构原理图；

图9是本发明实施例3中差分型光电二极管阵列式光通量变化敏感器件接收装置的结构原理图；

图10是本发明实施例4中带隔离盲区的光电二极管阵列式差分型光通量变化敏感器件接收装置的结构原理图。

图11是本发明实施例5使用三排光电二极管阵列式接收装置或四排光纤阵列接收装置的输出脉冲信号图。

图12是本发明实施例6使用四排光电二极管阵列式接收装置或四排光纤接收装置的输出脉冲信号图。

图中，1-探测器镜头，2-光阑狭缝，3-阵列光通量变化敏感器件。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

在现有技术中，非差分光电探测器的探测视场采用单光幕形式，其原理图参见图1；狭缝光阑片被安装在探测器镜头1的像平面处，与探测器镜头1一起形成了探测视场，俗称光幕。图1是沿狭缝光阑片宽度方向的光幕形状示意图。狭缝光阑2后方紧贴着阵列光通量变化敏感器件3，可用一排光电二极管，也可用一排光纤排布来探测光通量的变化，只是由于光纤排布只能传递光通量的变化，所以光纤排布两端需接独立的光电二极管，以此将光线汇聚到光电管的敏感面，进而探测光线的变化信号。为了保证光阑的光全部进入光电二极管的敏感面，矩形光阑的面积应小于光电二极管的接收面积。

工作时，上述探测器以明亮的天空为或者亮度稳定的光源作为背景；当有目标穿过光幕时，只要引起的光通量变化强度足够，探测器将感受该变化并将其转化为数字脉冲，用脉冲的前沿或者后沿作为目标穿越光幕的特征时刻。

由于探测器成像系统的特点，探测器的有效视场是一个在一个方向很薄的楔形幕，相当于一个虚设的靶面，因此，此类仪器又被称为天幕靶、光幕靶。

由于被探测的目标大小各异，目标距离探测器的远近不同，工作背景明暗变化等都会导致目标穿越光幕时引起的光通量变化强度不一，从而，使得探测器输出的电脉冲信号形状有明显的差异。在忽略其他干扰的情况下，图2三个图分别表现规则目标的正常信号输出、规则目标的过强（饱和）信号输出以及异形目标的信号输出。从图中不难看出，由于多种因素的影响，探测器信号输出波形变化比较明显，时域分析时，很难判定目标穿过光幕的特征时刻。

本发明公开一种差分式光电探测方法，该方法应用光学对称的两个或者两个以上的探测视场形成差分结构，即差分型探测双幕，通过探测所述两个或者两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻。

参见图3，本发明装置包括探测器镜头1，光阑狭缝2，在光阑狭缝2下沿所述探测器镜头1的光轴对称布置两排或者两排以上完全一致的阵列光通量变化敏感器件3。

图3以对称的双光幕结构为例，当被测运动目标先后通过两个光幕时，采用差分模式探测对称的两个幕面上光通量的变化，输出两个相位相反脉冲信号，这两个脉冲信号的过零点就是被测运动目标穿过探测视场的特征时刻，电路原理图如图5所示。

图4为本发明用两排差分式光电二极管或光纤制作双光幕结构的简单结构图，当目标通过两个光幕时，这时通过S1、S2的光通量变化，这个信号经跨阻放大器将微弱信号放大。电路将输出两个相位相反的脉冲信号，信号中间的过零点即可视为目标穿过光幕的特征时刻，S0为隔离盲区，加一定厚度的隔离盲区可在探测器镜头1的有效景深之外提高提高探测器的差分接收能力，为了保证及时、准确的接收到光通量的变化，光阑的宽度应小于S1+S2，如果有隔离盲区，应小于S1+S2+S0。具体输出脉冲图见图6。

图6为移动目标穿过双光幕时的几种典型的电脉冲信号图，从图中可以看出，本发明差分型光电探测器输出波形具有明显的时域特征，应用过零检测技术可以高效、稳定、精确的获取目标穿过光幕的特征时刻。

此外，从输出的信号波形上来看，只要形成差分对称光幕厚度一致，安装对称于探测器成像透镜的主光轴，光幕厚度不影响幕面中心的位置及判定，在设计时，光幕厚度还可以适当增加。提高灵敏度，解决了精度和灵敏度的矛盾问题。再者，由于光学对称的原因，工作时，只要两个幕面的背景大致相同，本发明可大幅降低背景噪声的影响，有利于探测器灵敏度的提高。

改进后的双光幕设计相对于之前的设计已经提高了精度，工程上的一般要求已经可以达到了，如果还想在此基础上提高精度，还可以设计成多光幕结构，

如三光幕，或四光幕的，因为多光幕结构只是相对于图4加了重复相同的光幕，其他结构不变，三光幕增加一排。四光幕增加两排，如三光幕，中间的一排为普通的光电二极管或光纤，两边的互为差分接收模式，这样产生的输出脉冲为一个小脉冲和带有零点的差分的输出的叠加，重合的点即为精确时刻。如图11又如四光幕结构，中间两排光电二极管或光纤设计为差分结构，两边的互为差分结构，这样输出即为两个形状相同，大小不同的，零点位置叠加的差分输出信号，如图12。

以下通过几个具体实施方式对本发明光幕差分式光电探测装置进行进一步的说明：

实施例1：

本实施例中的差分式光电探测装置包括探测器镜头，狭缝光阑，沿所述探测器镜头的光轴对称布置两排完全一致的光通量变化接收装置。

该光通量变化接收装置为无隔离盲区的接独立二极管的差分型光纤导光式阵列，参见图7，在工程试验中，当有目标飞过双光幕时，光幕某一点被遮住，这时通过两排光纤的光通量变化，而光纤用来导光到二极管，这时两端独立的光电二极管接收到光通量变化信号，这个信号经跨阻放大器将微弱信号放大。电路将输出两个相位相反的脉冲信号，信号中间的过零点即可视为目标穿过光幕的特征时刻。

实施例2：

与实施例1不同的是，本实施例在两排差分型光纤导光式阵列加上隔离盲区，其他不变，参见图8，当目标通过双光幕，光幕如有部分重合，差分信号作用可能会不明显，加一定厚度的隔离盲区可在镜头的有效景深之外提高探测器的差分接收能力。

实施例3：

与实施例1不同的是，本实施例的光通量变化敏感器件采用无隔离盲区的两排光电二极管阵列式差分型接收装置，参见图9

当目标通过两个光幕时，通过光电二极管的光被挡住，对比光纤导光到二极管，这两排差分型二极管可以直接把接收到的光通量变化信号经跨阻放大器将微弱信号放大。电路将输出两个相位相反的脉冲信号，信号中间的过零点即可视为目标穿过光幕的特征时刻。对比实施例1只使用两个独立的光电二极管，实施例3使用的两排光电二极管在可控范围内噪声相对实施例1大一点，但光纤的引用，在光传播的路径上多了一个环节，引起了光能量的损失，会降低天幕靶的探测灵敏度。光电二极管不会引起光能量的损失。

实施例4：

与实施例3不同的是，本实施例的光通量变化敏感器件采用有隔离盲区的两排光电二极管阵列式接收装置，参见图10，作用和采用有隔离盲区的两排光纤导光式差分型接收装置一样，当光幕有重合，目标通过光幕，差分信号作用不明显时，加一定厚度的隔离盲区可在镜头的有效景深之外提高探测器的差分接收能力。

实施例5：

与实施例1不同的是，本实施例的光通量变化敏感器件采用三排光电二极管阵列式接收装置或两排光纤接收装置，两边的互为差分接收模式，这样产生的输出脉冲为一个小脉冲和带有零点的差分的输出的叠加，重合的点即为精确时刻，参见图11。

实施例6：

与实施例1不同的是，本实施例的光通量变化敏感器件采用四排光电二极管阵列式接收装置或四排光纤接收装置，中间两排光电二极管或光纤设计为差分结构，两边的互为差分结构，这样输出即为两个形状相同，大小不同的，零点位置叠加的差分输出信号。重合的零点即为精确时刻，参见图12。

以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。

Claims (1)

1.一种运动目标的差分式光电探测方法，其特征在于，应用光学对称的两个以上的探测视场形成差分结构，通过探测两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻；

利用对称的双光幕结构，当被测运动目标先后通过两个光幕时，采用差分模式探测对称的两个幕面上光通量的变化，输出两个相位相反脉冲信号，这两个脉冲信号的过零点就是被测运动目标穿过探测视场的特征时刻；

该方法所用装置，包括探测器镜头，光阑狭缝，在光阑狭缝下沿所述探测器镜头的光轴对称布置两排以上完全一致的阵列光通量变化敏感器件，在每两排阵列光通量变化敏感器件之间设置有隔离盲区；

所述的阵列光通量变化敏感器件为光电二极管差分阵列或者可以传输光的光纤阵列，光纤阵列两端连接两个独立的光电二极管。