CN108287344A - 基于猫眼逆向调制的探测与识别装置与方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置与方法，在不影响合作目标性能的前提下，解决目前激光探测目标系统结构复杂，识别难度大的问题。本发明利用猫眼效应的原路返回特性搜索并锁定目标，同时利用被探测目标所携带的猫眼逆向调制器对入射激光束进行信息调制并原路返回到主动探测识别系统的光学接收端，光学接收端根据接收到的回波信号对目标进行识别，完成对目标的探测和识别。

Description

基于猫眼逆向调制的探测与识别装置与方法

技术领域

本发明属于激光通信与探测技术领域，涉及动目标跟踪与识别，激光主动探测和激光通信，尤其涉及一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置与方法。

背景技术

在电磁静默的环境中可以通过激光探测的方式获取信息，而在常规的激光探测体制中只能探测目标的有无，如果要对目标进行识别，需要两套对等的激光发射机和应答机，当探测到对方后建立通信链路进行识别，这种常规的探测识别体制的设备体积大、重量大，同时建立链路所需时间长。

下述的文献涉及到了基于猫眼效应的激光探测和跟踪识别技术：

1、北京航空航天大学电子信息工程学院党二升的学术论文(2011)“激光探测“猫眼”效应目标识别算法”，论文提出了一种基于压缩感知理论的“猫眼”效应目标识别算法，应用随机采样矩阵将原始二维图像线性投影为一维测量向量，通过对一维测量向量的处理提取“猫眼”效应目标信息，进而通过压缩感知理论的恢复算法重建仅包含“猫眼”目标的图像，应用此算法提出了一种相应的激光主动成像探测系统。此算法有效的识别静态背景和复杂动态背景中的“猫眼”效应目标。

2、北京理工大学光电学院武东生的学术论文(2013)“猫眼效应回波的动态成像探测与目标识别”，该论文根据猫眼效应回波、背景及噪声的成像特点，分析了目标的探测方法，提出了激光照射与成像探测工作时序同步调制、视场同步控制的探测模式，在此基础上对目标的识别算法进行了研究，运用帧间差分法实现对背景干扰的滤除，提出区域灰阶平均法实现对噪声的有效抑制，通过自适应的目标判别与识别阈值完成对目标的识别，并构建了基于猫眼效应的成像探测系统，如图1。

3、空军预警学院杨华兵的学术论文(2015)“主动跟踪技术在“全球鹰”无人机激光干扰中的应用分析”，该论文研究了“猫眼”效应主动探测跟踪瞄准技术的可行性，该技术利用“猫眼”效应入射光束原路返回特性，当探测器接收到的激光回波信号功率处于峰值时认为激光发射端光轴对准目标，实现了对目标的跟踪和瞄准，大大简化了控制和瞄准系统，同时可以通过回波信号计算大气光程衰减和畸变提高跟踪和瞄准的精度。

文献1、2涉及猫眼效应的目标识别技术，文献1采用压缩感知理论的“猫眼”效应目标识别算法能够重建包含“猫眼”效应的目标图像，可以有效提高对复杂背景下的“猫眼”目标的识别，该系统是激光成像探测，系统过于复杂，只能获取目标的方位和图像信息，需要有大量的数据库和先验知识才能有效的识别，识别的难度较大。文献2通过研究帧间差分法实现对背景干扰的滤除及区域灰阶平均法实现对噪声的抑制，并构建了猫眼效应成像探测系统，如图1，该方法能够提高对目标的识别，但该方法同样需要大量的目标数据及先验特征，且识别难度较大。文献3涉及了猫眼效应主动跟踪技术，但是没有涉及对目标的识别技术。上述系统在目标探测识别过程中需要大量的目标特征库作为先验知识，而且很难判断目标的属性。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置与方法，在不影响合作目标性能的前提下，解决目前激光探测目标系统结构复杂，识别难度大的问题。

本发明通过以下技术方案实现：

一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，包括探测器和安装于合作目标上的猫眼逆向调制器，所述探测器发射询问控制激光信号到猫眼逆向调制器，利用猫眼效应的原路返回特性搜索并锁定目标，同时猫眼逆向调制器对询问控制激光信号进行信息调制并原路返回到探测器，探测器根据接收到的回波信号对目标进行识别，完成对目标的探测和识别。

进一步地，所述猫眼逆向调制器包括猫眼光学系统、反射式调制器、光电探测器、信号处理与控制器；所述的猫眼光学系统接收入射激光束，将入射激光束分别聚焦于反射式调制器和光电探测器上，光学探测器把接收到的光信号转换成电信号后传输到信息处理与控制器，信息处理与控制器对信号进行分析处理，根据分析处理后的结果将要发送的信息对应的加载到反射式调制器上，反射式调制器根据要发送的信息对反射光特性进行调制，并将调制光束按入射光束相反方向反射到主动探测识别系统的光学接收端，并聚焦于光电探测器进行光电转换。

进一步地，该装置包括中央数据处理与控制系统，所述中央数据处理与控制系统产生触发信号，用于控制激光器产生激光信号。

进一步地，所述中央数据处理与控制系统产生触发信号的同时产生扫描控制信号，通过伺服控制系统控制转台的方位角变化，从而进行扫描式搜索目标。

进一步地，在搜索目标的过程中，激光信号遇到携带有猫眼逆向调制器的目标时产生原路返回的回波信号，CCD接收到回波信号后产生目标图像信号给中央数据处理与控制系统。

进一步地，所述中央数据处理与控制系统通过所述目标图像信号得到目标的方位信息，通过伺服控制系统产生驱动信号来引导转台调整方位俯仰角，使目标始终处于视场角范围内。

进一步地，所述中央数据处理与控制系统根据通信协议产生询问控制信号，使激光器产生具有通信协议的询问光信号，如果目标不是合作目标，则当目标接收到询问光信号后没有应答信号产生，仅仅是入射询问光信号的原路返回；如果对方是合作目标，则当目标接收到询问光信号后由携带的猫眼逆向调制系统产生具有通信协议的应答信号，探测器接收到具有通信协议的应答信号后送给中央数据处理与控制系统，经过滤波解调后获取回波应答信号，最后判别目标的属性。

一种基于猫眼逆向调制的探测与识别方法，利用猫眼效应的原路返回特性搜索并锁定目标，同时利用被探测目标所携带的猫眼逆向调制器对入射激光束进行信息调制并原路返回到主动探测识别系统的光学接收端，光学接收端根据接收到的回波信号对目标进行识别，完成对目标的探测和识别。

本发明的有益效果：

1、本发明利用猫眼逆向调制技术对目标进行探测与识别，在对目标进行搜索过程中定位时间更快，由于猫眼效应使得跟踪瞄准精度更高，保证了激光探测与识别过程中激光发射与接收系统始终能够准确的对准目标。

2、在合作目标上安装猫眼逆向调制系统，能够使探测端和目标端采用通信协议的方式发送询问信号和应答信号，大大提高的目标探测与识别概率。

3、本发明抗电磁干扰能力强、工作距离远、可实现快速探测识别。

附图说明

图1现有技术中猫眼效应的动态成像系统框图；

图2本发明的基于猫眼逆向调制的探测与识别装置原理框图；

图中：1、激光触发信号，2、扫描激光，3、伺服扫描触发信号，4、伺服扫描控制信号，5、激光回波信号，6、CCD探测目标图像信号，7、目标方位角俯仰角信号，8、伺服跟踪瞄准信号，9、询问触发信号，10、询问光信号，11、目标返回的应答光信号，12、探测器接收应答信号。

图3为本发明基于猫眼逆向调制的探测与识别方法流程图。

具体方式实施

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

如图2所示，本实施例的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，包括中央数据处理与控制系统、伺服控制系统、激光发射与接收系统、猫眼逆向调制系统；其中：激光发射与接收系统包括激光器、探测器、转台、CCD；

该装置的工作原理如下：

首先由中央数据处理与控制系统产生触发信号1给激光器使其产生激光信号2，同时中央数据处理与控制系统产生扫描触发信号3给伺服控制系统使其发送信号2控制转台进行扫描，当激光信号2到达目标使其产生回波信号5，CCD接收到回波信号后产生信号6送给中央数据处理与控制系统，经过数据处理及分析后产生方位信号7给伺服控制系统，伺服控制系统产生控制信号8控制转台跟随目标运动，保证目标始终处于激光发射与接收系统的视场角内，中央数据处理与控制系统产生询问触发信号9给激光器使其产生询问激光信号10，目标接收到询问信号后通过猫眼逆向调制系统产生逆向调制激光应答信号11，探测器接收到回波信号后产生探测信号12给中央数据处理与控制系统，通过数据处理与分析判断目标的属性，完成对目标的探测与识别过程。

在具体实现时，本发明的基于猫眼逆向调制的探测与识别一体化装置主要由主动端和被动端两大部分组成。

本发明的主动端主要包括激光发射和接收系统、中央数据处理与控制系统、伺服控制系统。把激光器及发射光学系统、CCD和探测器及光学接收系统安装在由伺服控制系统控制的光学转台上，保证激光器发射光学系统和回波信号光学接收系统同轴，并使激光器发散角、回波信号光学接收系统视场角与方位引导获取的视场角匹配。

CCD采用的THORLABS公司1501M-GE型,140万像素黑白CCD相机，激光器为532nm连续光半导体激光器，最大功率为3W。发射光学系统是准直扩束镜，口径为20mm,发散角为0.5mrad，光电探测器采用的是THORLABS公司的FDS100光电二极管，通过30mm的卡塞格伦光学接收镜头，视场角是30°,将聚焦的光学信号进行光电转换，并CCD相机将获取的图像信息传输给计算机图像采集卡，探测器将转换的电信号传输到电脑的数据采集卡上。

中央数据处理与控制系统采用的是一台集数据采集、图像采集、数据处理于一体的并具有多种硬件接口的计算机，图像采集卡采集CCD相机获取的目标强光闪烁图像，并传输给处理器经过图像处理后确定出目标的精确空间坐标，并将该信息实时的发送给中央控制系统；中央控制系统根据目标空间坐标和激光发射接收系统坐标实时计算歘目标相对于激光发射与接收系统的方位信息，产生控制伺服运动的方位引导信息同时传输给伺服控制系统。跟踪瞄准完成后中央数据处理与控制系统产生触发信号，激光发射询问信号。当探测器接收到回波信号后把光信号转换成电信号传输给计算机中的数据采集卡，对获取后的信息进行处理。

本发明的被动端猫眼逆向调制器包括猫眼光学系统、反射式调制器、光电探测器、信号处理与控制器；所述的猫眼光学系统接收入射激光束，将入射激光束分别聚焦于反射式调制器和光电探测器上，光学探测器把接收到的光信号转换成电信号后传输到信息处理与控制器，信息处理与控制器对信号进行分析处理(如解析识别命令)，根据分析处理后的结果将要发送的信息(如身份识别码等)对应的加载到反射式调制器，反射式调制器根据要发送的信息对反射光特性(如幅度、频率等)进行调制，并将调制光束严格按入射光束相反方向反射到主动探测识别系统的光学接收端，并聚焦于光电探测器进行光电转换。

所述的猫眼光学系统有效口径为20mm，有效视场角为30°，接收入射激光束，通过分光镜将光束分别聚焦于反射式调制器和光电探测器上，探测器把接收到的光信号转换成电信号并通过采集卡获取后传输到信息处理器进行处理，根据分析处理后的结果将要发送的信息对应的加载到反射式调制器。反射式调制器采用的MEMS(微机电)，调制速率为500Hz。

所述的反射式调制器有铁电液晶和多量子阱调制器，其对波长有较强的选择性，本发明中的逆向调制器还可以使用摆镜、振镜，使得本系统具有跟好的扩展性。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例，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以内，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 (8)

1.一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，包括探测器和安装于合作目标上的猫眼逆向调制器，所述探测器发射询问控制激光信号到猫眼逆向调制器，利用猫眼效应的原路返回特性搜索并锁定目标，同时猫眼逆向调制器对询问控制激光信号进行信息调制并原路返回到探测器，探测器根据接收到的回波信号对目标进行识别，完成对目标的探测和识别。

2.如权利要求1所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，所述猫眼逆向调制器包括猫眼光学系统、反射式调制器、光电探测器及信号处理与控制器；所述的猫眼光学系统接收入射激光束，将入射激光束分别聚焦于反射式调制器和光电探测器上，光电探测器把接收到的光信号转换成电信号后传输到信息处理与控制器，信息处理与控制器对信号进行分析处理，根据分析处理后的结果将要发送的信息对应的加载到反射式调制器上，反射式调制器根据要发送的信息对反射光特性进行调制，并将调制光束按入射光束相反方向反射到光学接收端。

3.如权利要求1或2所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，该装置包括中央数据处理与控制系统，所述中央数据处理与控制系统产生触发信号，用于产生询问控制激光信号。

4.如权利要求3所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，所述探测器包括伺服控制系统，所述中央数据处理与控制系统产生触发信号的同时产生扫描控制信号，通过伺服控制系统控制转台的方位角变化，从而进行扫描式搜索目标。

5.如权利要求4所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，在搜索目标的过程中，激光信号遇到携带有猫眼逆向调制器的目标时产生原路返回的回波信号，CCD接收到回波信号后产生目标图像信号给中央数据处理与控制系统。

6.如权利要求5所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，所述中央数据处理与控制系统通过所述目标图像信号得到目标的方位信息，通过伺服控制系统产生驱动信号来引导转台调整方位俯仰角，使目标始终处于视场角范围内。

7.如权利要求6所述的一种基于猫眼逆向调制的探测与识别装置，其特征在于，所述中央数据处理与控制系统根据通信协议产生询问控制信号，使激光器产生具有通信协议的询问控制激光信号，如果目标不是合作目标，则当目标接收到询问控制激光信号后没有应答信号产生，仅仅是入射询问控制激光信号的原路返回；如果对方是合作目标，则当目标接收到询问控制激光信号后由携带的猫眼逆向调制系统产生具有通信协议的应答信号，探测器接收到具有通信协议的应答信号后送给中央数据处理与控制系统，经过滤波解调后获取回波应答信号，最后判别目标的属性。

8.一种基于猫眼逆向调制的探测与识别方法，其特征在于，探测器发射询问控制激光信号到猫眼逆向调制器，利用猫眼效应的原路返回特性搜索并锁定目标，同时猫眼逆向调制器对询问控制激光信号进行信息调制并原路返回到探测器，探测器根据接收到的回波信号对目标进行识别，完成对目标的探测和识别。