CN108415029A - 基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统及探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统及探测方法，包括激光光源、扩束镜、马赫‑泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；激光光源，发射用于探测的激光光束；扩束镜，对激光光源发射的光束进行扩束；马赫‑泽德干涉光发射装置，将扩束后的激光光束分成振幅相等的两束相干光并出射；探测器，经光学镜头接收目标反射回来的激光光束；信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀和终止时刻为t_f计算目标的运动速度。本发明目标运动速度探测系统采用马赫‑泽德干涉光发射装置，通过发射两束振幅相同的相干光束，实现对远距离目标运动速度的探测。

Description

基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统及探测方法

技术领域

本发明属于激光主动探测技术领域，具体涉及一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统及探测方法。

背景技术

基于猫眼效应的激光主动探测技术具有较高的探测回波强度，它如同雷达、遥感等侦查系统的“放大镜”，在侦查定位及目标识别技术中受到越来越多重视，并逐渐在反恐、维和、安保和现代技术战争中发挥着突出作用。这是由于它利用了被探测光学目标的“猫眼效应”原理。由于光电装备都是通过光学系统将目标的辐射、散射信号汇聚到光电传感器上，根据光路可逆性，从传感器反射的光束会按原光路传递回去。且由于目标镜头的准直作用，反射光如同从谐振腔发出的激光束一样，具有较小发散角，如图1所示。

目前的激光主动探测系统大都针对10km以内的地面光电装备或瞄准镜等，主要通过对背景大目标图像亮点的分析来发现威慑目标。而在现代化城市作战中，当城市环境中玻璃表面较多时，强反射背景下的光学目标反射信号很容易淹没在背景信号之中，仅仅依靠反射光的强度探测无法有效判断威慑光学目标的存在。而且记者相机等无害光学目标会对探测系统产生干扰和误判。这就要求激光主动探测系统进一步提高强杂光背景下的探测能力，同时达到对光学目标进行敌我识别以及目标类型、工作波段、窗口大小等光学参数的识别能力，以准确下达攻击指令，有效调节干扰攻击机制。

目前，对猫眼效应特性的研究主要针对反射光的空间分布特征，这些特征虽然含有大量目标信息，但探测距离较大时不易被测量。因此，要达到对光学目标进行有效发现和分类识别的目的，需解决的关键问题是将猫眼效应反射光的空间分布转化为可远距离测量的时间序列信号。

要将激光束通过光学目标反射后的空间光强分布转化为时间分布，需要向空间分布加入时间调制因素，这就需要考虑探测系统与光学目标之间的相对动作，包括目标运动、探测光束扫描等。其中，一种对光学目标有效识别的方法是将目标与探测系统的相对运动信息，加载到目标反射光中，并调制为有效时间信号。光干涉场就是一种空间调制，这种空间调制通过动态光学目标反射后会转化为时间信号，而且受到不同目标的时间转化影响不同，因此可以基于干涉来获取有效时间分布信号，用以进行目标识别。根据猫眼效应的原路逆向反射特点可以建立一种主动发射干涉激光束的新探测体制，通过扫描动作使目标处的空间干涉条纹转化为反射光的时间分布，进而获取光学目标运动速度。

发明内容

本发明的目的是为了克服激光主动探测中受到面阵CCD尺寸和分辨率的限制，解决探测器无法接收到远距离微弱信号的问题，从探测光发射系统角度考虑提升动态光学目标运动速度估测精度，提出一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统及探测方法。

本发明是通过下述技术方案实现的

一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，包括激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；其中

激光光源，发射用于探测的激光光束；

扩束镜，对激光光源发射的光束进行扩束；

马赫-泽德干涉光发射装置，将扩束后的激光光束分成振幅相等的两束相干光并出射；

探测器，经光学镜头接收目标反射回来的激光光束；

信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀和终止时刻为t_f计算目标的运动速度。

进一步地，本发明所述目标运动速度v_⊥为：

式中，n为目标运动通过干涉光斑的条纹数量，e为目标处干涉图样的条纹间距。

进一步地，本发明还包括电动旋转平台和光学隔振平台，所述激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器位于电动旋转平台上，所述电动旋转平台位于光学隔振平台上。

进一步地，本发明所述干涉图样条纹间距e为：

e＝D_p/p

D_p＝2Ltanθ

其中，L为探测距离，θ为激光发散角，p为干涉图样中的亮条纹数量，其通过在干涉光发射端利用线阵CCD对条纹数量计数获得。

进一步地，本发明还包括反射镜，所述反射镜位于扩束镜和马赫-泽德干涉光发射装置之间，用于改变扩束镜输出经过的光路。

一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测方法，具体过程为：

一、搭建目标运动速度探测系统，包括激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；

二、调节光学镜头使得接收光路与相干光发射光路同轴；

三、激光光源发射激光光束，依次经扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置，出射振幅相等的两束相干光；

四、计算目标处干涉图样的条纹间距e；

五、探测器经光学镜头接收目标反射回来的激光光束，信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀、终止时刻为t_f及条纹间距e计算目标的运动速度。

进一步地，本发明调节马赫-泽德干涉光发射装置中反射镜的偏转角，使干涉图样条纹沿横向分布，测得目标沿纵向的运动速度分量；调节马赫-泽德干涉光发射装置中反射镜的偏转角，使干涉图样条纹沿纵向分布，测得目标沿横向的运动速度分量。

有益效果

(1)本发明目标运动速度探测系统采用马赫-泽德干涉光发射装置，通过发射两束振幅相同的相干光束，实现对远距离目标运动速度的探测。

(2)建立干涉条纹场条纹分布方向、动态光学目标运动速度与反射光时间分布三者之间的关系，得到了动态光学目标速度计算公式，可以准确估测出光学目标的运动速度，相对误差小于10％。

(3)本发明利用光学镜头目标的猫眼效应，解决了反射光光斑面积过大不易探测的难题。

附图说明

图1为相干光扫描识别光学目标尺寸的原理；

图2为干涉条纹场坐标系选取示意图；

图3为相干高斯光束经过猫眼反射器的双程传输过程；

图4相干光发射-接收系统，(a)v_y＝1.75m/s，(b)v_y＝8.73m/s，(c)v_y＝29.67m/s；

图5为目标处的干涉光强分布，(a)5，(b)8，(c)24，(d)55；

图6不同运动速度时反射光时间序列信号。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施实例，对本发明作进一步地详细描述。

本发明一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，包括激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；其中激光光源，发射用于探测的激光光束；扩束镜，对激光光源发射的光束进行扩束；马赫-泽德干涉光发射装置，将扩束后的激光光束分成振幅相等的两束相干光并出射；探测器，经光学镜头接收目标反射回来的激光光束；信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀和终止时刻为t_f计算目标的运动速度。

本发明所述目标运动速度v_⊥为：

式中，n为目标运动通过干涉光斑的条纹数量，e为目标处干涉图样的条纹间距。

本发明所述干涉图样条纹间距e为：

e＝D_p/p

D_p＝2Ltanθ

其中，L为探测距离，θ为激光发散角，p为干涉图样中的亮条纹数量，其通过在干涉光发射端利用线阵CCD对条纹数量计数获得。

本发明还包括反射镜，所述反射镜位于扩束镜和马赫-泽德干涉光发射装置之间，用于改变扩束镜输出经过的光路。

本发明一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测方法，具体步骤为：

(1)构建发射-接收系统平台，即目标运动速度探测系统

发射-接收系统平台的设计方案和实物图分别如附图3和4所示。采用相干性较好的532nm单纵模激光器作为光源，发射激光经扩束镜扩束、反射镜改变光路方向进入马赫-泽德相干光发射装置，经过马赫-泽德干涉光路出射的相干光到达目标，再经过光学镜头目标原路反射到达探测器。整套发射-接收装置集成在一个支撑架尺寸为30cm×60cm的电动旋转平台上，电动旋转平台放置于小型光学隔振平台上，这样的设计使得整套实验装置灵活轻便，便于开展后续远距离外场实验。

相干探测激光在目标处的干涉条纹场的分布影响着原路返回点处目标反射光的时间分布特性，而某一点的干涉场分布是由该点的光程差决定的。马赫-泽德干涉光路具有搭建简便、容易实现且具有较大的光程差可调范围，特别适用于该发明系统的设计需求，因此，系统中的相干光发生装置采用马赫-泽德干涉仪，其原理如图2所示，图中M₀、M₃为分束比为1:1的分束镜，M₁、M₂为反射镜，四个镜子尺寸相同且都与水平成45^°放置，这里将反射镜M₂顺时针转动一个很小的角度α，高斯光束沿z轴方向入射到M₀，经过M₀分成振幅相等的两束光l₁和l₂，由于α的存在使得两束光的光轴不再平行，两光束之间形成了2α的夹角造成两束光在P点光程差的存在，使得两束光在远场发生干涉。装置中的反射镜起到改变光路的作用、分束镜起到获得振动频率和方向相同的相干光束的作用，通过调节α角度的微小偏转改变两束光之间的光程差，使相干光形成的干涉图样的条纹间距和条纹方向发生变化，进而实现对目标处干涉图样条纹间距和条纹分布的控制。

同时，选取大视场角的接收光学镜头，采用单元探测器接收回波信号，接收装置采用单元探测器，与成像相比提高了回波信号处理效率。

(3)为了获得光学镜头的猫眼效应的反射光，需要调节接收光学系统光路与相干光发射光路同轴。

(4)获取反射光时间序列

激光光源发射激光光束，依次经扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置，出射振幅相等的两束相干光；

(4)计算干涉图样条纹间距

目标处干涉图样的条纹间距e与条纹数量成反比，设干涉图样中的亮条纹数量为p(可以通过在干涉光发射端利用线阵CCD对条纹数量计数获得，如附图 4所示)，随着探测距离的增加，干涉光斑的尺寸虽然增大，但是条纹的分布方向和条纹数量没有变化。因此可以通过目标处干涉图样的光斑直径D_p和亮条纹数量p来计算条纹间距e，则有e＝D_p/p。目标处的光斑直径可以通过探测激光发散角和探测距离估算得到：假设激光发散角(半角)为θ，探测距离为L，则干涉图样的光斑直径D_p＝2Ltanθ。当激光发散角很小时，干涉图样的光斑直径 D_p可以采用其估算值为D_p≈2Lθ。通过调整马赫-泽德干涉仪中反射镜偏转角定量设置干涉图样的条纹间距e，图5为顺时针调节反射镜偏转角获得的不同条纹数的干涉图样，图示中标记数字为亮条纹数量。

(5)获取反射光时间序列

利用光学镜头，采用单元探测器接收回波信号，将信号输出到示波器进行实时观测，使用高速采集卡和计算机存储回波信号。

(6)计算光学目标运动速度

目标运动速度可以通过反射光时间序列在时间轴上的分布范围计算得到。假设反射光时间序列在时间轴上的起始时刻为t₀、终止时刻为t_f，则反射光光强信号在时间轴上的分布范围为t_f-t₀，则可以得到运动目标沿着垂直于干涉条纹方向的速度分量v_⊥的计算公式为

式中，n为目标运动通过干涉光斑的条纹数量。

实例：

通过控制马赫-泽德干涉光发射装置反射镜的偏转角，使得干涉图样的条纹方向沿x轴横向分布，利用公式(1)则可以获得动目标沿y轴的速度分量。图 6为设置不同的v_y时，获取的目标反射光时间序列。以图中v_y＝8.73m/s为例，进行三组重复试验，三组数据为：t_f＝-0.05，0.142，0.038；t₀＝-0.178，0.016，-0.087； L＝500m；θ＝0.001rad。将测试数据代入到公式(1)则可以得到v_y的三组估测值为9.1604，9.0905，9.6002，平均值为9.2834，平均值的相对误差δ＝(9.2834-8.73) /8.73＝6.38％。目标的运动速度沿x轴的分量可以通过设置偏转角，令条纹方向平行于y轴，再通过上述方法类似得到。

Claims (8)

1.一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，其特征在于，包括激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；其中

激光光源，发射用于探测的激光光束；

扩束镜，对激光光源发射的光束进行扩束；

马赫-泽德干涉光发射装置，将扩束后的激光光束分成振幅相等的两束相干光并出射；

探测器，经光学镜头接收目标反射回来的激光光束；

信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀和终止时刻为t_f计算目标的运动速度。

2.根据权利要求1所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，其特征在于，还包括电动旋转平台和光学隔振平台，所述激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器位于电动旋转平台上，所述电动旋转平台位于光学隔振平台上。

3.根据权利要求1所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，其特征在于，还包括反射镜，所述反射镜位于扩束镜和马赫-泽德干涉光发射装置之间，用于改变扩束镜输出经过的光路。

4.根据权利要求1所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，其特征在于，所述目标运动速度v_⊥为：

式中，n为目标运动通过干涉光斑的条纹数量，e为目标处干涉图样的条纹间距。

5.根据权利要求4所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测系统，其特征在于，所述干涉图样条纹间距e为：

e＝D_p/p

D_p＝2L tanθ

其中，L为探测距离，θ为激光发散角，p为干涉图样中的亮条纹数量，其通过在干涉光发射端利用线阵CCD对条纹数量计数获得。

6.一种基于激光主动干涉的目标运动速度探测方法，其特征在于，具体过程为：

一、搭建目标运动速度探测系统，包括激光光源、扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置、光学镜头、探测器及信号处理器；

二、调节光学镜头使得接收光路与相干光发射光路同轴；

三、激光光源发射激光光束，依次经扩束镜、马赫-泽德干涉光发射装置，出射振幅相等的两束相干光；

四、计算目标处干涉图样的条纹间距e；

五、探测器经光学镜头接收目标反射回来的激光光束，信号处理器，根据反射回来的激光光束时间序列在时间轴上的起始时刻t₀、终止时刻为t_f及条纹间距e计算目标的运动速度。

7.根据权利要求6所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测方法，其特征在于，所述目标运动速度v_⊥为：

式中，n为目标运动通过干涉光斑的条纹数量，e为目标处干涉图样的条纹间距；

所述干涉图样条纹间距e为：

e＝D_p/p

D_p＝2L tanθ

其中，L为探测距离，θ为激光发散角，p为干涉图样中的亮条纹数量，其通过在干涉光发射端利用线阵CCD对条纹数量计数获得。

8.根据权利要求7所述基于激光主动干涉的目标运动速度探测方法，其特征在于，调节马赫-泽德干涉光发射装置中反射镜的偏转角，使干涉图样条纹沿横向分布，测得目标沿纵向的运动速度分量；调节马赫-泽德干涉光发射装置中反射镜的偏转角，使干涉图样条纹沿纵向分布，测得目标沿横向的运动速度分量。