CN109116435A - 一种飞行目标的光网测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞行目标的光网测量装置及测量方法，其中测量装置包括用于形成正交网格光的光网阵列产生模块，及分别用于接收正交网格光中水平光网与竖直光网光信号的光电转换接收阵列；测量方法基于飞行目标的光网测量装置实现，测量方法包括，根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸。本发明在测量过程中，飞行目标对光线只会遮档而不会损坏，且光网也不会对飞行目标造成影响，因此在天基平台等场所使用的重复性好。

Description

一种飞行目标的光网测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及飞行目标的测量技术领域，尤其涉及一种飞行目标的光网测量装置及测量方法。

背景技术

目前，测量飞行目标位置尺寸的常用方法包括光学成像法及雷达探测法等，但对于飞行速度达到数公里每秒并且其外形达到厘米级甚至毫米级的小尺寸飞行目标，上述常用方法的测量结果并不能令人满意。例如，对于超高速飞行目标，如果利用光学成像方法测量其位置尺寸，需要配套超高帧频的高速相机，否则成像将产生运动模糊；尤其对于厘米级及毫米级的小目标，还同时要求高速相机具有高图像分辨率。这种情况下，光学成像测量方法将产生海量测量数据，需要后期进行复杂的处理。若利用雷达探测法对同样超高速及小尺寸飞行目标进行测量，同样存在测量数据量庞大，测量精度低的问题；尤其是小尺寸目标，对测量精度的影响更大。因此，现有对飞行目标的常用测量方法使用场所受限，例如不适用于天基平台的目标测量。

当前，为了满足天基平台等场所的目标位置及尺寸测量需求，提出了一种基于光纤网格的目标撞击点位置和尺寸的测量方法，还有一种基于金属丝网格的低功耗碰撞点信息测量装置，这两种方法的共同点是，每进行一次目标的测量都将破坏一部分网格，它不仅导致网格的测量功能完全失效，同时对飞行目标也造成一定的破坏。

因此，针对以上不足，需要提供一种能够重复使用的测量技术，使其尤其适用于天基平台等，能够测量超高速小尺寸飞行目标的位置和尺寸，如适用于航天器在轨探测来袭空间碎片尺寸、撞击位置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中基于天基平台场所的飞行目标测量方法对测量装置存在破坏性，同时也造成飞行目标损坏的缺陷，提供一种飞行目标的光网测量装置及测量方法。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种飞行目标的光网测量装置，包括：

用于形成正交网格光的光网阵列产生模块，及分别用于接收正交网格光中水平光网与竖直光网光信号的光电转换接收阵列。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，所述光网阵列产生模块包括水平光源、竖直光源、水平会聚透镜单元、竖直会聚透镜单元、水平光网通孔结构和竖直光网通孔结构，所述光电转换接收阵列包括水平光网光电转换接收阵列和竖直光网光电转换接收阵列，

水平光源通过水平会聚透镜单元会聚为平行光，再通过水平光网通孔结构拆分为所述水平光网；水平光网光电转换接收阵列用于接收水平光网信号并转换为电信号；

竖直光源通过竖直会聚透镜单元会聚为平行光，再通过竖直光网通孔结构拆分为所述竖直光网；竖直光网光电转换接收阵列用于接收竖直光网信号并转换为电信号；

水平光网与竖直光网正交形成正交网格光。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，还包括信号处理单元，用于识别水平光网光电转换接收阵列和竖直光网光电转换接收阵列输出的电信号，并根据电信号的变化获得飞行目标的位置及尺寸。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，所述水平光网包括所有光束均匀分布的水平光网。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，所述竖直光网包括所有光束均匀分布的竖直光网。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，所述水平光网和竖直光网的光束间距相同。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量装置中，所述光束间距的范围被配置为目标尺寸的0.5-0.9倍。

本发明还提供了一种飞行目标的光网测量方法，基于上述任一项飞行目标的光网测量装置实现，所述光网测量方法包括，根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量方法中，所述根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸的方法包括：

利用水平光网光电转换接收阵列获得的水平光网信号的改变识别出水平方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；利用竖直光网光电转换接收阵列获得的竖直光网信号的改变识别出竖直方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；

根据由正交网格光水平方向和竖直方向上分别识别获得的飞行目标数据，确定飞行目标的方位和尺寸。

在根据本发明所述的飞行目标的光网测量方法中，所述光网信号的改变至少基于发生变化的光网网格编号及数量确定。

实施本发明的飞行目标的光网测量装置及测量方法，具有以下有益效果：本发明利用纵横相交的光线阵列形成光网，由于飞行目标在光网中经过的时候，会对部分光线造成遮档，因此监测光网信号的状态变化能够确定飞行目标经过时占据的光网体积，从而根据接收到的光网光信号变化，实现对飞行目标位置及大小的测量。

本发明通过光这种无形的存在来构建飞行目标的测量网，由于飞行目标对光线只会遮档而不会损坏，且光网也不会对飞行目标造成影响，因此本发明在天基平台等场所使用的重复性好，并且适当的设置光网间距，可以满足不同目标的测量精度需求。

附图说明

图1为根据本发明的飞行目标的光网测量装置的示例性框图；

图2为根据本发明的飞行目标的光网测量装置的另一示例性框图；

图3为根据本发明的飞行目标的光网测量装置的原理示意图；

图4为根据本发明的飞行目标的光网测量方法的测量原理示意图；

图5为根据本发明的飞行目标的光网测量方法的目标位置测量误差示意图；

图6为根据本发明的飞行目标的光网测量方法的目标尺寸测量误差示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

具体实施方式一、本发明的第一方面，提供了一种飞行目标的光网测量装置，包括用于形成正交网格光的光网阵列产生模块，及分别用于接收正交网格光中水平光网与竖直光网光信号的光电转换接收阵列。

本发明针对现有飞行目标测量的方法中，存在测量设备与飞行目标相互作用进而造成相互损坏的问题而设计。它以光被物体遮档后信号会发生改变但并不造成实质的损坏为设计基础，再通过光电转换接收阵列接收到的光信号确定光网状态的改变，可重复用于飞行目标的测量。

事实上，光网可以是正交形式的，也可以是非正交形式的，但由于非正交形式的网格光在测量的过程中要损失一定的有效测量区域面积，因此本实施方式中优选正交网格光。

作为示例，结合图1所示，所述的飞行目标的光网测量装置中所述光网阵列产生模块可以包括：水平光源1、竖直光源2、水平会聚透镜单元3、竖直会聚透镜单元4、水平光网通孔结构5和竖直光网通孔结构6，所述光电转换接收阵列包括水平光网光电转换接收阵列7和竖直光网光电转换接收阵列8，

水平光源1通过水平会聚透镜单元3会聚为平行光，再通过水平光网通孔结构5拆分为所述水平光网；水平光网光电转换接收阵列7用于接收水平光网信号并转换为电信号；

竖直光源2通过竖直会聚透镜单元4会聚为平行光，再通过竖直光网通孔结构6拆分为所述竖直光网；竖直光网光电转换接收阵列8用于接收竖直光网信号并转换为电信号；

水平光网与竖直光网正交形成正交网格光。

本实施方式利用透镜对光线的会聚作用构建平行光束，其中水平光源1和竖直光源2可以采用小型半导体连续激光光源，在光源的输出头部加装光学透镜即可获得图3至图6中所示的水平锥形片光1-1或竖直锥形片光2-1。

所述透镜单元主要包括凸透镜，使凸透镜的焦点处于光源所在位置即可形成平行光，平行光通过通孔结构的小孔阵列形成系列水平光束阵列或竖直光束阵列。通孔结构可紧贴安装于透镜单元的光束出射端；光电转换接收阵列的组成可以是对应于每一束光束设置光敏元件，光敏元件的光敏面至少不小于通孔结构的孔径。一般情况下，通孔结构的孔径不超过1mm，通孔的间距也以不超过探测目标的尺寸为宜，同时要考虑探测目标的位置测量误差要求。

其中光电转换接收阵列可以由与光束数量一一对应的光电二极管阵列和配套外围电路模块(如供电模块、信号调理模块等)组成，配套外围电路模块用于对系列光电二极管进行必要的供电和信号调理，并把光电二极管输出的电信号变换为标准的TTL电平信号。例如，当光束信号照射到对应的光电二极管光敏面时，光电二极管输出高电平信号(大于3.5V)，当光束被遮挡则对应的光电二极管输出低电平信号(小于0.35V)。

结合图3至图6所示，所述水平光源1可以用于产生空间内的水平锥形片光1-1，竖直光源2可以用于产生空间内的竖直锥形片光2-1；以水平光源1为例，经水平会聚透镜单元3会聚后锥形片光1-1变成平行光，水平光网通孔结构5再将平行光拆分为水平光束，形成水平光网11。竖直光源2形成竖直光网12的过程与此类同。

获得了飞行目标对正交网格光的遮档造成的信号变化以后，需要对相应的电信号进行处理，作为示例，结合图2所示，在图1所示光网测量装置的基础之上，可以采用信号处理单元9对相应的电信号进行处理，它用于识别水平光网光电转换接收阵列7和竖直光网光电转换接收阵列8输出的电信号，例如根据水平光网光电转换接收阵列7和竖直光网光电转换接收阵列8输出电信号的电平变化情况，识别出发生变化的光束编号和时间并进行记录，并最终获得飞行目标的位置及尺寸。

作为示例，所述水平光网包括所有光束均匀分布的水平光网。

作为示例，所述竖直光网包括所有光束均匀分布的竖直光网。

结合图3至图6所示，其水平光网11和竖直光网12均可以由均匀分布的光束形成，使用这种均布的光网，能使后续的数据计算更加直接，计算过程简便。

作为示例，所述水平光网和竖直光网的光束间距相同。同样结合图3至图6所示，其所示的水平光网11和竖直光网12的光束间距均相同，形成了一个立体的正交光网区域，也就是说，图3至图6中的所有小方格均代表大小相同的正方体，这有利于对飞行目标测量数据的后续计算。

其实，水平光网的光束间距设计可以不完全相同，例如中心区域网格相对小一点，外围大一点，这种情况下以飞行目标穿过中心区域时的测量数据为例，有利于提高测量精度；对于竖直光网，与此类同。

还有另外一种情况，例如探测的飞行目标横纵向比例差别大的情况，水平光网的间距与竖直光网的间距也可以不相同，按照横纵方向的测量精度需求，设计相应的光网间距，既能达到不同方向上数据的精度，又能简化数据计算过程，提高效率。

作为示例，所述光束间距的范围可以为0.5-0.9mm。

以所有光束均匀排列为例，光束间距范围的选取与目标的尺寸有关，若能确定目标尺寸，光束间距要求不超过目标尺寸，一般可以设定为目标尺寸的0.5-0.9倍。而对于横向及纵向尺寸均不小于1mm的目标，并且其中心位置测量误差要求不超过1mm，光束间距一般可设定为0.5-0.9mm。

虽然光束间距越小，测量精度会越高，但当设定光束间距小于目标尺寸的0.5倍时，需要配套增加光束的数量及测量通道，这会导致测量装置成本增加。

具体实施方式二、本发明的另一方面还提供了一种飞行目标的光网测量方法，基于所述的飞行目标的光网测量装置实现，所述光网测量方法包括，

根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸。

具体使用中，可以对水平光网与竖直光网的每一个网格分别进行编号，例如对于正交网格光，可以由低向高依次将光网格分层为1，2，3……层，对于每一层的网格再分别以单元网格所处的行列号进行标记，这样就能根据编号确定正交网格光中每中网格的具体位置，从而进行飞行目标位置和尺寸的计算。

作为示例，所述根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸的方法包括：

利用水平光网光电转换接收阵列7获得的水平光网信号的改变识别出水平方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；利用竖直光网光电转换接收阵列8获得的竖直光网信号的改变识别出竖直方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；

根据由正交网格光水平方向和竖直方向上分别识别获得的飞行目标数据，确定飞行目标的方位和尺寸。

待监测的飞行目标穿越光网时，遮档部分光网信号，由水平光网光电转换接收阵列7和竖直光网光电转换接收阵列8输出的电信号可以确定被遮档光网所在的层号和单元格编号，记录相关单元格编号，再据此识别出飞行目标在光网中的中心坐标和横纵向尺寸，由此，飞行目标的位置及大小得以确定。图4中所示，标记11所对应的水平光网网格表示飞行目标穿越时遮挡的部分横向网格光，标记12所对应的竖直光束网格表示飞行目标穿越时遮挡的部分竖直光网，13表示飞行目标。正交网格光由于光的不被破坏性，在完成一次测量并且数据记录完成后，能自动恢复初始状态，为下一次的测量做好准备。

作为示例，所述光网信号的改变至少基于发生变化的光网网格编号及数量确定。

光网信号的改变程度可以依据发生变化的光网网格编号及数量确定。结合图5所示，根据被飞行目标影响的部分水平光网11，可以识别出飞行目标纵向中心坐标为部分水平光网11的中心位置；同样根据被飞行目标影响的部分竖直光网12，可以识别出飞行目标横向中心坐标为部分竖直光网12的中心位置。

结合图5来说明通过网格编号及数量确定飞行目标位置时可能产生的误差，假设飞行目标穿越光网时的真实位置如图4所示，由于以信号发生改变的光网单元格来计量飞行目标的位置，所以计算结果存在两种情况的误差极值，其位置可以是飞行目标的上边缘触及相应网格的上边框，如图5中13所示的状况，也可以是飞行目标的下边缘触及相应网格的下边框，如图5中14所示的状况。这两种极值位置的中心位置距离为目标位置测量的最大理论误差，当横纵向单元格均匀分布并且间距一致时，最大理论误差不超过光网单元格间距的1.414倍。

同样，对于计算获得的飞行目标的具体尺寸，也存在两个极值，结合图6进行说明，根据飞行目标遮档的部分水平光网11和网格间距，确定目标的横向尺寸；根据飞行目标遮档的部分竖直光网12和网格间距，确定目标的纵向尺寸。例如，其尺寸可以是图6中13所示，此时，被遮档的光网单元格数目为记录数目，但目标只触及外轮廓单元格的内侧边框，此时获得的飞行目标尺寸最小；也可以是图6中14所示，此时，被遮档的光网单元格数目与前一种情况相同，但目标触及外轮廓单元格的外侧边框，此时获得的飞行目标尺寸最大，而目标的真实尺寸可能是这两种极值或者处于两个极值之间；飞行目标的最小测量值与最大测量值之差，即为目标测量尺寸的最大误差，当横纵光网单元格间距一致时，对于圆形目标的半径测量误差不超过一个网格间距。因此，飞行目标的位置及尺寸的测量精度最终会与单元格的光束间距相关。

在实际使用中，光束间距根据监测目标的自身尺寸和测量精度要求决定，目标尺寸小或者测量精度要求高，都需要光束间距设置的相对小。

综上所述，本发明适用于飞行目标尺寸小、速度高情况下的无损测量。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种飞行目标的光网测量装置，其特征在于包括：

用于形成正交网格光的光网阵列产生模块，及分别用于接收正交网格光中水平光网与竖直光网光信号的光电转换接收阵列。

2.根据权利要求1所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于：

所述光网阵列产生模块包括水平光源(1)、竖直光源(2)、水平会聚透镜单元(3)、竖直会聚透镜单元(4)、水平光网通孔结构(5)和竖直光网通孔结构(6)，所述光电转换接收阵列包括水平光网光电转换接收阵列(7)和竖直光网光电转换接收阵列(8)，

水平光源(1)通过水平会聚透镜单元(3)会聚为平行光，再通过水平光网通孔结构(5)拆分为所述水平光网；水平光网光电转换接收阵列(7)用于接收水平光网信号并转换为电信号；

竖直光源(2)通过竖直会聚透镜单元(4)会聚为平行光，再通过竖直光网通孔结构(6)拆分为所述竖直光网；竖直光网光电转换接收阵列(8)用于接收竖直光网信号并转换为电信号；

水平光网与竖直光网正交形成正交网格光。

3.根据权利要求2所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于所述光网测量装置还包括：

信号处理单元(9)，用于识别水平光网光电转换接收阵列(7)和竖直光网光电转换接收阵列(8)输出的电信号，并根据电信号的变化获得飞行目标的位置及尺寸。

4.根据权利要求1、2或3所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于：

所述水平光网包括所有光束均匀分布的水平光网。

5.根据权利要求4所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于：所述竖直光网包括所有光束均匀分布的竖直光网。

6.根据权利要求5所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于：所述水平光网和竖直光网的光束间距相同。

7.根据权利要求6所述的飞行目标的光网测量装置，其特征在于：

所述光束间距的范围被配置为目标尺寸的0.5-0.9倍。

8.一种飞行目标的光网测量方法，其特征在于：基于权利要求1至7中任一项所述的飞行目标的光网测量装置实现，所述光网测量方法包括，

根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸。

9.根据权利要求8所述的飞行目标的光网测量方法，其特征在于：所述根据飞行目标穿越正交网格光时，对光信号的遮档识别飞行目标的方位及尺寸的方法包括：

利用水平光网光电转换接收阵列(7)获得的水平光网信号的改变识别出水平方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；利用竖直光网光电转换接收阵列(8)获得的竖直光网信号的改变识别出竖直方向上飞行目标的中心坐标和尺寸；

根据由正交网格光水平方向和竖直方向上分别识别获得的飞行目标数据，确定飞行目标的方位和尺寸。

10.根据权利要求9所述的飞行目标的光网测量方法，其特征在于：

所述光网信号的改变至少基于发生变化的光网网格编号及数量确定。