CN109164430B - 利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，属于光电探测技术领域。本发明公开的系统包括脉冲激光器、准直透镜组、发射透镜、接收透镜、分光镜、APD探测器、四象限探测器、回波处理电路和光斑处理电路。本发明还公开基于所述系统实现的方法，通过分析激光回波获取目标的位置信息，降低算法复杂度并节省成像处理时间；同时利用四象限探测器接收目标反射回波的激光光斑，精确地捕获目标的姿态变化，实现目标的快速定位和精确姿态测量。本发明能够对动态目标进行快速定位和精确姿态测量，同时分辨目标偏转角度和方向，提高探测效率。本发明硬件系统结构简单，算法复杂度低，有利于扩展到需要快速定位与精确姿态测量的应用场合。

Description

利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法
技术领域
本发明涉及利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，特别是涉及同时获取目标位置与精确姿态的方法，属于光电探测技术领域。
背景技术
随着光电探测技术的发展，激光雷达因分辨率高、隐蔽性好、体积小、重量轻等优点得到了广泛的应用。在军事侦察领域，多采用激光雷达三维成像技术进行目标定位与跟踪，利用目标反射的激光回波数据得到强度像与距离像，经图像融合形成三维像并获取三维点云数据，利用多种图像处理算法提取目标特征，进而实现目标定位与跟踪。这种方法具有分辨率高、测量精度高、抗干扰性好等特点，但同时存在图像数据量大、处理效率低的问题，难以对动态目标快速成像，无法准确捕获动态目标的姿态。
相对于激光三维成像技术，激光回波分析方法能够利用目标回波波形分析出目标的距离和偏转角度，实现目标的快速定位，具有获取方便、数据量小的优点。利用这种技术，西安电子科技大学公开了一种用激光一维距离曲线识别动态锥形目标的姿态角和几何尺寸的方法，该方法能够根据激光回波反演计算出目标的偏转角度，但对于目标的偏转方向仍具有歧义，且所用的反演算法较复杂，不利于精确、快速地捕获目标的姿态。另一方面，四象限光电探测器，常用于光电制导、目标跟踪、光束准直等场合，能够利用四个象限输出信号的幅值变化获取目标相对光轴的偏转方向，实现高精度、高效率的目标姿态测量，但单独采用四象限光电探测器不能对目标进行快速定位。
发明内容
本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，要解决的技术问题是：实现对动态目标的快速定位和精确姿态测量，能同时分辨目标偏转角度和方向，并提高探测精度和效率。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的：
本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，通过分析激光回波数据获取目标的位置信息，降低算法复杂度并节省成像处理时间；同时利用四象限探测器接收目标反射回波的激光光斑，精确地捕获目标的姿态变化，实现目标的快速定位和精确姿态测量。
本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统，包括脉冲激光器、准直透镜组、发射透镜、接收透镜、分光镜、APD探测器、四象限探测器、回波处理电路和光斑处理电路。脉冲激光器用于发射脉冲激光；准直透镜组和发射透镜用于对激光光束进行准直和扩束；接收透镜用于接收目标反射的回波光束，将回波光束调整到合适的波束半径，透过分光镜传输到APD探测器的靶面上；APD探测器的靶面将回波光束分为两束光，一束进入APD探测器进行光电转换，输出电信号到回波处理电路中，另一束光在APD靶面上和分光镜处发生两次反射，并到达四象限探测器形成光斑；四象限探测器将不同象限内的光信号转换成电信号，输出给光斑处理电路；回波处理电路用于对回波信号进行高速采样和处理，得到动态目标的距离信息和偏转角度；光斑处理电路用于计算分析回波光斑的能量分布情况，获得动态目标的偏转方向。
所述的脉冲激光器、准直透镜组和发射透镜的光轴重合，接收透镜的中心与APD探测器的靶面中心在同一水平线上，分光镜与水平方向成45°角。所述的APD探测器和四象限探测器均位于接收透镜的焦平面上，当动态目标发生偏转时，反射的回波光束随之偏转，光斑仍聚焦于焦平面的APD探测器和四象限探测器上，但光斑位置会发生移动，光斑移动方向与目标偏转方向相对应。
本发明公开利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，基于所述利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统实现，包括如下步骤：
步骤一：获取目标不同偏转角度时的回波信号。
脉冲激光器发射脉冲激光，光束由准直透镜组和发射透镜进行准直和扩束，照射探测目标。随着目标的偏转，所述偏转角度范围：-90°～90°，光束在目标表面处发生反射，形成不同偏转角度的回波光束。回波光束被接收透镜调整至合适的波束半径，透过分光镜传输到APD探测器。APD探测器将激光回波信号转换成电信号，由回波处理电路进行高速采样和分析处理，获取不同偏转角度时的回波信号。
步骤二：根据目标的回波信号提取距离信息，即实现对动态目标的快速定位，并计算目标偏转角度。
脉冲激光器发射光束是高斯光束，探测目标被照射部分为能够被激光光斑完全覆盖的点目标，发射激光脉冲信号经由大气传输到达目标表面，在目标表面处发生反射后返回到APD探测器，得到目标激光回波。根据激光光束的传输特性，并考虑高斯脉冲的时空分布，得到回波信号Pr(t)的表达式：
Pr(t)＝E2(t,R)E2(r,R,θ)·ηsysηatm 2ρ (1)
公式(1)中R为点目标到激光雷达系统的距离，r为点目标的有效半径，θ为点目标平面法向量与光轴之间的夹角，所述夹角即目标偏转角度，E(t,R)为激光脉冲的时域分布，E(r,R,θ)为激光脉冲的空间分布，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，ρ为目标的反射系数。
将激光脉冲的时空分布解析式展开，得到回波信号Pr(t)的计算公式：
Figure BDA0001848777270000031
公式(2)中τr为激光雷达接收的回波脉冲宽度，A为点目标的有效面积，WR为激光光束传播至目标处时的光束截面半径，τ0为激光光束的初始脉冲宽度，c为光速，W0为激光光束的束腰半径，λ为激光波长。
通过对回波信号Pr(t)的高速采样和分析处理，获得回波的波形参数。根据回波信号的波峰到达时间，所述到达时间即激光光束飞行时间，计算目标到探测系统的纵深距离R＝c*t/2；根据不同偏转角度下目标回波波形的脉冲宽度展宽和能量衰减情况，计算得出目标的偏转角度θ。
步骤三：实时获取目标的激光回波光斑，并输出与激光回波光斑对应的电流信号。
四象限探测器由四个位置对称、性能参数一致的光电二极管阵列组成，分别位于四个象限中，所述四个象限按直角坐标系命名。
部分回波光束在APD探测器的靶面上和分光镜处发生两次反射，并到达四象限探测器形成光斑。四个象限因接收不同大小的光斑能量产生不同的光电流，经四象限探测器内部的运算电路处理输出三路电流信号，分别为：上下两个区域的差电流信号[(I1+I2)-(I3+I4)]、左右两个区域的差电流信号[(I1+I4)-(I2+I3)]以及四个区域的和电流信号(I1+I2+I3+I4)。
步骤四：利用步骤三产生的电流信号计算得出光斑中心坐标，实时获取目标的偏转方向。
光斑处理电路根据四象限探测器输出的和、差电流信号，计算得到目标回波光斑中心的坐标(X,Y)，表达式为：
Figure BDA0001848777270000041
公式(3)中k为比例常数。
因而，在四个光敏区域性能参数一致的条件下，通过计算光斑中心的坐标值(X,Y)获取目标的偏转方向。
步骤五：结合步骤二得到的目标偏转角度和步骤四获取的目标的偏转方向，实现对动态目标的精确姿态测量。
有益效果：
1、本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，能够分析目标回波波形，获取目标距离和偏转角度，相比激光三维成像的方法，具备获取方便、数据量小的优点，能够节省激光三维成像技术的图像处理时间，满足对动态目标快速定位的要求。
2、本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，采用四象限探测器接收目标反射回波的激光光斑，根据回波光斑位置获取目标偏转方向，能够解决姿态测量中存在的歧义问题，实现对目标姿态的精准探测。
3、本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统及方法，采用激光回波分析与四象限探测器结合的方式，硬件系统结构简单，算法复杂度低，有利于扩展到需要快速定位与精确姿态测量的应用场合。
附图说明
图1为本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统原理结构图；
图2为本发明公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法流程图；
图3为四象限探测器结构示意图。
其中：1—脉冲激光器，2—准直透镜组，3—发射透镜，4—接收透镜，5—分光镜，6—APD探测器，7—四象限探测器，8—回波处理电路，9—光斑处理电路，10—探测目标，11—发射激光光束，12—接收激光回波。
具体实施方式
为了更好的说明本发明的目的和优点，下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明。
实施例1：
本实施例公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统，原理结构图如图1所示，包括脉冲激光器1、准直透镜组2、发射透镜3、接收透镜4、分光镜5、APD探测器6、四象限探测器7、回波处理电路8和光斑处理电路9。脉冲激光器1用于发射脉冲激光；准直透镜组2和发射透镜3用于对激光光束进行准直和扩束；接收透镜4用于接收目标反射的回波光束，将回波光束调整到合适的波束半径，透过分光镜5传输到APD探测器6的靶面上；APD探测器6的靶面将回波光束分为两束光，一束光进入APD探测器6进行光电转换，输出电信号到回波处理电路8中，另一束光在APD靶面上和分光镜5处发生两次反射，并到达四象限探测器7形成光斑；四象限探测器7将不同象限内的光信号转换成电信号，输出给光斑处理电路9；回波处理电路8用于对回波信号进行高速采样和处理，得到动态目标的距离信息和偏转角度；光斑处理电路9用于计算分析回波光斑的能量分布情况，获得动态目标的偏转方向，从而实现快速定位和精确姿态测量。
本实施例公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统，模拟实验的参数选择如下：激光波长λ为1550nm，激光脉冲能量Et为10-9J，激光光束的初始脉冲宽度τ0为10-9s，激光光束的束腰半径W0为0.02m；点目标的有效半径r为0.025m，目标的反射系数ρ为0.24；系统传输效率ηsys为0.4，大气传输因子ηatm为0.6。接收透镜4的焦距为100mm，调整分光镜5与水平方向成45°角，并将APD探测器6和四象限探测器7均位于接收透镜4的焦平面上。
本实施例公开的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，流程图如图2所示，包括如下步骤：
步骤一：获取目标不同偏转角度时的回波信号。
脉冲激光器1发射脉冲激光，光束由准直透镜组2和发射透镜3进行准直和扩束，照射探测目标。随着目标的偏转，所述偏转角度范围：-90°～90°，光束在目标表面处发生反射，形成不同偏转角度的回波光束。回波光束被接收透镜4调整至合适的波束半径，透过分光镜5传输到APD探测器6。APD探测器6将激光回波信号转换成电信号，由回波处理电路8进行高速采样和分析处理，得到不同偏转角度时的回波信号。
步骤二：根据目标的回波信号提取距离信息，即实现对动态目标的快速定位，并计算目标偏转角度。
脉冲激光器1发射光束是高斯光束，探测目标被照射部分为能够被激光光斑完全覆盖的点目标，发射激光脉冲信号经由大气传输到达目标表面，在目标表面处发生反射后返回到APD探测器6，得到目标激光回波。根据激光光束的传输特性，并考虑高斯脉冲的时空分布，得到回波信号Pr(t)的表达式：
Pr(t)＝E2(t,R)E2(r,R,θ)·ηsysηatm 2ρ (4)
公式(1)中R为点目标到激光雷达系统的距离，r为点目标的有效半径，θ为点目标平面法向量与光轴之间的夹角，所述夹角即目标偏转角度，E(t,R)为激光脉冲的时域分布，E(r,R,θ)为激光脉冲的空间分布，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，ρ为目标的反射系数。
将激光脉冲的时空分布解析式展开，得到回波信号Pr(t)的计算公式：
Figure BDA0001848777270000061
公式(2)中τr为激光雷达接收的回波脉冲宽度，A为点目标的有效面积，WR为激光光束传播至目标处时的光束截面半径，τ0为激光光束的初始脉冲宽度，c为光速，W0为激光光束的束腰半径，λ为激光波长。
通过对回波信号Pr(t)进行高速采样和分析处理，获得回波的波形参数。根据回波信号的波峰到达时间，所述到达时间即激光光束飞行时间，计算目标到探测系统的纵深距离R＝c*t/2；根据不同偏转角度下目标回波波形的脉冲宽度展宽和能量衰减情况，计算得出目标的偏转角度θ。
步骤三：实时获取目标的激光回波光斑，并输出与激光回波光斑对应的电流信号。
如图3所示，四象限探测器7由四个位置对称、性能参数一致的光电二极管阵列组成，分别位于四个象限中，所述四个象限按直角坐标系命名。
部分回波光束在APD探测器6的靶面上和分光镜5处发生两次反射，并到达四象限探测器7形成光斑。四个象限因接收不同大小的光斑能量产生不同的光电流，经四象限探测器7内部的运算电路处理输出三路电流信号，分别为：上下两个区域的差电流信号[(I1+I2)-(I3+I4)]、左右两个区域的差电流信号[(I1+I4)-(I2+I3)]以及四个区域的和电流信号(I1+I2+I3+I4)。
步骤四：利用步骤三产生的电流信号计算得出光斑中心坐标，实时获取目标的偏转方向。
光斑处理电路9根据四象限探测器7输出的和、差电流信号，计算得到目标回波光斑中心的坐标(X,Y)，表达式为：
Figure BDA0001848777270000071
公式(3)中k为比例常数。
因而，在四个光敏区域性能参数一致的条件下，可以通过计算光斑中心的坐标值(X,Y)获取目标的偏转方向。
步骤五：结合步骤二得到的目标偏转角度和步骤四获取的目标的偏转方向，实现对动态目标的精确姿态测量。
以上所述的具体描述，对发明的目的、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，并不用于限定本发明的保护范围，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 (6)

1.利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统，其特征在于：包括脉冲激光器(1)、准直透镜组(2)、发射透镜(3)、接收透镜(4)、分光镜(5)、APD探测器(6)、四象限探测器(7)、回波处理电路(8)和光斑处理电路(9)；脉冲激光器(1)用于发射脉冲激光；准直透镜组(2)和发射透镜(3)用于对激光光束进行准直和扩束；接收透镜(4)用于接收目标反射的回波光束，将回波光束调整到合适的波束半径，透过分光镜(5)传输到APD探测器(6)的靶面上；APD探测器(6)的靶面将回波光束分为两束光，一束进入APD探测器(6)进行光电转换，输出电信号到回波处理电路(8)中，另一束光在APD靶面上和分光镜(5)处发生两次反射，并到达四象限探测器(7)形成光斑；四象限探测器(7)将不同象限内的光信号转换成电信号，输出给光斑处理电路(9)；回波处理电路(8)用于对回波信号进行高速采样和处理，得到动态目标的距离信息和偏转角度；光斑处理电路(9)用于计算分析回波光斑的能量分布情况，获得动态目标的偏转方向；
其中，所述的脉冲激光器(1)、准直透镜组(2)和发射透镜(3)的光轴重合，接收透镜(4)的中心与APD探测器(6)的靶面中心在同一水平线上，分光镜(5)与水平方向成45°角；所述的APD探测器(6)和四象限探测器(7)均位于接收透镜(4)的焦平面上，当动态目标发生偏转时，反射的回波光束随之偏转，光斑仍聚焦于焦平面的APD探测器(6)和四象限探测器(7)上，但光斑位置会发生移动，光斑移动方向与目标偏转方向相对应。
2.利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，基于如权利要求1所述的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的系统实现，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：获取目标不同偏转角度时的回波信号；
步骤二：根据目标的回波信号提取距离信息，即实现对动态目标的快速定位，并计算目标偏转角度；
步骤三：实时获取目标的激光回波光斑，并输出与激光回波光斑对应的电流信号；
步骤四：利用步骤三产生的电流信号计算得出光斑中心坐标，实时获取目标的偏转方向；
步骤五：结合步骤二得到的目标偏转角度和步骤四获取的目标的偏转方向，实现对动态目标的精确姿态测量。
3.如权利要求2所述的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，其特征在于：步骤一具体实现方法为，
脉冲激光器(1)发射脉冲激光，光束由准直透镜组(2)和发射透镜(3)进行准直和扩束，照射探测目标；随着目标的偏转，所述偏转角度范围：-90°～90°，光束在目标表面处发生反射，形成不同偏转角度的回波光束；回波光束被接收透镜(4)调整至合适的波束半径，透过分光镜(5)传输到APD探测器(6)；APD探测器(6)将激光回波信号转换成电信号，由回波处理电路(8)进行高速采样和分析处理，获取不同偏转角度时的回波信号。
4.如权利要求3所述的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，其特征在于：步骤二具体实现方法为，
脉冲激光器(1)发射光束是高斯光束，探测目标被照射部分为能够被激光光斑完全覆盖的点目标，发射激光脉冲信号经由大气传输到达目标表面，在目标表面处发生反射后返回到APD探测器(6)，得到目标激光回波；根据激光光束的传输特性，并考虑高斯脉冲的时空分布，得到回波信号Pr(t)的表达式：
Pr(t)＝E2(t，R)E2(r，R，θ)·ηsysηatm 2ρ (1)
公式(1)中R为点目标到激光雷达系统的距离，r为点目标的有效半径，θ为点目标平面法向量与光轴之间的夹角，所述夹角即目标偏转角度，E(t,R)为激光脉冲的时域分布，E(r,R,θ)为激光脉冲的空间分布，ηsys为系统传输效率，ηatm为大气传输因子，ρ为目标的反射系数；
将激光脉冲的时空分布解析式展开，得到回波信号Pr(t)的计算公式：
Figure FDA0002491892960000021
公式(2)中τr为激光雷达接收的回波脉冲宽度，Α为点目标的有效面积，WR为激光光束传播至目标处时的光束截面半径，τ0为激光光束的初始脉冲宽度，c为光速，W0为激光光束的束腰半径，λ为激光波长，Et为激光光束的脉冲能量，t为激光光束飞行时间；
通过对回波信号Pr(t)的高速采样和分析处理，获得回波的波形参数；根据回波信号的波峰到达时间，所述到达时间即激光光束飞行时间，计算目标到探测系统的纵深距离R＝c*t/2；根据不同偏转角度下目标回波波形的脉冲宽度展宽和能量衰减情况，计算得出目标的偏转角度θ。
5.如权利要求4所述的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，其特征在于：步骤三具体实现方法为，
四象限探测器(7)由四个位置对称、性能参数一致的光电二极管阵列组成，分别位于四个象限中，所述四个象限按直角坐标系命名；
部分回波光束在APD探测器(6)的靶面上和分光镜(5)处发生两次反射，并到达四象限探测器(7)形成光斑；四个象限因接收不同大小的光斑能量产生不同的光电流，经四象限探测器(7)内部的运算电路处理输出三路电流信号，分别为：上下两个区域的差电流信号[(I1+I2)-(I3+I4)]、左右两个区域的差电流信号[(I1+I4)-(I2+I3)]以及四个区域的和电流信号(I1+I2+I3+I4)。
6.如权利要求5所述的利用激光回波与光斑探测目标位置与姿态的方法，其特征在于：步骤四具体实现方法为，
光斑处理电路(9)根据四象限探测器(7)输出的和、差电流信号，计算得到目标回波光斑中心的坐标(X,Y)，表达式为：
Figure FDA0002491892960000031
公式(3)中k为比例常数；
因而，在四个光敏区域性能参数一致的条件下，通过计算光斑中心的坐标值(X,Y)获取目标的偏转方向。
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