CN109373816A - 一种激光光斑及回波跟踪监测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光光斑及回波跟踪监测装置，包括光学瞄准单元、四象限光电探测单元、CCD成像探测单元、同步信号触发电路和数据融合处理显示单元；同步信号触发电路获取四象限光电探测器的输出电信号并产生同步触发信号，触发CCD处理电路获得光斑图像，同时触发四象限处理电路获得光斑质心坐标、脉冲峰值功率和频率编码信号；数据融合处理显示单元将光斑图像、光斑质心坐标、脉冲峰值功率和频率编码数据融合后显示。本发明解决了激光半主动制导武器系统在靶场测试对激光发射和接收的激光参数进行全指标闭环监测的技术问题，为全面准确评价激光半主动制导武器的激光照射和导引头跟踪性能提供一种方便快捷有效的方法。
Description
技术领域
本发明属于靶场试验测试领域，主要涉及一种激光半主动制导武器系统靶场试验训练系统及激光光斑及回波跟踪监测装置。
背景技术
激光半主动制导武器系统是激光精确打击的主要武器系统，应用中由地面或机载制导武器平台自带的激光测照器照射攻击目标，武器的激光导引头探测激光回波信号后进行攻击。由于该武器应用在开放的环境中，导引头、激光测照器等光学系统容易受到大气湍流、大气折射率变化等扰动影响，故需要在靶场建立一套完整的训练测试系统，对激光照射的光斑、导引头跟踪的激光回波信号、大气扰动的影响进行综合监测，用于作战流程的模拟训练、作战人员对发射大气窗口的时机选择训练，以及对激光照射、回波探测、武器发射等流程环节的可靠性(技术能力)进行检验考核，以提高制导武器系统的命中概率。
美国专利US6288383B1(Laser spot locating device and system)提出了采用电荷转移器件(CCD)对激光光斑进行探测定位，同时用激光二极管探测激光为CCD提供同步信号，通过相邻两帧相减技术获得稳定的高信噪比图像，但该装置不能获得所探测激光信号的跟踪定位信息及相关的激光参数数据，也不能提供大气环境对激光脉冲传输产生的影响等信息，难以满足靶场试验训练的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，为靶场激光半主动制导武器试验训练提供一种激光光斑及回波跟踪监测装置。该装置采用四象限光电探测器模拟武器导引头信号，能同步获得试验中激光照射在试验靶板上的激光脉冲光斑图像、反射回波目标坐标定位、信号的峰值功率、编码频率、目标反射特性、大气环境对激光传输的影响等特性参数，满足了激光半主动制导武器靶场试验训练要求。
本发明的技术方案如下：
一种激光光斑及回波跟踪监测装置，包括光学瞄准单元、四象限光电探测单元、CCD成像探测单元、同步信号触发电路和数据融合处理显示单元；激光测照器发出重频脉冲激光至试验靶板上，光学瞄准单元将漫反射回波光斑成像至四象限光电探测单元和CCD成像探测单元；四象限光电探测单元包括四象限光电探测器和四象限处理电路，CCD成像探测单元包括CCD成像探测器和CCD处理电路；同步信号触发电路获取四象限光电探测器的输出电信号并产生同步触发信号，触发CCD处理电路获得光斑图像，同时触发四象限处理电路获得光斑质心坐标、脉冲峰值功率和频率编码信号；数据融合处理显示单元将光斑图像、光斑质心坐标、脉冲峰值功率和频率编码数据融合后显示。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，所述的同步信号触发电路包括加法器和触发器，四象限光电探测器输出的四路电信号进入加法器后，输出一个叠加后的电压信号至触发器进行整形，整形后的脉冲作为同步触发信号触发CCD处理电路和四象限处理电路。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，光学瞄准单元包括并排设置在四象限光电探测器和CCD成像探测器前端的四象限镜头和CCD镜头，所述的四象限镜头和CCD镜头的光轴平行。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，所述的光学瞄准单元包括单透镜和其后设置的半透半反射镜，聚焦光束经过半透半反射镜，分成反射光和透射光两束；一束成像至四象限光电探测器，另一束成像至CCD成像探测器中。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，数据融合处理显示单元中光斑质心坐标以十字叉丝与光斑图像显示在同一显示界面中。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，四象限光电探测器和CCD成像探测器前设置有与激光测照器波长匹配的窄带滤光片。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，数据融合处理显示单元设置有参数调节模块，实现CCD成像探测器积分时间调节以及四象限光电探测器的输出信号数字平均。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，所述的四象限光电探测器敏感元为InGaAs、PIN或APD探测器，响应速率为ns级。
上述激光光斑及回波跟踪监测装置中，激光测照器的输出重复频率和CCD的帧频均为数十Hz。
本发明具有的有益技术效果如下：
1、本发明将四象限光电探测和CCD成像探测两种激光探测技术集成在一起，由于激光半主动制导的制导体制是一个激光照射光斑信号对应一个激光回波跟踪信号，故采用四象限光电探测器来模拟武器激光导引头的回波跟踪参数，实现时间和空间同步关联，两种传感器各自所获得的数据和图像融合在一起，完成对激光制导武器的激光目标指示器和导引头发射和接收的激光参数的全方位无缝隙的数据监测，为全面准确评价激光半主动制导武器的激光照射和导引头跟踪性能提供一种方便快捷有效的方法。
2、本发明采用四象限光电探测器来模拟武器激光导引头的激光回波跟踪特性参数，获得漫反射回波光斑质心坐标、信号的峰值功率、编码频率、目标反射特性、大气环境对激光传输的影响等特性参数，对于全面评价武器的回波跟踪特性及提高武器作战能力有推动作用。
3、本发明采用数十Hz帧频的CCD成像探测器测量到靶的漫反射光斑，而采用ns级快响应的四象限光电探测器接收回波信号，并给出每个激光脉冲光斑相对于激光成像光斑的位置，以“十”符号形式显示在显示屏上，通过“十”符号在光斑中心周围抖动的幅度和频率在评价此时大气环境对激光脉冲传输的影响程度，进而反应出导引头跟踪信号与实际目标的偏差程度，用于作战者大气发射窗口选择操作训练及对导弹发射时机的评价，该训练模式可在空弹情况下进行，减小了试验训练成本。
4、本发明基于四象限光电探测器信号产生同步信号，同时触发CCD成像探测器和四象限光电探测器进行参数测量，确保了四象限光电探测器与CCD成像探测器数据和图像的帧同步，并确保每个激光脉冲信号都能被探测到，并通过四象限光电探测器获取的脉冲编码序列和脉冲个数来判断CCD成像探测器是否存在丢帧现象，同时CCD探测器积分时间长短可调，四象限光电探测器的输出信号可以按照时长进行数字平均，测量结果稳定可靠，自动化程度强，可满足不同状态下的测量要求。
5、本发明的四象限光电探测器采用了先四路输出求和再脉冲整形的方案，确保了触发的可靠性，同时对四象限光电探测输出的激光脉冲信号的峰值功率进行准确标定，以确定激光信号的真实强度，为分析激光信号在大气传输中的衰减和导弹发射提供了依据。
附图说明
图1是本发明激光光斑及回波跟踪监测装置工作原理示意图；
图2是本发明同步触发信号产生及工作原理示意图；
图3是本发明数据和图像融合显示示意图；
图4是本发明双筒结构的光学瞄准单元原理示意图；
图5是本发明单筒结构的光学瞄准单元原理示意图；
图6是本发明武器发射窗口训练系统组成示意图。
附图标记如下：1—激光光斑及回波跟踪监测装置；2—激光半主动制导武器平台；3—试验靶板；4—发射光束；5—回波反射光束；6—四象限光电探测器，7—CCD成像探测器；8—同步信号触发电路；9—数据融合处理显示单元；10—指控中心；31—光斑；32—光学瞄准单元；33—激光测照器；35—半透半反射镜；36—CCD镜头；37—四象限镜头；38—单透镜；40—四象限光斑；41—加法器；42—触发器；50—显示界面；51—靶板图像；52—光斑图像；53—光斑质心坐标；54—参数显示区；55—光斑中心；61—CCD处理电路；71—四象限处理电路；
具体实施方式
下面结合附图及优选实例对本发明作进一步的详述。
如图1和图2所示，本发明的激光光斑及回波跟踪监测装置包括光学瞄准单元32，设置在光学瞄准单元后端的四象限光电探测单元和CCD成像探测单元，以及同步信号触发电路8和数据融合处理显示单元9。
激光测照器33发出重频脉冲激光至试验靶板3上，光学瞄准单元32将漫反射回波光斑成像至四象限光电探测单元和CCD成像探测单元；其中激光测照器33的输出激光为频率几十Hz、脉宽数十ns的重频窄脉冲激光。
四象限光电探测单元包括四象限光电探测器7和四象限处理电路71。光学瞄准单元32接收试验靶板反射的激光脉冲信号，通过滤波和聚焦将其汇聚在焦平面上，四象限光电探测器7位于光学瞄准单元32的焦平面附近，将入射到光敏面上的激光脉冲信号转换成电脉冲信号，分A、B、C、D四路输出。其中四象限处理电路71主要包括常规的模拟放大电路、峰值保持比较电路以及数据采集及信号处理电路，四路光电脉冲信号经过模拟放大电路和峰值保持比较电路进行脉冲展宽后，进入数据采集及信号处理电路。数据采集及信号处理电路对峰值保持比较电路提供的信号进行运算处理，获得四象限光电探测器7光敏面上激光光斑中心相对于光轴O点的坐标位置X、Y数值、激光脉冲信号编码频率、激光脉冲漏码和激光脉冲峰值功率等参数值。峰值功率参数依据可溯源标准光功率计对所接收到的激光脉冲峰值功率进行标定，以提供激光信号的真实强度值。
其中X＝(VA+VB-VC-VD)/(VA+VB+VC+VD)
Y＝(VA+VD-VB-VC)/(VA+VB+VC+VD)
VA、VB、VC、VD分别为四个象限的输出电压信号。
其中四象限光电探测器7采用InGaAs、PIN或APD光电探测器制成，响应速率达ns级。
CCD成像探测单元包括CCD成像探测器6和CCD处理电路61，其中CCD处理电路61采用外触发工作模式进行图像采集和存储，通常对应每个激光脉冲触发一次，帧频为数十Hz至百Hz，与激光的脉冲频率相匹配。光学瞄准单元32接收试验靶板反射的激光脉冲信号，通过滤波和聚焦将其汇聚在位于其焦平面上CCD探测器6的光敏面上，对试验靶板激光反射点进行成像。同步信号触发电路8获取四象限光电探测器7的输出电信号并产生同步触发信号，触发CCD处理电路61获得光斑图像52，同时触发四象限处理电路71获得光斑质心坐标53、脉冲峰值功率和频率编码信号。这种同步触发方式为CCD探测器6提供图像采集强制同步信号，以保证激光半主动制导武器2发射的每个激光脉冲都能被探测到，并形成稳定的激光光斑图像。
四象限光电探测器7和CCD成像探测器6前设置有与激光测照器33波长匹配的窄带滤光片，使激光信号无阻碍入射至测量系统，并抑制背景光入射，提高四象限光电探测器7和CCD成像探测器6的信噪比，增强弱信号探测能力。
由于激光信号在传输过程中会受到大气环境的影响，聚焦到四象限光电探测器7光敏面上的激光光斑位置会随大气扰动，使得A、B、C、D每个象限接收到的脉冲激光峰值功率强度随机变化，导致输出的每一路电信号幅度也随之变动。如图2所示，同步信号触发电路8包括加法器41和触发器42，四象限光电探测器7输出的A、B、C、D四个象限的四路电信号进入加法器41叠加后获得一个较大幅值的脉冲信号，然后输出电压信号至触发器42进行整形，整形后的脉冲作为同步触发信号，一路作为CCD的外触发源，另一路送至四象限处理电路71触发四象限光电探测器7与CCD探测器6同步工作，确保每一个激光脉冲都能被探测到。CCD探测器6的积分时间宽度控制调节，在保证激光脉冲信号被全部探测到的前提下，控制背景光的曝光时间，可获得对比度合适的激光光斑图像和试验靶板背景图像，使得CCD探测器6输出的图像具有合适的信噪比。
如图3所示，数据融合处理显示单元9将光斑图像52、光斑质心坐标53、脉冲峰值功率和频率编码数据融合后显示。图3中，在显示器的显示界面50中显示有靶板图像51、CCD探测器6拍摄的光斑图像52，以及四象限光电探测单元探测得到的光斑质心坐标53和用于显示脉冲峰值功率和频率编码信号等的参数显示区54，其中CCD光斑图像52在靶板图像51的内部，其质心用光斑中心55表示，同时光斑质心坐标53采用以十字叉丝符号表示。受到大气传输的影响，十字叉丝符号可能出现在距离光斑中心55较近的位置，如实线画出的“十”字符号；也可能出现在距离光斑中心55较远的位置，如图中的虚线画出的“十”字符号。
数据融合处理显示单元9将本发明激光光斑及回波跟踪监测装置的图像和数字信号全部融合在同一只显示器上显示，主要包括CCD成像探测单元提供的激光光斑和背景图像、四象限光电探测单元提供的激光光斑位置“十”字符号、激光编码频率、激光漏码和激光脉冲峰值功率。
从理论上讲，在大气没有扰动的情况下，四象限光电探测单元提供的激光光斑位置“十”字符号中心应与CCD成像探测单元提供的激光光斑图像中心重合，但由于激光脉冲在传输过程中受大气环境影响，且二者的时间响应不同，四象限光电探测单元响应时间为ns级、而CCD成像探测单元的帧频为几十Hz，故四象限光电探测器的探测结果可反映瞬时大气对光斑质心的影响，而CCD成像探测单元只能得到一个相对稳态的大气变化时的光斑，在应用中存在着“十”字符号位置在光斑附近随机跳动现象，其跳动量大小代表了大气环境对激光脉冲传输的影响程度。试验训练中通过比较“十”字符号的位置与光斑中心5之间的距离，即可以判断此时大气的状况，选择武器发射大气窗口，二者距离较近或位置基本重合时，说明大气影响较小此时是较佳的发射窗口；否则二者偏离较大、甚至“十”字符号的位置已经处于靶板图像51以外的区域，则说明此刻并非武器发射窗口，一旦发射，有可能因大气扰动较大而不能准确命中目标。在装置调试中，数据融合处理显示单元9还可对“十”字跳动值进行数学平均，以获得稳定的激光光斑位置。
图4和图5给出了两种结构的光学瞄准单元32。图4为双筒结构，包括并排设置在四象限光电探测器7和CCD成像探测器6前端的四象限镜头37和CCD镜头36，其中四象限镜头37和CCD镜头36的光轴平行，二只镜筒紧挨布放，对于数km之外的远距离目标，二者可近似为同轴，确保两套单元对光斑成像的一致性。两套光学系统采用相同的光学视场并在安装过程中将探测光路精确同轴调试，从而满足了对激光照射试验靶板上位置的空间相关性。
图5为单筒结构，光学瞄准单元32包括单透镜38和其后设置的半透半反射镜35，单透镜38聚焦光束经过半透半反射镜35后，分成两束反射光和透射光两束，一束成像至四象限光电探测器7，另一束成像至CCD成像探测器6中，从而确保了两套测量单元对光斑成像的一致性。
图6为本发明武器发射窗口训练系统组成示意图，在图1激光光斑及回波跟踪监测装置的基础上，增加了激光半主动制导武器平台2和指控中心10，武器平台上设置有激光测照器33。训练时，作战人员按照常规的发射窗口选择相应的时机，由指控中心10记录发射指令，同时数据融合处理显示单元9将发射指令下达时刻的激光光斑、背景图像、“十”字符号位置坐标、激光编码频率、激光漏码和激光脉冲峰值功率等参数传输至指控中心，通过上述参数来检验发射时机是否合适，为发射人员提供了一种非实弹情况的训练装置，而平时发射人员对发射时间窗口的选择需要大量实弹打靶才能积累得到足够的经验。此外本发明的激光光斑及回波跟踪监测装置还可以用于实弹情况下对导弹发射环节的检验，一旦没有命中目标，可以通过本监测装置来分析是激光照射环节、发射环节还是实弹爆炸环节的问题，为实弹打靶提供了一种实用化检验手段。
Claims (9)
1.一种激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：包括光学瞄准单元(32)、四象限光电探测单元、CCD成像探测单元、同步信号触发电路(8)和数据融合处理显示单元(9)；
激光测照器(33)发出重频脉冲激光至试验靶板(3)上，光学瞄准单元(32)将漫反射回波光斑成像至四象限光电探测单元和CCD成像探测单元；
四象限光电探测单元包括四象限光电探测器(7)和四象限处理电路(71)，CCD成像探测单元包括CCD成像探测器(6)和CCD处理电路(61)；
同步信号触发电路(8)获取四象限光电探测器(7)的输出电信号并产生同步触发信号，触发CCD处理电路(61)获得光斑图像(52)，同时触发四象限处理电路(71)获得光斑质心坐标(53)、脉冲峰值功率和频率编码信号；
数据融合处理显示单元(9)将光斑图像(52)、光斑质心坐标(53)、脉冲峰值功率和频率编码数据融合后显示。
2.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：所述的同步信号触发电路(8)包括加法器(41)和触发器(42)，四象限光电探测器(7)输出的四路电信号进入加法器(41)后，输出一个叠加后的电压信号至触发器(42)进行整形，整形后的脉冲作为同步触发信号触发CCD处理电路(61)和四象限处理电路(71)。
3.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：所述的光学瞄准单元(32)包括并排设置在四象限光电探测器(7)和CCD成像探测器(6)前端的四象限镜头(37)和CCD镜头(36)，所述的四象限镜头(37)和CCD镜头(36)的光轴平行。
4.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：所述的光学瞄准单元(32)包括单透镜(38)和其后设置的半透半反射镜(35)，聚焦光束经过半透半反射镜(35)，分成反射光和透射光两束；一束成像至四象限光电探测器(7)，另一束成像至CCD成像探测器(6)中。
5.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：数据融合处理显示单元(9)中光斑质心坐标(53)以十字叉丝与光斑图像(52)显示在同一显示界面(50)中。
6.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：四象限光电探测器(7)和CCD成像探测器(6)前设置有与激光测照器(33)波长匹配的窄带滤光片。
7.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：数据融合处理显示单元(9)设置有参数调节模块，实现CCD成像探测器(6)积分时间调节以及四象限光电探测器(7)的输出信号数字平均。
8.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：所述的四象限光电探测器(7)敏感元为InGaAs、PIN或APD探测器，响应速率为ns级。
9.根据权利要求1所述的激光光斑及回波跟踪监测装置，其特征在于：激光测照器(33)的输出重复频率和CCD的帧频均为数十Hz。
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