CN111158009B - 一种脉冲激光光斑跟踪器及光斑跟踪方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲激光光斑跟踪器及光斑跟踪方法，跟踪器包括光学瞄准单元、四象限光电探测器、采集处理电路和图像显示单元，激光器发出的脉冲激光照射至目标后，其反射光斑经过光学瞄准单元入射至四象限光电探测器上，采集处理电路对四象限光电探测器的输出电信号采集处理后在图像显示单元上进行光斑质心坐标实时显示；所述的激光器输出重频脉冲激光；本发明的光斑跟踪器先对照射激光的前几个脉冲进行全时段的采集处理，计算得到了后续脉冲的达到时刻和脉冲宽度，并将其用于后续四象限探测器的同步触发，确保后续的光脉冲只在有效的光脉冲内进行采集，满足了大气变化时对光脉冲参数影响下的光斑跟踪要求。

Description

一种脉冲激光光斑跟踪器及光斑跟踪方法

技术领域

本发明属于激光跟踪技术领域，特别涉及一种采用四象限探测器构成的脉冲激光光斑跟踪器。

背景技术

激光跟踪器是利用光的准直性和高速传输特性，可以在自由空间实现对运动物体的精确捕获与跟踪。光斑跟踪原理是采用激光指示目标，然后光斑跟踪器通过接收目标反射的光对目标进行精密测角与跟踪。激光跟踪器广泛用于卫星间的测量与对接，大气激光通信以及军事领域。在激光半主动制导武器中，通常将激光光斑跟踪器安装在直升机或固定翼飞机上，对照射到目标上的激光光斑进行精确跟踪，并引导武器进行打击，它为制导和非制导武器提供目标指示、重要目标威胁提示的视觉符号，为作战人员提供精确打击的指引系统，是激光精确打击协同战术非常重要的环节。

在实际应用中，激光光斑跟踪器需要对重频脉冲激光反射的光斑进行跟踪捕捉，但是受到大气湍流和折射率变化的影响，导致入射至跟踪器的光斑出现随大气抖动变化现象，因此需要精确测量光斑随时间的变化特性，才能给作战人员提供准确的发射指引信息。

目前激光光斑跟踪器的设计的核心是采集四象限光电探测器输出的激光峰值信号，如“一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器(中国专利200910093364.8)”和“一种激光光斑及回波跟踪监测装置(中国专利201811336974.1)”，其采集捕捉的信号为脉宽10-20ns、重复频率10-20Hz的固体激光脉冲信号，目前基于光电探测器的脉冲激光光斑探测的方法主要有峰值保持和高速采集两种方式，其中峰值保持是将入射到探测器的纳秒脉冲信号展宽微秒级，然后采用低速数采进行采集，其存在的问题是这种展宽是根据脉冲的峰值强度进行展宽，降低了数据采集的难度，但不能保证数据采集的线性、动态范围，并不能反应激光光斑的真实参数。相比而言高速采集是一种精确的方案，但对于10ns的脉冲信号，采样系统的ADC采样率需要达到1GS/s以上，在数十秒至分钟级的连续工作中又给数据存储和实时显示带来困难，最终影响到光斑跟踪的准确性和实时性。

发明内容

本发明提出了一种脉冲激光光斑跟踪器，通过对四象限探测器接收到光斑信号的触发后高速采集转换，只采集光脉冲时刻内的有效信号，从而实现了ns脉冲激光的光斑准确测量，并减小了电路和软件开销，满足了光斑跟踪器的实时跟踪要求。

本发明的技术方案如下：

一种脉冲激光光斑跟踪器，包括光学瞄准单元、四象限光电探测器、采集处理电路和图像显示单元，激光器发出的脉冲激光照射至目标后，其反射光斑经过光学瞄准单元入射至四象限光电探测器上，采集处理电路对四象限光电探测器的输出电信号采集处理后在图像显示单元上进行光斑质心坐标实时显示；所述的激光器1输出重频脉冲激光；

所述的采集处理电路包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元；核心控制单元包括处理器、存储器和若干端口；加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接；四只调理放大单元的输出端分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接；总信号AD单元的输出端和触发端、四只象限AD单元的输出端和触发端分别与核心控制单元的端口联接；

核心控制单元的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元对前几个激光脉冲信号进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，根据处理结果设定触发时刻和触发时长，再同步触发四只象限AD单元进行采集转换；所述的触发时刻提前与脉冲到来的时刻，触发时长大于脉冲宽度；

核心控制单元将转换数据存储在存储器中，并在图像显示单元上进行光斑质心坐标及相关参数的实时显示，直到接收到光斑跟踪停止指令。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，光斑质心坐标的显示频率与激光脉冲的频率一致。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，光斑跟踪器的外壳上设置有用于瞄准光斑的多维光学调节架。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，激光输出脉宽为10-20ns、重复频率为1-50Hz。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，核心控制单元为FPGA芯片。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，光学瞄准单元和四象限光电探测器7之间设置有与激光波长相匹配的窄带滤光片。

上述脉冲激光光斑跟踪器中，总信号AD单元和四只象限AD单元的采样频率不小于1GS/s。

利用上述脉冲激光光斑跟踪器进行脉冲激光光斑跟踪方法，包括以下步骤：

【1】系统加电，自检；

【2】当光斑跟踪器接收到光斑跟踪开始指令后，核心控制单元发出触发指令至总信号AD单元的触发端，触发总信号AD单元进行AD转换，并对开始指令后的前n个激光脉冲数据进行处理，获得激光脉冲信号的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，并计算得到后续激光脉冲来临时刻；

【3】在下一个脉冲来临之前，核心控制单元发出触发时长大于激光脉宽、且触发时刻提前于脉冲到来时刻的触发指令至四只象限AD单元的触发端，同步触发四只象限AD单元采集获取光脉冲信号；

【4】核心控制单元将光脉冲信号数据存储在存储器中，并在图像显示单元9上进行光斑质心坐标显示；

【5】重复步骤【3】-【4】，直到光斑跟踪器接收到光斑跟踪结束的指令。

上述脉冲激光光斑跟踪方法中，步骤【3】中四只象限AD单元的触发时长为步骤【2】计算得到的激光脉冲宽度的1.2-1.5倍。

上述脉冲激光光斑跟踪方法中，步骤【3】中四只象限AD单元的触发时刻比步骤【2】计算得到的激光脉冲来临时刻提前大于10ns。

上述脉冲激光光斑跟踪方法中，步骤【2】中n＝2-10。

本发明具有的有益技术效果如下：

一、本发明的光斑跟踪器先对照射激光的前几个脉冲进行全时段的采集处理，获取了重频激光在当时的大气条件下的光脉冲的起始时刻、脉宽和周期，计算得到了后续脉冲的达到时刻和脉冲宽度，并将其用于后续四象限探测器的同步触发，并特意设置触发脉冲的宽度略大于激光脉宽，时刻略有提前，确保后续的光脉冲只在有效的光脉冲内进行采集。对于脉宽10-20ns、重复频率1-50Hz的激光脉冲而言，有效的光脉冲信号占比很小，采集时长和数据量大大减少，这样就可以减小电路和存储器的开销，减小高速AD的工作发热，并利于后续对数据处理从而实时光斑显示。这种工作方式无需要求激光器提供同步触发信号，对不同激光的参数具有一定的适应范围，也满足了大气变化时对光脉冲参数影响下的光斑跟踪要求。

二、本发明在获取光脉冲信号参数时，采用加法器将四象限的脉冲信号汇总后进行处理计算，避免了采用单个象限的光信号计算时由于光斑的位置偏移造成的信号输入偏差，将该汇总后的信号进行数据处理，可大大提高脉冲参数的计算精度，确保后续光斑跟踪的可靠性。

附图说明

图1为本发明光斑跟踪器的组成原理图；

图2为本发明采集处理电路的组成原理图；

图3为本发明采集处理电路的工作时序原理示意图。

1—光斑跟踪器；2—激光发射平台；3—目标；4—发射光束；5—反射光束；6—光学瞄准单元；7—四象限光电探测器；8—采集处理电路；9—图像显示单元；11—激光器；12—反射光斑

具体实施方式

如图1所示，本发明的脉冲激光光斑跟踪器，包括光学瞄准单元6、四象限光电探测器7、采集处理电路8和图像显示单元9，激光器11发出的脉冲激光照射至数km之外的目标3后，其反射光斑12经过光学瞄准单元6入射至四象限光电探测器7上，采集处理电路8对四象限光电探测器7的输出电信号采集处理后在图像显示单元9上进行光斑质心坐标显示；所述的激光器11输出重频脉冲激光，波长为1064nm或532nm，激光输出脉宽为10-20ns、重复频率为1-50Hz。光斑跟踪器的外壳上设置有多维光学调节架，用于瞄准目标上的光斑。光学瞄准单元6和四象限光电探测器7之间设置有与激光波长相匹配的窄带滤光片。

光学瞄准单元6接收目标3上反射的激光脉冲信号，四象限光电探测器6位于光学瞄准单元6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，通过对输出信号的幅值计算，可以得到入射至四象限探测器上光斑坐标位置。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级以上。以四象限光电探测器的中心为坐标O点构建X轴和Y轴坐标，则光斑的质心坐标(x,y)可表示为：

x＝(V_A+V_B-V_C-V_D)/(V_A+V_B+V_C+V_D)

y＝(V_A+V_D-V_B-V_C)/(V_A+V_B+V_C+V_D)

其中V_A、V_B、V_C、V_D分别为四个象限的输出电压信号。

在激光半主动制导武器应用中，需要采用激光跟踪器对照射到目标上光斑进行实时跟踪并显示光斑的位置坐标，持续时间在数十秒左右。由于激光的脉宽10ns级，如果采用高速采集的方式获取光斑的脉冲幅值进而计算得到光斑位置进行实时显示，则需要采样速率高达1GS/s以上高速ADC采样系统，会存在数据量过大、给电路和软件存储带来很大的开销，而且高速AD模块的发热也较高，使得电路比较复杂，对这些数据进行处理和实时显示中，运算数据量过大，最终影响到光斑显示的准确性和实时性。

为了克服以上问题，为此本发明对激光的脉冲特点进行了深入分析，以重频10Hz、脉宽为10ns为例，整个有效脉冲仅占整个脉冲时长的1/10⁷，如果只对这个有效脉冲进行高速采集，则数据量和采集时间会大大减小，因此需要提供一个高速AD的触发信号，使得在光脉冲来临之前触发AD进行采集，有效脉冲完毕后则停止AD采集。考虑到在数十秒的工作时间段内大气传输特性的变化可以忽略，因此本发明提出一种先验采集触发方案，事先全时段完整采集前n个激光脉冲，用于计算重频激光器的脉宽t、周期T和脉冲前沿的时刻t0，然后根据计算结果，设定后续脉冲的采集时刻和时长，进而达到只在有效脉冲时刻进行高速采集的目的。实际处理中，如果采用其中某一个象限上的AD进行先验采集，则容易出现光斑位置偏移照射时带来该象限上信号缺失，故将4个象限的输出信号叠加后进行计算，确保了先验采集的有效性。

如图2所示，采集处理电路8包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器7四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元，其中四只象限AD单元分别是A象限AD、B象限AD、C象限AD、D象限AD。核心控制单元为单片机或FPGA，包括处理器、存储器和若干I/o端口。

A、B、C、D四个象限的输出信号经过调理放大至合适的幅值，分成两路，一路进入加法器进行信号叠加，加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接，采用总信号AD单元对信号进行先验采集。另外一路分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接，先验采集结束后，正常进行光斑采集处理。

A象限AD、B象限AD、C象限AD、D象限AD以及总信号AD单元的输出端联接至核心控制单元FPGA的GTX端口，A象限触发、B象限触发、C象限触发、D象限触发以及总信号AD触发端则联接至核心控制单元的I/o端口。核心控制单元中的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲前沿的起始时刻t0、脉宽t和周期T，再根据处理结果设定后续脉冲的触发时刻和时长，然后同步触发A象限AD、B象限AD、C象限AD、D象限AD进行采集转换，核心控制单元将转换数据存储在存储器中，并在图像显示单元9上进行光斑质心坐标实时显示，直到接收到光斑跟踪停止指令。其中光斑跟踪的启停指令可以通过如图2所示的I/o端口进行下达，比如高电平为光斑跟踪，低电平为停止光斑跟踪等，该信号来源于激光发射同步信号或者指挥控制信号。

图3给出了采集处理电路的工作时序原理示意图。当接收到光斑追踪指令后，总AD触发时序由低电平转为高电平，其中高电平的持续时间根据激光脉冲的时间特性而定，一般需要2-10个脉冲的时长，也就是核心控制单元与总信号AD单元的触发端联接的触发端口由低电平变化为高电平，触发总信号AD单元对加法器的信号进行连续采集，采集的数据进入核心控制单元，经过处理器对前n个脉冲的时序统计计算后，获取激光脉冲的起始时刻、脉宽和周期，然后估算得到该大气条件所在的时段内后续脉冲到来的时刻和脉冲宽度。再设定四只象限AD单元的采集时刻和时长，确保只对光脉冲到来的信号进行同步采集，比如计算得到后续脉冲的脉宽为t，实际设定时可以加长至t1，其中t1＝(1.2-1.5)t；触发采集的时刻也比计算得到的时刻提前大于10ns，比如15ns，其目的是确保将有效光信号进行全部采集获取，然后核心控制单元将转换数据存储在存储器中，并在图像显示单元9上进行光斑质心坐标实时显示，直到接收到光斑跟踪停止指令。

对于采集到的A、B、C、D四个象限的四路数字信号，核心控制单元FPGA得到VA、VB、VC、VD分别为四个象限的输出电压信号以及对应的时间关系后，进行光斑位置计算，光斑的质心坐标(x,y)可表示为：

x＝(V_A+V_B-V_C-V_D)/(V_A+V_B+V_C+V_D)

y＝(V_A+V_D-V_B-V_C)/(V_A+V_B+V_C+V_D)。

核心控制单元FPGA将光斑坐标、激光频率、峰值功率、脉宽等数据信息，按照激光脉冲频率相同的刷新速率(1-50Hz)发送至图像显示单元9，其中光斑坐标以十字叉或者菱形符号表示在图像显示单元9的坐标位置上，这样可保证光斑显示的结果与实际光脉冲时间完全同步，并实现光斑位置和参数显示，从而为武器的打击提供了准确的光斑跟踪参数。

本发明给出了脉冲激光光斑跟踪器进行激光光斑跟踪方法，包括以下步骤：

【1】系统加电，自检，采集电路和四象限探测器准备。

【2】当光斑跟踪器接收到光斑跟踪开始指令后，核心控制单元发出触发指令至总信号AD单元的触发端，触发总信号AD单元进行AD转换，并对开始指令后的前n个激光脉冲数据进行处理，获得激光脉冲信号的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，并计算得到后续激光脉冲来临时刻；

【3】在第n+1个脉冲来临之前，核心控制单元发出触发时长大于激光脉宽、且触发时刻提前于脉冲到来时刻的触发指令至四只象限AD单元的触发端，同步触发四只象限AD单元采集获取光脉冲信号；

【4】核心控制单元将光脉冲信号数据存储在存储器中，并在图像显示单元9上进行光斑质心坐标显示；

【5】重复步骤【3】-【4】，直到光斑跟踪器接收到光斑跟踪结束的指令。

本发明的处理方法中，4只AD只对有效光脉冲信号进行高速采集。对于脉宽10-20ns、重复频率1-50Hz的激光脉冲而言，有效的光脉冲信号占比很小，这样采集时长和数据量大大减少，从而可以减小电路和存储器的开销，减小高速AD的工作发热，并利于后续对数据传输处理从而实时光斑显示。

需要说明的是，本发明在采集前需要对激光脉冲时序特性进行先验测量和统计计算，获取激光的时序参数，这是因为即使是已知参数的激光，受到当时大气传输的影响，到达探测器上的时序参数也不相同，采用先验测量计算的方法，可以确保在当时一小段大气基本稳定时间内，获取样本参数，并根据样本参数进行后续AD的参数调节，确保获取有效光脉冲信号，从而克服了当时大气环境对激光脉冲特性的影响，对不同激光的参数也具有一定的适应性。

Claims (4)

1.一种脉冲激光光斑跟踪方法，其特征在于，包括以下步骤：

【1】脉冲激光光斑跟踪器加电，自检；

所述的激光光斑跟踪器，包括光学瞄准单元(6)、四象限光电探测器(7)、采集处理电路(8)和图像显示单元(9)，激光器(11)发出的脉冲激光照射至目标(3)后，其反射光斑(12)经过光学瞄准单元(6)入射至四象限光电探测器(7)上，采集处理电路(8)对四象限光电探测器(7)的输出电信号采集处理后在图像显示单元(9)上进行光斑质心坐标实时显示；所述的激光器(11)输出重频脉冲激光；激光输出脉宽为10-20ns、重复频率为1-50Hz；

所述的采集处理电路(8)包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器(7)四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元；核心控制单元包括处理器、存储器和若干端口；加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接；四只调理放大单元的输出端分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接；总信号AD单元的输出端和触发端、四只象限AD单元的输出端和触发端分别与核心控制单元的端口联接；

核心控制单元的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元对前几个激光脉冲信号进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，根据处理结果设定触发时刻和触发时长，再同步触发四只象限AD单元进行采集转换；其中触发时长为计算得到的激光脉冲宽度的1.2-1.5倍，触发时刻比计算得到的激光脉冲来临时刻提前时间大于10ns；总信号AD单元和四只象限AD单元的采样频率不小于1GS/s；

核心控制单元将转换数据存储在存储器中，并在图像显示单元(9)上进行光斑质心坐标及相关参数的实时显示，直到接收到光斑跟踪停止指令；

【2】当光斑跟踪器接收到光斑跟踪开始指令后，核心控制单元发出触发指令至总信号AD单元的触发端，触发总信号AD单元进行AD转换，并对开始指令后的前n个激光脉冲数据进行处理，获得激光脉冲信号的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，并计算得到后续激光脉冲来临时刻；

【3】在第n+1个脉冲来临之前，核心控制单元发出触发时长大于激光脉宽、且触发时刻提前于脉冲到来时刻的触发指令至四只象限AD单元的触发端，同步触发四只象限AD单元采集获取光脉冲信号；

【4】核心控制单元将光脉冲信号数据存储在存储器中，并在图像显示单元上进行光斑质心坐标显示；

【5】重复步骤【3】-【4】，直到光斑跟踪器接收到光斑跟踪结束的指令；

其中n＝2-10。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲激光光斑跟踪方法，其特征在于：光斑质心坐标的显示频率与激光脉冲的频率一致。

3.根据权利要求1所述的一种脉冲激光光斑跟踪方法，其特征在于：光斑跟踪器的外壳上设置有用于瞄准光斑的多维光学调节架。

4.根据权利要求1所述的一种脉冲激光光斑跟踪方法，其特征在于：光学瞄准单元(6)和四象限光电探测器(7)之间设置有与激光波长相匹配的窄带滤光片。

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