CN111337945A - 一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达 - Google Patents

Abstract

一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，包括：红外场镜、摆扫镜驱动电路、红外处理电路、红外探测器、红外望远镜、补偿摆扫镜、滑环、二维转台、转台驱动电路和接口电路；转台驱动电路驱动二维转台的转动并将位置信号通过接口电路反馈给计算机；摆扫镜驱动电路驱动补偿摆扫镜在方位和俯仰两个方向进行摆动，被红外望远镜光学放大的图像依次经过补偿摆扫镜和红外场镜后，由红外探测器采集并传输至红外处理电路，红外处理电路将处理后的图像信号传输至计算机，还发送控制信号和同步信号至摆扫镜驱动电路和转台驱动电路。本发明采用二维补偿摆扫镜，使光电雷达可进行螺旋线扫描，实现了高分辨率成像，并消除了俯仰轴抬高过程中的不正常成像。

Description

一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达

技术领域

本发明属于光电雷达领域，具体涉及一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达。

背景技术

光电雷达是用光电技术实现雷达效果的一种装备，它利用红外和可见光探测器被动地发现目标，探测器承载在转台上进行快速360°的连续扫描。由于光电雷达是连续转动，不是转一下停一下，所以探测器会出现由于图像拖尾导致的模糊现象。为了消除图像拖尾，针对于制冷红外探测器一般采用像方一维补偿摆镜，针对于非制冷红外探测器一般采用物方一维补偿摆镜。通过补偿摆镜的反向转动，可以使探测器在一帧内图像相对静止，从而消除图像拖尾。

在无人机反制应用中，制冷光电雷达以其无辐射、探测距离远、所见即所得、可探测所有目标类型的特点越来越受到重视。但由于无人机体积小、机身和背景温度相差不大，制冷光电雷达要探测远距离无人机就需要压缩视场角。视场角越小，导致光电雷达在俯仰方向上可观察的范围就越小。为了增大俯仰方向上可观察范围，即垂直视场角，通常光电雷达采用垂直视场拼接的方法：方位每转一圈后抬高一下俯仰角，形成若干个俯仰角不同的、可垂直拼接的高分辨率全景图像。但该方法存在一个问题：在俯仰轴抬高的过程中必然造成不正常的成像，因为补偿摆镜是一维的，其只能补偿水平方向上的拖尾。

发明内容

本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达。通过采用二维补偿摆扫镜，使制冷光电雷达可进行螺旋线扫描，以消除俯仰轴抬高过程中的不正常的成像。这种二维补偿摆扫镜在方位（X）和俯仰（Y）两个方向上同时对拖尾进行补偿，该方法不但适合于制冷红外探测器的像方补偿，也适用于非制冷红外探测器的像方补偿。本发明针对制冷红外探测器的像方补偿进行阐述，但其原理同样适用于非制冷红外探测器的像方补偿。

本发明改变传统的方位每转一圈后抬高一下俯仰角的方式，采用方位轴和俯仰轴联动的方式：方位轴匀速转动一圈，同时俯仰轴匀速的抬高一个角度ΔH；方位轴匀速转动两圈，同时俯仰轴匀速的抬高2×ΔH，这样形成一个等距的螺旋线扫描。采用二维补偿摆扫镜后，可以同时在方位和俯仰两个方向上补偿拖尾，就不存在成像不正常的现象。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于，包括：红外场镜0、摆扫镜驱动电路1、红外处理电路2、红外探测器3、红外望远镜4、补偿摆扫镜5、滑环6、二维转台7、转台驱动电路8和接口电路9；接口电路9外接计算机，计算机通过接口电路9对转台驱动电路8和红外处理电路2进行控制，转台驱动电路8用于驱动二维转台7的转动并将转动的位置信号通过接口电路9反馈给计算机；红外场镜0、摆扫镜驱动电路1、红外处理电路2、红外探测器3、红外望远镜4、补偿摆扫镜5和滑环6均安装在二维转台7上，摆扫镜驱动电路1用于驱动补偿摆扫镜5在方位和俯仰两个方向进行摆动，补偿摆扫镜5布置在红外望远镜4和红外场镜0之间，被红外望远镜4光学放大的图像依次经过补偿摆扫镜5和红外场镜0后，由红外探测器3采集图像信号并传输至红外处理电路2，红外处理电路2将处理后的图像信号通过滑环6和接口电路9传输至计算机，红外处理电路2还发送控制信号和同步信号至摆扫镜驱动电路1和转台驱动电路8，以实现红外探测器3、补偿摆扫镜5和二维转台7的同步工作。

为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：

进一步地，转台驱动电路8包括SRAM1芯片103、SRAM2芯片104、FPGA芯片105、配置芯片106、传感信号隔离107、开关信号隔离108、电流采样器110、111、转台电机112、光电编码器113和功率场效应管114～119，其中转台电机112采用三相永磁同步电机；红外处理电路2发送的控制信号101和同步信号102进入FPGA芯片105，FPGA芯片105进行处理并生成PMW信号，PMW信号经过开关信号隔离108隔离干扰后传输至功率场效应管114～119，六个功率场效应管114～119两两成组形成三组，分别连接至转台电机112的三个绕组，PMW信号通过控制三组功率场效应管的通断，给转台电机112的不同绕组提供电流，进而控制转台电机112的转动，转台电机112用于驱动二维转台7的转动；光电编码器113用于检测转台电机112的位置，检测的位置信号经过传感信号隔离107隔离干扰后传输至FPGA芯片105；电流采样器110、111用于采集转台电机112各绕组的电流信号，电流信号经过传感信号隔离107隔离干扰后传输至FPGA芯片105；FPGA芯片105对光电编码器113检测的位置信号和电流采样器110、111采集的电流信号进行处理，并反馈给接口电路9；FPGA芯片105还连接有配置芯片106、SRAM1芯片103和SRAM2芯片104。

进一步地，补偿摆扫镜5包括一维摆扫镜80、音圈电机一81、壳体82、柔性铰链一83、传感器反射镜84、光电四象限仪85、激光器86、音圈电机二87和柔性铰链二155，其中一维摆扫镜80包括工作面反射镜152、一维摆扫电机153和一维角度传感器154；工作面反射镜152安装在一维摆扫电机153上，由一维摆扫电机153推挽做方位转动，一维角度传感器154用于测量方位位置信号；音圈电机一81和音圈电机二87安装在一维摆扫电机153上，工作面反射镜152由音圈电机一81和音圈电机二87推挽做俯仰转动；一维摆扫电机153上还安装有柔性铰链一83和柔性铰链二155，壳体82的两端分别通过柔性铰链一83和柔性铰链二155与一维摆扫电机153相连；传感器反射镜84固定在一维摆扫电机153上，光电四象限仪85和激光器86固定在壳体82上，激光器86发射激光到传感器反射镜84并反射到光电四象限仪85，通过光电四象限仪85检测工作面反射镜152的俯仰转动角度。

进一步地，光电四象限仪85包括传感器信号输出接口90、光电传感器91和光电四象限仪采样电路；传感器反射镜84反射激光93到光电传感器91上形成激光光斑92，在光电传感器91的每个象限上产生电流，四路电流信号通过传感器信号输出接口90输出至光电四象限仪采样电路，光电四象限仪采样电路根据电流信号生成传输给摆扫镜驱动电路1的光斑位置信号以及控制激光器86亮度的LED信号。

进一步地，光电四象限仪采样电路包括FPGA芯片109、AGC电路120、LED信号输出接口122、传感器信号输入接口123、I-V转换电路124～127、ADC芯片128～131、Y方向DAC芯片133和Y方向模拟信号输出接口134；通过传感器信号输出接口90输出的四路电流信号通过传感器信号输入接口123分别进入四个I-V转换电路124～127，I-V转换电路124～127将四路电流信号转换为四路电压信号；一方面，四路电压信号分别经过四个ADC芯片128～131采样后进入FPGA芯片109，FPGA芯片109隔离掉X方向的信号后计算出Y方向的光斑位置信号，光斑位置信号经过Y方向DAC芯片133进行数模转换后，从Y方向模拟信号输出接口134输出到摆扫镜驱动电路1；另一方面，四路电压信号进入AGC电路120，在AGC电路120中做加法和自动增益调整，之后通过LED信号输出接口122输出控制激光器86亮度的LED信号。

进一步地，摆扫镜驱动电路1包括DAC芯片135、陷波器136、驱动芯片137、电流采样器140、比例和积分模块141、微分模块142、比例模块143、积分模块144、加法器145、差分模块146、传感器位置输入接口147、控制信号输入接口148、同步信号输入接口149和FPGA芯片150；FPGA芯片150通过控制信号输入接口148和同步信号输入接口149分别接收红外处理电路2发送过来的控制信号和同步信号，FPGA芯片150对两路信号进行处理并通过DAC芯片135生成模拟控制波形，FPGA芯片150还通过传感器位置输入接口147接收光电四象限仪采样电路和一维角度传感器154采集的位置信号，模拟控制波形和传感器位置输入接口147输入的位置信号在差分模块146中进行差分，差分后得到的位置信号分别进入积分模块144和比例模块143进行积分和比例运算；驱动芯片137用于给补偿摆扫镜5中的电机供电，包括音圈电机一81、音圈电机二87和一维摆扫电机153；电流采样器140采集补偿摆扫镜5中电机的电流信号，一方面，电流信号进入微分模块142，与分别进行积分和比例运算后的位置信号在加法器145中相加，用于对位置信号进行调节，相加后的位置信号经过陷波器136进行谐振频率过滤；另一方面，电流信号进入比例和积分模块141进行PI运算，PI运算后的电流信号与谐振频率过滤后的位置信号一并进入驱动芯片137，形成驱动芯片137的控制波形，用于驱动电机以指定的波形进行运动。

进一步地，红外处理电路2包括探测器驱动信号输出接口10、SRAM1芯片11、SRAM2芯片12、视频信号输出接口13、FPGA芯片15、配置芯片16、NAND FLASH芯片17、探测器模拟输入接口18、信号调理电路19、探测器控制信号输出接口20、ADC芯片21和探测器驱动电路22；计算机通过接口电路9发送控制信号14至FPGA芯片15，用于参数配置，同时FPGA芯片15输出控制信号和同步信号99至转台驱动电路8和摆扫镜驱动电路1；红外探测器3采集的图像信号通过探测器模拟输入接口18输入，经过信号调理电路19后被ADC芯片21数字化，FPGA芯片15对数字化信号进行红外图像处理和目标检出后生成数字图像信号，数字图像信号通过视频信号输出接口13输出；FPGA芯片15通过探测器控制信号输出接口20为红外探测器3提供数字通信接口，FPGA芯片15控制探测器驱动电路22给红外探测器3提供精确的模拟偏压，并通过探测器驱动信号输出接口10输出；FPGA芯片15还连接有配置芯片16、NAND FLASH芯片17、SRAM1芯片11和SRAM2芯片12。

本发明的有益效果是：当光电雷达以螺旋线扫描时，通过采用二维补偿摆扫镜，可以同时在方位和俯仰两个方向上补偿图像拖尾，消除了在俯仰轴抬高的过程中成像不正常的现象，得到高分辨率的全景图像。

附图说明

图1是本发明的光电雷达组成示意图。

图2是本发明的图像拖尾补偿示意图。

图3是本发明的垂直视场拼接示意图。

图4是本发明的俯仰轴抬起示意图。

图5是本发明的俯仰轴抬起导致图像模糊示意图。

图6是本发明的螺旋线扫描示意图。

图7是本发明的相邻两帧角度变化示意图。

图8是本发明的补偿摆扫镜扫描示意图。

图9是本发明的转台驱动电路示意图。

图10是本发明的转台电机速度控制示意图。

图11是本发明的转台电机角度控制示意图。

图12是本发明的补偿摆扫镜示意图。

图13是本发明的补偿摆扫镜结构示意图。

图14是本发明的补偿摆扫镜中光电四象限仪示意图。

图15是本发明的光电四象限仪采样电路示意图。

图16是本发明的摆扫镜驱动电路示意图。

图17是本发明的红外处理电路示意图。

图18是本发明的FPGA控制示意图。

图19是本发明的二维转台、补偿摆扫镜、红外时序示意图。

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示的光电雷达系统，包括红外场镜0、摆扫镜驱动电路1、补偿摆扫镜5、红外望远镜4、红外探测器3、红外处理电路2、二维转台7、滑环6、转台驱动电路8、接口电路9。系统的典型参数如下：

探测器分辨率：640×512；

探测器帧频：120Hz；

探测器信号输出形式：卷帘输出；

水平视场角：9°；

垂直视场角：7.2°；

望远镜倍数：3x。

二维补偿摆扫镜的参数如下：

快轴扫描频率：≥100Hz@±7°（机械角）；

摆扫角度：≥±8°（机械角）；

扫描效率：≥85%。

二维转台的参数如下：

方位角度：360°×n；

俯仰角度：-20°～+60°；

方位最大转速：120rpm；

俯仰最大转速：30rpm。

如图2所示的图像拖尾补偿原理，包括红外场镜0、补偿摆扫镜5、移动位置的补偿摆扫镜69、主光线67、移动位置的主光线68、二维转台7、补偿镜的转动方向72、转台的转动方向71、第一透镜组151、第二透镜组156。其中第一透镜组151和第二透镜组156属于红外望远镜4，两者的焦点重合，第一透镜组151的焦距记作f1，第二透镜组156的焦距记作f2。当补偿摆扫镜5以f1/（2×f2）的转台速度进行转动，并且和转台转动方向相反时，图中主光线68就保持方向不变，这是图像拖尾补偿的基本原理。

如图3所示的垂直视场拼接示意图，包括上一行第1帧图像38、上一行第2帧图像39、上一行第3帧图像40、上一行第18帧图像44、下一行第1帧图像41、下一行第2帧图像42、下一行第3帧图像43、下一行第18帧图像45。当传统的光电雷达进行垂直视场拼接时将形成上一行和下一行略有重叠的两行图像。

如图4所示的俯仰轴抬起示意图，包括上一行第1帧图像38、上一行第2帧图像39、上一行第3帧图像40、上一行第18帧图像44、下一行第1帧图像41、下一行第2帧图像42、下一行第3帧图像43、下一行第18帧图像45以及俯仰轴转动角度指示线52。平时俯仰轴保持不动，当需要扫描另一行时，俯仰轴抬高一个角度。

如图5所示的俯仰轴抬起导致图像模糊示意图，包括上一行第18帧图像44、下一行第1帧图像41、下一行第2帧图像42、下一行第3帧图像43以及在抬起过程中的过渡帧46～51。由于过渡帧46～51既有方位方向的偏移又有俯仰方向的偏移，而传统光电雷达只有一维补偿能力，所以造成图像的不正常显示。为了解决过渡帧不能正常显示的问题，本发明采用了二维补偿镜，可以同时对方位方向和俯仰方向的图像偏移进行补偿，并形成螺旋线的扫描形状，如图6所示。

如图7所示的相邻两帧角度变化示意图，每帧的水平视场角为7.2°、垂直视场角9°。相邻两帧水平视场角变化为6°，垂直视场角变化为8.4°，为了满足图像拼接的需要，给水平视场图像留下0.6°的重叠区，垂直视场图像留下0.3°的重叠区。

如图8所示的补偿镜扫描示意图，包括补偿镜扫描曲线53、积分采样时间75、数据读出时间76、回程扫描区77、正程扫描区78、扫描周期79。由于制冷红外存在积分采样时间75以及采用卷帘信号输出导致的数据读出时间76，所以要使探测器输出图像不拖尾，就得使用补偿镜正程扫描进行补偿。在探测器IWR（Integrate While Read Mode）模式下，数据输出和积分时间基本重合。扫描补偿使得图像凝视目标的时间为8.3ms（帧频的周期），为了留有一定的余量，正程扫描区78设定为8.3ms。由于补偿镜的扫描效率为85%，所以回程扫描区77为1.5ms，扫描周期79为10ms。由此可知，补偿扫描镜的帧频是1s/10ms=100Hz。

由于相邻两帧水平视场角变化为6°，所以水平每转一圈需要拍摄360°/6°=60幅图像，又由于1幅有效图像周期为10ms，那么水平旋转一圈的时间为60×10ms=0.6s。

通过上述论述可知，转台方位匀速转动速度是：6°/10ms。在俯仰方向上，对每一幅图像而言，俯仰抬升的角度为8.4°/60=0.14°，转台俯仰匀速转动速度是：0.14°/10ms。由于是像方扫描，存在望远镜的光学放大，补偿镜转速是f1/（2×f2）转台速度。另外因为转台改变的是光学角，而补偿镜改变的是机械角，存在2倍的关系。所以二维补偿摆扫镜水平方向以9°/10ms的速度进行正程摆扫，同时俯仰方向以0.21°/10ms的速度进行正程摆扫，可消除两轴拖尾现象。

由于回程扫描时间是非补偿时间，所以只需在正程扫描进行补偿，水平补偿的光学角度为6°×85%=5.1°，机械角为2.55°。俯仰补偿的光学角度为0.14°×85%=0.119°，机械角为0.0595°。所以二维补偿摆镜水平方向摆动范围是±1.6°，俯仰方向摆动范围是±0.02975°。

如图9所示的转台驱动电路8示意图，包括SRAM1芯片103、SRAM2芯片104、FPGA芯片105、控制信号101、同步信号102、配置芯片106、传感信号隔离107、开关信号隔离108、功率场效应管114～119、电流采样器110和111、转台电机112、光电编码器113。转台电机112在同步信号102的控制下匀速转动，转台的方位和俯仰电机采用标准三相永磁同步电机。FPGA芯片105通过开关信号隔离108去控制功率场效应管114～119的通断给线圈提供电流，并控制电流方向。采用光电编码器113得到位置信号，并通过“M法”测定当前速度。

如图10、图11所示的转台电机速度、角度控制示意图，包括角度PI模块66、速度PI模块54、力矩PI模块55、Park逆变换模块56、Clarke逆变换模块57、三相逆变器模块58、PMSM电机61、位置信号模块62、Park变换模块59、Clarke变换模块60、dθ/dt模块63、idr=0模块64、磁通PI模块65。转台的方位和俯仰电机采用标准三相永磁同步电机，使用FOC（Field-Oriented Control）进行矢量力矩控制，实现电机的精确同步转动。

电机驱动器通过控制功率场效应管的通断给线圈提供电流，并控制电流方向，从而使永磁体转子跟随磁场方向变化而转动。由于定子电流i和角速度ω之间存在非线性耦合，无法直接在电流和角速度上进行控制。FOC的控制原理是把这种非线性耦合通过Park变换模块59、Clarke变换模块60以及Park逆变换模块56、Clarke逆变换模块57转换为q轴力矩和d轴磁通的线性关系，并通过idr=0模块64把对应d轴磁通设置为零，从而消除外向力矩。

如图12、13所示的补偿摆扫镜5及其结构示意图，包括一维摆扫镜80、音圈电机一81、音圈电机二87、壳体82、柔性铰链一83、传感器反射镜84、激光器86、光电四象限仪85、工作面反射镜152、柔性铰链二155、一维摆扫电机153、一维角度传感器154。由上述计算可知，二维摆扫镜的方位电机速度较高、角度较大，而俯仰电机速度较小、角度较小，所以本发明在方位上采用传统的一维摆扫镜，以保证速度和角度；在俯仰上采用音圈电机快反镜的形式，保证精度和力矩。一维摆扫镜80由音圈电机一81和音圈电机二87推挽做俯仰转动。音圈电机包括不动的线圈部分和运动的磁缸部分，线圈部分与壳体82相连，磁缸部分与一维摆扫电机153的外壳相连，这样在磁缸的推动下，一维摆扫电机153带动工作面反射镜152进行俯仰转动。两个柔性铰链的设置是为了避免工作面反射镜152在音圈电机的作用下产生方位方向上的偏移。固定在壳体82上的激光器86发出一束激光到传感器反射镜84，并反射到光电四象限仪85，从光电四象限仪85可以感知工作面反射镜152的转动角度。

如图14所示的补偿摆扫镜5中光电四象限仪85示意图，包括传感器信号输出接口90、光电传感器91、激光93、激光光斑92。当激光光斑92照射到光电传感器91时，会在光电传感器91的每个象限上产生电流I1、I2、I3、I4。则方位上移动的归一化距离为[（I1+I2）-（I3+I4）]/（I1+I2+I3+I4），俯仰上移动的归一化距离为[（I2+I4）-（I1+I3）]/（I1+I2+I3+I4）。在本发明中只用俯仰距离，不用方位距离。

如图15所示的光电四象限仪采样电路示意图，包括AGC电路120、LED信号输出接口122、传感器信号输入接口123、I-V转换电路124～127、ADC芯片128～131、FPGA芯片109、Y方向DAC芯片133、Y方向模拟信号输出接口134。该电路把光电四象限仪85的四个电流转换为电压，这四个电压信号一方面经ADC芯片128～131采样后进入FPGA，分开X方向的信号后做光斑位置计算；另一方面进入AGC电路120，在AGC中做加法后去控制激光器的亮度，使激光器的亮度保持恒定。最后得到的光斑位置信号经Y方向DAC芯片133进行数模转换，从Y方向模拟信号输出接口134送出。

如图16所示的摆扫镜驱动电路1示意图，包括同步信号输入接口149、FPGA芯片150、DAC芯片135、控制信号输入接口148、传感器位置输入接口147、差分模块146、积分模块144、比例模块143、微分模块142、加法器145、陷波器136、驱动芯片137、电流采样器140、比例和积分模块141。摆扫镜驱动电路1在同步信号的控制下工作，该电路需要两块，分别控制补偿摆扫镜5的方位电机（一维摆扫电机153）和俯仰电机（音圈电机一81和音圈电机二87），即当传感器位置输入接口147输入的是Y方向模拟信号输出接口134送出的光斑位置信号时，对应的电机就是音圈电机一81和音圈电机二87；当传感器位置输入接口147输入的是一维角度传感器154采集的方位转动角度时，对应的电机就是一维摆扫电机153。图中只给出了针对俯仰方向的电路，电机是音圈电机一81和音圈电机二87，实际上有两套电路，分别对应于X方向和Y方向的位置信号。FPGA芯片150在同步信号的作用下生成模拟控制波形，该波形和通过传感器位置输入接口147输入的位置信号先左差分，差分后的位置信号分别做积分和比例运算，并和电流信号的微分一块送入加法器145，再经过陷波器136去控制驱动芯片137的输入。为了提高响应速度，在电流采样器140后增加了比例和积分模块141，形成电流环反馈。

如图17所示的红外处理电路2示意图，包括探测器驱动信号输出接口10、SRAM1芯片11、SRAM2芯片12、视频信号输出接口13、控制信号14、配置芯片16、NAND FLASH芯片17、FPGA芯片15、探测器驱动电路22、ADC芯片21、信号调理电路19、探测器模拟输入接口18、探测器控制信号输出接口20、同步信号99。探测器驱动电路22负责给红外探测器3提供精确的模拟偏压，探测器控制信号输出接口20为红外探测器3提供数字通信接口。当探测器模拟偏压产生，并配置好红外探测器3的各个寄存器后，红外探测器3就可正常工作。红外探测器3输出的模拟信号经过信号调理电路19后被ADC芯片21数字化，数字信号进入FPGA芯片15，经过红外图像处理和目标检出后输出数字图像信号。

如图18所示的红外处理电路2中的FPGA控制示意图，包括SRAM1接口23、SRAM2接口24、SRAM1读写控制25、SRAM2读写控制26、ADC信号接口36、红外图像处理35、目标检出37、NIOS控制器27、控制信号接口28、图像输出处理33、FLASH读写控制32、FLASH坏块处理29、视频输出接口34、NAND FLASH接口31、配置芯片接口30、同步信号接口100。FPGA负责红外图像处理和目标检出。

根据上述论述，本发明的红外控制、补偿镜控制、转台电机控制已经阐述清楚。接下来说明这三部分如何协调工作。如图19所示的二维转台、补偿摆扫镜、红外时序示意图，包括角度轴95、时间轴96、同步信号一74、同步信号二97、同步信号三98、扫描周期时间94、补偿镜方位角度曲线53、转台方位角度曲线73。设置红外的场同步频率为100Hz，并把该信号作为同步信号，如图同步信号一74、同步信号二97、同步信号三98，此时扫描周期时间94为10ms。在同步信号的控制下，补偿摆扫镜的方位轴按照补偿镜方位角度曲线53转动，转台电机的方位轴按照转台方位角度曲线73转动，补偿摆扫镜和转台电机的俯仰轴同理。通过这种方法实现了红外、补偿镜、转台电机的同步控制。

本发明针对制冷红外探测器的像方补偿进行阐述，但其原理同样适用于非制冷红外探测器的像方补偿。以本发明原理设计的采用像方补偿的非制冷红外光电雷达应视为本发明的保护范围。

需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于，包括：红外场镜（0）、摆扫镜驱动电路（1）、红外处理电路（2）、红外探测器（3）、红外望远镜（4）、补偿摆扫镜（5）、滑环（6）、二维转台（7）、转台驱动电路（8）和接口电路（9）；所述接口电路（9）外接计算机，计算机通过接口电路（9）对转台驱动电路（8）和红外处理电路（2）进行控制，所述转台驱动电路（8）用于驱动二维转台（7）的转动并将转动的位置信号通过接口电路（9）反馈给计算机；所述红外场镜（0）、摆扫镜驱动电路（1）、红外处理电路（2）、红外探测器（3）、红外望远镜（4）、补偿摆扫镜（5）和滑环（6）均安装在二维转台（7）上，摆扫镜驱动电路（1）用于驱动补偿摆扫镜（5）在方位和俯仰两个方向进行摆动，补偿摆扫镜（5）布置在红外望远镜（4）和红外场镜（0）之间，被红外望远镜（4）光学放大的图像依次经过补偿摆扫镜（5）和红外场镜（0）后，由红外探测器（3）采集图像信号并传输至红外处理电路（2），红外处理电路（2）将处理后的图像信号通过滑环（6）和接口电路（9）传输至计算机，红外处理电路（2）还发送控制信号和同步信号至摆扫镜驱动电路（1）和转台驱动电路（8），以实现红外探测器（3）、补偿摆扫镜（5）和二维转台（7）的同步工作。

2.如权利要求1所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述转台驱动电路（8）包括SRAM1芯片（103）、SRAM2芯片（104）、FPGA芯片（105）、配置芯片（106）、传感信号隔离（107）、开关信号隔离（108）、电流采样器（110、111）、转台电机（112）、光电编码器（113）和功率场效应管（114～119），其中转台电机（112）采用三相永磁同步电机；红外处理电路（2）发送的控制信号（101）和同步信号（102）进入FPGA芯片（105），FPGA芯片（105）进行处理并生成PMW信号，PMW信号经过开关信号隔离（108）隔离干扰后传输至功率场效应管（114～119），六个功率场效应管（114～119）两两成组形成三组，分别连接至转台电机（112）的三个绕组，PMW信号通过控制三组功率场效应管的通断，给转台电机（112）的不同绕组提供电流，进而控制转台电机（112）的转动，转台电机（112）用于驱动二维转台（7）的转动；光电编码器（113）用于检测转台电机（112）的位置，检测的位置信号经过传感信号隔离（107）隔离干扰后传输至FPGA芯片（105）；电流采样器（110、111）用于采集转台电机（112）各绕组的电流信号，电流信号经过传感信号隔离（107）隔离干扰后传输至FPGA芯片（105）；FPGA芯片（105）对光电编码器（113）检测的位置信号和电流采样器（110、111）采集的电流信号进行处理，并反馈给接口电路（9）；FPGA芯片（105）还连接有配置芯片（106）、SRAM1芯片（103）和SRAM2芯片（104）。

3.如权利要求1所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述补偿摆扫镜（5）包括一维摆扫镜（80）、音圈电机一（81）、壳体（82）、柔性铰链一（83）、传感器反射镜（84）、光电四象限仪（85）、激光器（86）、音圈电机二（87）和柔性铰链二（155），其中一维摆扫镜（80）包括工作面反射镜（152）、一维摆扫电机（153）和一维角度传感器（154）；工作面反射镜（152）安装在一维摆扫电机（153）上，由一维摆扫电机（153）推挽做方位转动，一维角度传感器（154）用于测量方位位置信号；音圈电机一（81）和音圈电机二（87）安装在一维摆扫电机（153）上，工作面反射镜（152）由音圈电机一（81）和音圈电机二（87）推挽做俯仰转动；一维摆扫电机（153）上还安装有柔性铰链一（83）和柔性铰链二（155），壳体（82）的两端分别通过柔性铰链一（83）和柔性铰链二（155）与一维摆扫电机（153）相连；传感器反射镜（84）固定在一维摆扫电机（153）上，光电四象限仪（85）和激光器（86）固定在壳体（82）上，激光器（86）发射激光到传感器反射镜（84）并反射到光电四象限仪（85），通过光电四象限仪（85）检测工作面反射镜（152）的俯仰转动角度。

4.如权利要求3所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述光电四象限仪（85）包括传感器信号输出接口（90）、光电传感器（91）和光电四象限仪采样电路；传感器反射镜（84）反射激光（93）到光电传感器（91）上形成激光光斑（92），在光电传感器（91）的每个象限上产生电流，四路电流信号通过传感器信号输出接口（90）输出至光电四象限仪采样电路，光电四象限仪采样电路根据电流信号生成传输给摆扫镜驱动电路（1）的光斑位置信号以及控制激光器（86）亮度的LED信号。

5.如权利要求4所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述光电四象限仪采样电路包括FPGA芯片（109）、AGC电路（120）、LED信号输出接口（122）、传感器信号输入接口（123）、I-V转换电路（124～127）、ADC芯片（128～131）、Y方向DAC芯片（133）和Y方向模拟信号输出接口（134）；通过传感器信号输出接口（90）输出的四路电流信号通过传感器信号输入接口（123）分别进入四个I-V转换电路（124～127），I-V转换电路（124～127）将四路电流信号转换为四路电压信号；一方面，四路电压信号分别经过四个ADC芯片（128～131）采样后进入FPGA芯片（109），FPGA芯片（109）隔离掉X方向的信号后计算出Y方向的光斑位置信号，光斑位置信号经过Y方向DAC芯片（133）进行数模转换后，从Y方向模拟信号输出接口（134）输出到摆扫镜驱动电路（1）；另一方面，四路电压信号进入AGC电路（120），在AGC电路（120）中做加法和自动增益调整，之后通过LED信号输出接口（122）输出控制激光器（86）亮度的LED信号。

6.如权利要求4所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述摆扫镜驱动电路（1）包括DAC芯片（135）、陷波器（136）、驱动芯片（137）、电流采样器（140）、比例和积分模块（141）、微分模块（142）、比例模块（143）、积分模块（144）、加法器（145）、差分模块（146）、传感器位置输入接口（147）、控制信号输入接口（148）、同步信号输入接口（149）和FPGA芯片（150）；FPGA芯片（150）通过控制信号输入接口（148）和同步信号输入接口（149）分别接收红外处理电路（2）发送过来的控制信号和同步信号，FPGA芯片（150）对两路信号进行处理并通过DAC芯片（135）生成模拟控制波形，FPGA芯片（150）还通过传感器位置输入接口（147）接收光电四象限仪采样电路和一维角度传感器（154）采集的位置信号，模拟控制波形和传感器位置输入接口（147）输入的位置信号在差分模块（146）中进行差分，差分后得到的位置信号分别进入积分模块（144）和比例模块（143）进行积分和比例运算；驱动芯片（137）用于给补偿摆扫镜（5）中的电机供电，包括音圈电机一（81）、音圈电机二（87）和一维摆扫电机（153）；电流采样器（140）采集补偿摆扫镜（5）中电机的电流信号，一方面，电流信号进入微分模块（142），与分别进行积分和比例运算后的位置信号在加法器（145）中相加，用于对位置信号进行调节，相加后的位置信号经过陷波器（136）进行谐振频率过滤；另一方面，电流信号进入比例和积分模块（141）进行PI运算，PI运算后的电流信号与谐振频率过滤后的位置信号一并进入驱动芯片（137），形成驱动芯片（137）的控制波形，用于驱动电机以指定的波形进行运动。

7.如权利要求1所述的一种基于螺旋线扫描的高分辨率制冷光电雷达，其特征在于：所述红外处理电路（2）包括探测器驱动信号输出接口（10）、SRAM1芯片（11）、SRAM2芯片（12）、视频信号输出接口（13）、FPGA芯片（15）、配置芯片（16）、NAND FLASH芯片（17）、探测器模拟输入接口（18）、信号调理电路（19）、探测器控制信号输出接口（20）、ADC芯片（21）和探测器驱动电路（22）；计算机通过接口电路（9）发送控制信号（14）至FPGA芯片（15），用于参数配置，同时FPGA芯片（15）输出控制信号和同步信号（99）至转台驱动电路（8）和摆扫镜驱动电路（1）；红外探测器（3）采集的图像信号通过探测器模拟输入接口（18）输入，经过信号调理电路（19）后被ADC芯片（21）数字化，FPGA芯片（15）对数字化信号进行红外图像处理和目标检出后生成数字图像信号，数字图像信号通过视频信号输出接口（13）输出；FPGA芯片（15）通过探测器控制信号输出接口（20）为红外探测器（3）提供数字通信接口，FPGA芯片（15）控制探测器驱动电路（22）给红外探测器（3）提供精确的模拟偏压，并通过探测器驱动信号输出接口（10）输出；FPGA芯片（15）还连接有配置芯片（16）、NAND FLASH芯片（17）、SRAM1芯片（11）和SRAM2芯片（12）。

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