CN112665532B - 一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光告警技术领域，具体涉及一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，包括视场压缩系统、半透半反镜、角度粗测模块和角度精测模块，所述视场压缩系统的光路方向上设置有半透半反镜，所述半透半反镜的反射光路上设置角度粗测模块，所述半透半反镜的透射光路上设置有角度精测模块。所述第一后置镜头设置在半透半反镜的反射光路上，所述四象限探测器设置在第一后置镜头的光路方向上，所述四象限探测器通过导线与粗测控制及数据处理电路连接。相比较于现有技术，本发明突破传统激光告警的瓶颈，采用了四象限探测器与二维光栅，成本低且可以实现大视场和高的角度分辨率。本发明用于激光的告警。

Description

一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置

技术领域

本发明属于激光告警技术领域，具体涉及一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置。

背景技术

为实现敌方来袭激光的高精度探测，各国研制的激光告警系统多达几十种，军用激光设备的激光主要工作在0.4～1.6μm波段，现有激光告警技术主要分为光谱识别型和相干识别型。光谱识别型激光测试仪器可分为非成像型和成像型两种类型。非成像型主要通过特定空间分布的光电二极管阵列来确定激光光源的方位，其角度分辨率大小与光电二极管的个数和分布有关，这种测试方法角度分辨率低，并且只能够探测到某些特定波长的激光，分辨不出波长大小，虚警率较高；成像型多采用广角远心鱼眼透镜和CCD或PSD器件等构成的结构，CCD像元尺寸在μm量级的结构特点，使得测试仪器角度分辨率较高，但是也只能探测到特定波长的激光，分辨不出波长大小问题。相干识别型激光测试方法主要利用激光的相干性进行判别，这种方法光学系统复杂，工艺要求高，并且由于形成的干涉图样复杂，数据处理也比较困难。现有光栅衍射型多采用一维光栅，通过0级光位置判别来袭激光方向角和俯仰角，通过0级光和1级光距离测得来袭激光保持，但该方式视场和角度分辨率无法同时提高。

发明内容

针对上述现有激光告警技术分辨不出波长大小、虚警率较高的技术问题，本发明提供了一种成本低、视场大、角度分辨率高的基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，包括视场压缩系统、半透半反镜、角度粗测模块和角度精测模块，所述视场压缩系统的光路方向上设置有半透半反镜，所述半透半反镜的反射光路上设置角度粗测模块，所述半透半反镜的透射光路上设置有角度精测模块。

所述角度粗测模块包括第一后置镜头、四象限探测器、粗测控制及数据处理电路，所述第一后置镜头设置在半透半反镜的反射光路上，所述四象限探测器设置在第一后置镜头的光路方向上，所述四象限探测器通过导线与粗测控制及数据处理电路连接。

所述角度精测模块包括二维光栅、第二后置镜头、面阵探测器、精测控制及数据处理电路，所述二维光栅设置在半透半反镜的透射光路上，所述二维光栅的衍射光路上依次设置有第二后置镜头、面阵探测器，所述面阵探测器通过导线与精测控制及数据处理电路连接。

所述视场压缩系统将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜反射进入第一后置镜头，所述第一后置镜头将光斑成像在四象限探测器上时，所述四象限探测器会将入射光强转化成相应光电流信号输出至粗测控制及数据处理电路，当入射激光的角度发生变化时，所述四象限探测器每个象限对应的光电流就会发生变化，通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测，最终实现入射激光角度的粗测。

所述视场压缩系统将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜透射进入二维光栅，然后经过二维光栅衍射出衍射光，所述衍射光分为x和y方向，所述衍射光经过第二后置镜头汇聚在面阵探测器上形成光斑，通过精测控制及数据处理电路对面阵探测器上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测。

所述通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测的方法为：

当光斑中心位于四象限探测器中心时，各象限输出相等的光电流，当光斑中心偏离其中心时，四个象限上随光斑面积S₁、S₂、S₃、S₄的不同而产生不同的光电流I₁、I₂、I₃、I₄，当光斑能量均匀且忽略时，光电流与光斑在四象限探测器每个象限上所占的面积成正比,当光斑中心偏离四象限探测器中心时，用σ_x和σ_y表示在四象限探测器上光斑在两个方向输出的位置信息，则有：

光斑的中心坐标(x₀,y₀)与光斑相对中心偏移量σ_x和σ_y之间的关系为：

所述k为比例系数，所述k＝4/π·r，所述r为光斑半径，所述光斑半径等于四象限探测器半径的一半；

由于不同方向入射激光所聚焦的光斑在四象限探测器的位置不同，因此根据光斑在x方向的位置可得入射激光方向角，根据光斑在y方向的位置可得激光俯仰角；

根据几何光学理论得出入射激光角度方位角α_粗和俯仰角γ_粗粗测值为：

所述c为视场压缩系统的压缩比，所述l为第一后置镜头到四象限探测器的距离。

所述通过精测控制及数据处理电路对面阵探测器上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测的方法为：

设m和n分别代表入射激光在x和y方向的衍射级次，在x方向由光栅衍射方程得：

再由几何成像理论可知：

同理可得：在y方向，由光栅衍射方程和几何成像理论得到：

由(a)式和(c)式得到：

所述d为二维光栅常数，所述λ为入射激光波长，所述m为激光通过二维光栅在面阵探测器上的x的方向衍射级次，所述n为激光通过二维光栅在面阵探测器上的y的方向衍射级次，所述β_xm为在面阵探测器上x方向的第m级衍射角，所述β_yn为在面阵探测器上y方向的第n级衍射角，所述x(m,n)为面阵探测器上激光第(m,n)级衍射光斑的x坐标值，所述y(m,n)为面阵探测器上激光第(m,n)级衍射光斑的y坐标值；

结合(c)、(d)、(e)式推导出波长λ，将λ代入(a)式得到：

所述Δα_粗表示粗测的角度误差；

根据(f)式，以α_精为变量，以m为函数，m₁和m₂取整数，且abs(m₁-m₂)最小的m为所得的最终m₀，将得到的λ和m₀下式得到最终获得精确的方位角α_精：

同理，通过上述方法获得俯仰角的精确值γ_精：

角度精测模块第二后置镜头的长焦为f₂，只要保证光谱范围最长波长的激光衍射两级在面阵探测器上就可实现角度的精确测量。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明提供的是一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警测试方法，其分为两个模块，一是角度粗测模块，通过提取来自不同方向的激光成像在四象限探测器上的光斑位置来实现激光方位角和俯仰角的粗测。二是角度精测模块，将成像型与二维光栅衍射结合，通过前面的角度粗测模块，获得激光大致角度，再采用二维光栅进行衍射，根据光栅衍射光斑位置以及光栅衍射方程获得激光的精确角度信息。相比较于现有技术，本发明突破传统激光告警的瓶颈，采用了四象限探测器与二维光栅，成本低且可以实现大视场和高的角度分辨率。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的激光方向图；

图3为本发明角度粗测模块原理图；

图4为本发明光斑在四象限探测器上的分布图；

图5为本发明角度精测模块原理图。

其中：1为视场压缩系统，2为半透半反镜，3为角度粗测模块，4为角度精测模块，5为第一后置镜头，6为四象限探测器，7为粗测控制及数据处理电路，8为二维光栅，9为第二后置镜头，10为面阵探测器，11为精测控制及数据处理电路。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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。

一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，如图1所示，包括视场压缩系统1、半透半反镜2、角度粗测模块3和角度精测模块4，视场压缩系统1的光路方向上设置有半透半反镜2，半透半反镜2的反射光路上设置角度粗测模块3，半透半反镜2的透射光路上设置有角度精测模块4。入射激光的方向如图2所示，被测激光OB，OB₁为OB在xOz面的投影，且与z轴的夹角为α；OB₂为OB在yOz面的投影，且与z轴的夹角为γ。入射激光的入射方向也就是测量方位角α角和俯仰角γ角。入射激光经过视场压缩系统1，设压缩比为c，再经过半透半反镜2将激光分为两束光，分别进入角度粗测模块3和角度精测模块4。

进一步，角度粗测模块3包括第一后置镜头5、四象限探测器6、粗测控制及数据处理电路7，第一后置镜头5设置在半透半反镜2的反射光路上，四象限探测器6设置在第一后置镜头5的光路方向上，四象限探测器6通过导线与粗测控制及数据处理电路7连接。

进一步，角度精测模块4包括二维光栅8、第二后置镜头9、面阵探测器10、精测控制及数据处理电路11，二维光栅8设置在半透半反镜2的透射光路上，二维光栅8的衍射光路上依次设置有第二后置镜头9、面阵探测器10，面阵探测器10通过导线与精测控制及数据处理电路11连接。

进一步，如图3所示，视场压缩系统1将入射激光压缩，入射激光经半透半反镜2反射进入第一后置镜头5，第一后置镜头5将光斑成像在四象限探测器6上时，四象限探测器6会将入射光强转化成相应光电流信号输出至粗测控制及数据处理电路7，当入射激光的角度发生变化时，四象限探测器6每个象限对应的光电流就会发生变化，通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测，最终实现入射激光角度的粗测。

进一步，如图5所示，视场压缩系统1将入射激光压缩，入射激光经半透半反镜2透射进入二维光栅8，然后经过二维光栅8衍射出衍射光，衍射光分为x和y方向，衍射光经过第二后置镜头9汇聚在面阵探测器10上形成光斑，通过精测控制及数据处理电路11对面阵探测器10上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测。

进一步，通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测的方法为：

当光斑中心位于四象限探测器中心时，光斑在四象限探测器上的分布如图4所示，各象限输出相等的光电流，当光斑中心偏离其中心时，四个象限上随光斑面积S₁、S₂、S₃、S₄的不同而产生不同的光电流I₁、I₂、I₃、I₄，当光斑能量均匀且忽略时，光电流与光斑在四象限探测器每个象限上所占的面积成正比,当光斑中心偏离四象限探测器中心时，用σ_x和σ_y表示在四象限探测器上光斑在两个方向输出的位置信息，则有：

光斑的中心坐标(x₀,y₀)与光斑相对中心偏移量σ_x和σ_y之间的关系为：

其中：k为比例系数，所述k＝4/π·r，r为光斑半径，光斑半径等于四象限探测器半径的一半。

由于不同方向入射激光所聚焦的光斑在四象限探测器的位置不同，因此根据光斑在x方向的位置可得入射激光方向角，根据光斑在y方向的位置可得激光俯仰角；

根据几何光学理论可得入射激光角度方位角α_粗和俯仰角γ_粗粗测值为：

其中：c为视场压缩系统的压缩比，l为第一后置镜头到四象限探测器的距离。

进一步，通过精测控制及数据处理电路11对面阵探测器10上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测的方法为：

设m和n分别代表入射激光在x和y方向的衍射级次，在x方向由光栅衍射方程得：

再由几何成像理论可知：

同理可得：在y方向，由光栅衍射方程和几何成像理论得到：

由(a)式和(c)式得到：

其中：d为二维光栅常数，λ为入射激光波长，m为激光通过二维光栅8在面阵探测器10上的x的方向衍射级次，n为激光通过二维光栅8在面阵探测器10上的y的方向衍射级次，β_xm为在面阵探测器10上x方向的第m级衍射角，β_yn为在面阵探测器10上y方向的第n级衍射角，x(m,n)为面阵探测器10上激光第(m,n)级衍射光斑的x坐标值，y(m,n)为面阵探测器10上激光第(m,n)级衍射光斑的y坐标值；

系统加工确定后，d、x(m,n)、y(m,n)都为已知量，要想精确获得来袭激光角度方位角α_精和俯仰角γ_精，需要知道λ、m、n，其中λ可由第(m,n)级和(m,n±1)或(m±1,n)级的位置可获得，核心主要是如何获得m和n，该值主要通过前面角度粗测α_粗、γ_粗和λ约束获得。最终精确的方位角α_精、俯仰角γ_精和来袭激光波长主要由以下公式获得，俯仰角、方位角计算方法类似，结合(c)、(d)、(e)式推导出波长λ，将λ代入(a)式得到：

其中：Δα_粗表示粗测的角度误差；

根据(f)式，以α_精为变量，以m为函数，m₁和m₂取整数，且abs(m₁-m₂)最小的m为所得的最终m0，将得到的λ和m0下式得到最终获得精确的方位角α_精：

同理，通过上述方法获得俯仰角的精确值γ_精：

角度精测模块4第二后置镜头9的长焦为f₂，只要保证光谱范围最长波长的激光衍射两级在面阵探测器10上就可实现角度的精确测量。

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：包括视场压缩系统(1)、半透半反镜(2)、角度粗测模块(3)和角度精测模块(4)，所述视场压缩系统(1)的光路方向上设置有半透半反镜(2)，所述半透半反镜(2)的反射光路上设置角度粗测模块(3)，所述半透半反镜(2)的透射光路上设置有角度精测模块(4)；所述角度粗测模块(3)包括第一后置镜头(5)、四象限探测器(6)、粗测控制及数据处理电路(7)，所述第一后置镜头(5)设置在半透半反镜(2)的反射光路上，所述四象限探测器(6)设置在第一后置镜头(5)的光路方向上，所述四象限探测器(6)通过导线与粗测控制及数据处理电路(7)连接；所述角度精测模块(4)包括二维光栅(8)、第二后置镜头(9)、面阵探测器(10)、精测控制及数据处理电路(11)，所述二维光栅(8)设置在半透半反镜(2)的透射光路上，所述二维光栅(8)的衍射光路上依次设置有第二后置镜头(9)、面阵探测器(10)，所述面阵探测器(10)通过导线与精测控制及数据处理电路(11)连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述视场压缩系统(1)将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜(2)反射进入第一后置镜头(5)，所述第一后置镜头(5)将光斑成像在四象限探测器(6)上时，所述四象限探测器(6)将入射光强转化成相应光电流信号输出至粗测控制及数据处理电路(7)，当入射激光的角度发生变化时，所述四象限探测器(6)每个象限对应的光电流就会发生变化，通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测，最终实现入射激光角度的粗测。

3.根据权利要求1所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述视场压缩系统(1)将入射激光压缩，所述入射激光经半透半反镜(2)透射进入二维光栅(8)，然后经过二维光栅(8)衍射出衍射光，所述衍射光分为x和y方向，所述衍射光经过第二后置镜头(9)汇聚在面阵探测器(10)上形成光斑，通过精测控制及数据处理电路(11)对面阵探测器(10)上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测。

4.根据权利要求2所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述通过对四个象限的光电流信号进行算法处理，确定入射激光的光斑的质心位置，从而实现光斑的位置检测的方法为：

当光斑中心位于四象限探测器中心时，各象限输出相等的光电流，当光斑中心偏离其中心时，四个象限上随光斑面积S₁、S₂、S₃、S₄的不同而产生不同的光电流I₁、I₂、I₃、I₄，当光斑能量均匀且忽略时，光电流与光斑在四象限探测器每个象限上所占的面积成正比,当光斑中心偏离四象限探测器中心时，用σ_x和σ_y表示在四象限探测器上光斑在两个方向输出的位置信息，则有：

光斑的中心坐标(x₀,y₀)与光斑相对中心偏移量σ_x和σ_y之间的关系为：

所述k为比例系数，所述k＝4/π·r，所述r为光斑半径，所述光斑半径等于四象限探测器半径的一半；

由于不同方向入射激光所聚焦的光斑在四象限探测器的位置不同，因此根据光斑在x方向的位置可得入射激光方向角，根据光斑在y方向的位置可得激光俯仰角；

根据几何光学理论得出入射激光角度方位角α_粗和俯仰角γ_粗粗测值为：

所述c为视场压缩系统的压缩比，所述l为第一后置镜头到四象限探测器的距离。

5.根据权利要求3所述的一种基于四象限探测器和二维光栅的高精度激光告警装置，其特征在于：所述通过精测控制及数据处理电路(11)对面阵探测器(10)上光斑位置的算法处理，从而实现入射激光的角度精测的方法为：

设m和n分别代表入射激光在x和y方向的衍射级次，在x方向由光栅衍射方程得：

所述c为视场压缩系统的压缩比；

再由几何成像理论可知：

同理可得：在y方向，由光栅衍射方程和几何成像理论得到：

由(a)式和(c)式得到：

所述d为二维光栅常数，所述λ为入射激光波长，所述m为激光通过二维光栅(8)在面阵探测器(10)上的x的方向衍射级次，所述n为激光通过二维光栅(8)在面阵探测器(10)上的y的方向衍射级次，所述β_xm为在面阵探测器(10)上x方向的第m级衍射角，所述β_yn为在面阵探测器(10)上y方向的第n级衍射角，所述x(m,n)为面阵探测器(10)上激光第(m,n)级衍射光斑的x坐标值，所述y(m,n)为面阵探测器(10)上激光第(m,n)级衍射光斑的y坐标值；

结合(c)、(d)、(e)式推导出波长λ，将λ代入(a)式得到：

所述Δα_粗表示粗测的角度误差，所述α_粗为入射激光角度方位角粗测值；

以α_精为变量，以m为函数，m₁和m₂取整数，且abs(m₁-m₂)最小的m为所得的最终m₀，将得到的λ和m₀代入下式最终获得精确的方位角α_精：

以γ_精为变量，以n为函数，n₁和n₂取整数，且记abs(n₁-n₂)最小的n为所得的最终n₀，将得到的λ和n₀代入下式最终获得俯仰角的精确值γ_精：

角度精测模块(4)第二后置镜头(9)的长焦为f₂，只要保证光谱范围最长波长的激光衍射两级在面阵探测器(10)上就可实现角度的精确测量。

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