CN112924987B - 一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，包括二维伺服转台，其特征在于，还包括设置在二维伺服转台上的变焦镜头、定焦镜头、第一InGaAs相机、第二InGaAs相机、激光角度编码器、时序控制模块、激光器、光电探测器、测距电路、分光棱镜、系统控制模块，还公开了一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，实现对未知发射时刻的激光的捕获成像，实现光场可视化。解决了对未知发射时刻的激光光束的捕获成像，角度定位分辨率高，实现激光光场可视化。

Description

一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置及方法

技术领域

本发明涉及光电对抗系统领域，更具体地涉及一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，还涉及一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，可实现对未知发射时刻的激光的捕获成像，实现可视化。

背景技术

激光光场的捕获成像是激光告警技术的重要内容，是光电对抗的重要组成部分。在战场上，谁先发现对方，谁就掌握先机与主动。只有准确获取了来袭激光的特征与方位，才能相应地采取正确的防卫措施，第一时间保护己方安全。在此基础上，根据威胁源的准确位置，可采取有效的反制手段，从而实现对其干扰或摧毁。及时准确地捕获对方激光光场，可提高复杂战场环境中的态势感知能力，增加制胜概率。

目前实现激光捕获与告警装置普遍采用的是非成像器件(一般采用硅光电转换模块)作为探测器件，通过探测器视场分割或在空间位置上放置多个探测器来分辨方向，具有原理简单、成本低、视场范围大等特点。如中国专利CN 109489489A发明了一种大视场激光告警方法及系统，采用的是多个光电转换模块，将光信号转换为电脉冲，然后再进行信号采集与解码分析，降低激光告警系统的虚警率。中国专利CN 106199504 A发明了一种在非成像型激光告警装置中获得来袭激光方位的方法，采用在半球体内的中间和底层分别安装八个非成像型探测器，将来袭激光转换的电流线性变换成电压信号，再通过求方程组最小二乘解的方法进行算法处理，得到激光来袭方位。这些方法采用的是非成像光电转换器件，通过增加探测器的数量或者软件算法来计算激光方向角度，普遍方位分辨率都不高，虚警率难以控制，影响告警功能的正常发挥。而且无法实现激光成像与可视化。

目前采取的另外一种激光告警的方法是采用红外观测卡和可见光CCD装置。这种方法的特点是方位分辨率可以很高，而且在一定条件下可实现激光的可视化。中国专利CN108871568 A发明了基于红外观测卡和可见CCD的红外激光告警装置及方法，采用闪耀光栅、红外观测卡或倍频片或二向色镜将红外衍射光斑转为可见光，结合可见CCD实现二维红外激光告警。该方法为实现对激光的捕获成像，中间加入了可视化转换过程，不可避免会造成一定的能量损耗，系统灵敏度不高。当对方激光能量较弱时，可能难以捕获。最重要的是，由于战场上对方激光的发射时刻未知，任何CCD相机都存在mS级的读出时间，当对方发射的激光是一个或几个nS级的激光脉冲时，极有可能会出现漏测、少测的情况。该专利中对此问题及解决方法未进行说明。

本项目提出一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，采用双相机交替工作机制消除相机读出时间对激光捕获的影响，采用激光角度编码器获取激光发射时刻及方位角，通过时序控制电路完成对相机数据的读出，采用测距电路及激光器完成目标测距，实现对未知发射时刻的激光光束的捕获成像，实现光场可视化。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供了一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，采用双相机交替工作机制消除相机读出时间对激光捕获的影响，采用激光角度编码器获取激光发射时刻及方位角，通过时序控制电路完成对相机数据的读出，采用测距电路及激光器完成目标测距，实现对未知发射时刻的激光的捕获成像，实现光场可视化。

为了实现上述的目的，本发明采用以下技术措施：

一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，包括二维伺服转台，其特征在于，还包括设置在二维伺服转台上的变焦镜头、定焦镜头、第一InGaAs相机、第二InGaAs相机、激光角度编码器、时序控制模块、激光器、光电探测器、测距电路、分光棱镜、系统控制模块，

激光角度编码器响应设定波段的入射光，并对入射光的角度进行编码，输出激光入射角和激光入射时刻到时序控制模块，

经变焦镜头采集的目标回波信号入射第一InGaAs相机，经定焦镜头采集的目标回波信号通过分光棱镜分为透射光和反射光，反射光聚焦于光电探测器的光敏面，激光器和光电探测器与测距电路连接，测距电路与系统控制模块连接，透射光入射第二InGaAs相机，

时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机在成像周期内交替成像，获得成像帧数据，时序控制模块输出激光入射角、激光入射时刻和成像数据帧到系统控制模块。

一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，包括以下步骤：

步骤1、系统控制模块控制二维伺服转台以设定角速度转动扫描或者对设定角度范围进行扫描；

步骤2、时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机在成像周期内交替成像，获得成像帧数据；

步骤3、激光角度编码器检测到激光入射角并获取激光入射时刻，激光角度编码器将激光入射角和激光入射时刻输出到时序控制模块；

步骤4、时序控制模块根据激光入射时刻获得对应的成像帧数据，并将成像帧数据作为有用帧数据发送到系统控制模块；

步骤5、系统控制模块处理有用帧数据，得到来袭激光图像；

步骤6、根据激光源在来袭激光图像上的像素位置、InGaAs相机的像元尺寸、变焦镜头或定焦镜头的焦距，求出激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角和高低角，系统控制模块根据激光源的方位角和高低角，驱动二维伺服转台，将激光器转向激光源方向，系统控制模块控制测距电路启动测距。

如上所述的步骤6中，系统控制模块控制测距电路启动测距包括以下步骤：测距电路控制激光器发出探测激光并记录测距开始时间，探测激光经反射后由定焦镜头接收，再由分光棱镜反射后经光电探测器探测获得探测信号，测距电路根据探测信号记录测距结束时间，测距电路根据测距开始时间和测距结束时间，测定目标距离。

如上所述的步骤6中，方位角和高低角通过以下步骤获得：

以来袭激光图像的中心点为坐标原点，以像素为单位，设激光源的成像点在来袭激光图像上的位置坐标为(x，y)，InGaAs相机的像元尺寸为d*d，InGaAs相机成像时的镜头焦距为f，激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角为tan^-1(x*d/f)，高低角为tan^-1(y*d/f)。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、采用0.9～1.7um响应范围的激光角度编码器，能探测此波段范围内的多种波长的激光光束的发射时刻；

2、采用两个InGaAs相机在全时段交替成像，能克服单个相机的读出时间的影响，避免错过激光脉冲，实现对未知发射时刻的激光的捕获成像；

3、采用InGaAs相机能捕获0.9～1.7um波段范围内的各种波长的激光光束，覆盖军事上广泛使用的1.06um、1.54um、1.57um激光；

4、通过对激光光束的成像，实现了激光光场可视化，便于直观判断激光方位，并可通过图像分析计算激光源的准确方位，角度分辨精度高；

5、在捕获激光光场、实现可视化的同时，具备测距功能，能迅速获取目标距离；

6、该系统借助二维伺服转台既可对某一特定角度范围进行重点监视，又可工作于全方位角度的循环搜索模式；

附图说明

图1为一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置的组成图。

图2为一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法的时序示意图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的内容仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，包括二维伺服转台，以及设置在二维伺服转台上的变焦镜头、定焦镜头、第一InGaAs相机、第二InGaAs相机、激光角度编码器、时序控制模块、激光器、光电探测器、测距电路、分光棱镜、系统控制模块。

激光角度编码器响应设定波段的入射光，并对入射光的角度进行编码，输出激光入射角和激光入射时刻到时序控制模块，

经变焦镜头采集的目标回波信号入射第一InGaAs相机，经定焦镜头采集的目标回波信号通过分光棱镜分为透射光和反射光，反射光聚焦于光电探测器的光敏面，激光器和光电探测器与测距电路连接，测距电路与系统控制模块连接，透射光入射第二InGaAs相机，

时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机在成像周期内交替成像，获得成像帧数据，时序控制模块输出激光入射角、激光入射时刻和成像数据帧到系统控制模块。

所述的所有组成模块都安装于二维伺服转台，可随转台作方位、俯仰运动。变焦镜头用于第一InGaAs相机成像，通过光学变焦便于实现搜索目标及观察目标细节。定焦镜头用于第二InGaAs相机成像。时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机以相同的帧频工作，控制两个相机的积分时间和积分起始时刻，使得在每一个成像周期内，第一InGaAs相机和第二InGaAs相机的积分时间和读出时间交错互补，实现两个相机在成像周期内全时段交替成像。激光角度编码器可响应某一波段的激光信号，并自动对入射光的角度进行编码，输出高精度的激光入射角和激光入射时刻到时序控制模块。定焦镜头还用于将目标回波信号通过分光棱镜后聚焦于光电探测器的光敏面，经光电探测器探测获得探测信号，测距电路根据探测信号记录测距结束时间，测距电路根据测距开始时间和测距结束时间。测距电路驱动激光器和光电探测器件实现激光测距。系统控制模块实现总体控制，可驱动二维伺服转台进行方位、俯仰角度运动，并实现高精度定位。

激光角度编码器的光谱响应范围覆盖0.9～1.7um；

变焦镜头、定焦镜头对0.9～1.7um波段的平均透过率在60％以上；

第一InGaAs相机和第二InGaAs相机的光谱响应范围为0.9～1.7um；

第一InGaAs相机的入光口和第二InGaAs相机的入光口设置有可见光滤光镜，滤除相机在积分时间内的可见光波段的干扰；

激光器的激光波长为850nm；

分光棱镜的胶合斜面上镀设有850nm激光反射膜，用于对定焦镜头的输出光进行分光得到反射激光和透射激光，将850nm反射激光反射到光电探测器模块，透射激光入射第二InGaAs相机；

光电探测器的光敏面前光路中安装有850nm窄带滤光片，用于测距时消除杂波干扰；

一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法：

步骤1、当在搜索及监控状态时，系统控制模块控制二维伺服转台以特定角速度转动扫描，也可固定于某一特定方位对某角度范围进行重点监视。

步骤2、时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机全时段交替成像，获得成像帧数据，实施对可能来袭激光的捕获成像。

步骤3、当有激光测距仪、激光指示器或主动成像系统的激光发射0.9～1.7um波段范围内的激光时，激光角度编码器检测到激光入射角并获取激光入射时刻，激光角度编码器将激光入射角和激光入射时刻输出到时序控制模块。

步骤4、时序控制模块根据激光角度编码器检测到的激光入射时刻及第一InGaAs相机和第二InGaAs相机的成像帧数据，获得对应于激光入射时刻的成像帧数据作为有用帧数据发送到系统控制模块。

步骤5、系统控制模块处理有用帧数据，得到来袭激光图像，在显示器上显示。当大气散射较弱时，激光源在来袭激光图像上显示为一个亮斑，亮斑的位置对应于激光源在来袭激光图像上的位置。当大气散射较强时，激光源在来袭激光图像上显示一条光束，光束的起点位置对应于激光源在来袭激光图像上的位置，光束的方向对应于激光源的照射方向在来袭激光图像上的成像方向。由于激光源发射的激光存在一定发射角，因此光束的宽度从起点逐渐变大。

步骤6、根据激光源在来袭激光图像上的像素位置、InGaAs相机的像元尺寸、镜头焦距(变焦镜头或定焦镜头的焦距，来袭激光图像由变焦镜头采集，则为变焦镜头焦距；来袭激光图像由定焦镜头采集，则为定焦镜头焦距)，求出激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角和高低角。同时，系统控制模块根据激光源的方位角和高低角，驱动二维伺服转台，迅速将激光器转向激光源方向，系统控制模块控制测距电路启动测距，测距电路控制激光器发出探测激光并记录测距开始时间，探测激光经反射后由定焦镜头接收，再由分光棱镜反射后经光电探测器探测获得探测信号，测距电路根据探测信号记录测距结束时间，测距电路根据测距开始时间和测距结束时间，测定目标距离，在显示器上显示。综上所述，实现激光光场的捕获成像与可视化。

附：激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角、高低角的计算方法：

以来袭激光图像的中心点为坐标原点，以像素为单位，假设激光源的成像点在来袭激光图像上的位置坐标为(x，y)，InGaAs相机的像元尺寸为d*d，InGaAs相机成像时的镜头焦距为f，则激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角为tan^-1(x*d/f)，高低角为tan^-1(y*d/f)。

本文中所描述的具体实施仅仅是本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，包括二维伺服转台，其特征在于，还包括设置在二维伺服转台上的变焦镜头、定焦镜头、第一InGaAs相机、第二InGaAs相机、激光角度编码器、时序控制模块、激光器、光电探测器、测距电路、分光棱镜、系统控制模块，

激光角度编码器响应设定波段的入射光，并对入射光的角度进行编码，输出激光入射角和激光入射时刻到时序控制模块，

经变焦镜头采集的目标回波信号入射第一InGaAs相机，经定焦镜头采集的目标回波信号通过分光棱镜分为透射光和反射光，反射光聚焦于光电探测器的光敏面，激光器和光电探测器与测距电路连接，测距电路与系统控制模块连接，透射光入射第二InGaAs相机，

时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机在成像周期内交替成像，获得成像帧数据，时序控制模块输出激光入射角、激光入射时刻和成像数据帧到系统控制模块。

2.一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，其特征在于，利用权利要求1所述的一种基于InGaAs相机的激光光场可视化装置，包括以下步骤：

步骤1、系统控制模块控制二维伺服转台以设定角速度转动扫描或者对设定角度范围进行扫描；

步骤2、时序控制模块控制第一InGaAs相机和第二InGaAs相机在成像周期内交替成像，获得成像帧数据；

步骤3、激光角度编码器检测到激光入射角并获取激光入射时刻，激光角度编码器将激光入射角和激光入射时刻输出到时序控制模块；

步骤4、时序控制模块根据激光入射时刻获得对应的成像帧数据，并将成像帧数据作为有用帧数据发送到系统控制模块；

步骤5、系统控制模块处理有用帧数据，得到来袭激光图像；

步骤6、根据激光源在来袭激光图像上的像素位置、InGaAs相机的像元尺寸、变焦镜头或定焦镜头的焦距，求出激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角和高低角，系统控制模块根据激光源的方位角和高低角，驱动二维伺服转台，将激光器转向激光源方向，系统控制模块控制测距电路启动测距。

3.根据权利要求2所述的一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，其特征在于，所述的步骤6中，系统控制模块控制测距电路启动测距包括以下步骤：测距电路控制激光器发出探测激光并记录测距开始时间，探测激光经反射后由定焦镜头接收，再由分光棱镜反射后经光电探测器探测获得探测信号，测距电路根据探测信号记录测距结束时间，测距电路根据测距开始时间和测距结束时间，测定目标距离。

4.根据权利要求2所述的一种基于InGaAs相机的激光光场可视化方法，其特征在于，所述的步骤6中，方位角和高低角通过以下步骤获得：

以来袭激光图像的中心点为坐标原点，以像素为单位，设激光源的成像点在来袭激光图像上的位置坐标为(x，y)，InGaAs相机的像元尺寸为d*d，InGaAs相机成像时的镜头焦距为f，激光源相对于InGaAs相机光轴的方位角为tan^-1(x*d/f)，高低角为tan^-1(y*d/f)。