CN113721247A - 一种小型化激光探测装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种小型化激光探测装置，包括壳体、激光探测组件和处理单元；壳体为一端具有弧形面的柱形中空结构；激光探测组件用于探测目标反射的激光信号并形成光电流，包括头罩、滤波片、光学透镜和四象限探测器；头罩嵌入壳体的弧形面上，滤波片、光学透镜和四象限探测器沿激光传输方向依次设置在壳体内部；处理单元中的前置放大板用于将光电流转换为电压脉冲信号并使之放大；信号采集板用于对放大后的电压脉冲信号进行整形和比较；信号预处理板用于对信号采集板输出的电压脉冲信号进行自适应增益控制并将其转换为数字信号；信号处理板用于对数字信号进行角度解算，得到目标的空间位置；本发明具有体积小，作用距离远，视场大，精度高等优点。

Description

一种小型化激光探测装置
技术领域
本申请涉及光电探测控制技术领域，更具体地，涉及一种小型化激光探测装置。
背景技术
激光探测是现代战争中不可或缺的重要目标探测手段，广泛应用于捷联、随动等光电探测领域。激光探测装置是由光电球或地照设备照射目标，激光探测装置利用目标漫反射的激光捕获跟踪目标，实时传输目标位置坐标信息给控制系统。
激光探测装置能否对目标实施精确探测，主要体现在激光探测系统的优良，涉及的主要指标有：视场、线性区、增益控制电路动态范围、作用距离、盲区、测角精度等。探测系统是激光制导武器的眼睛，大角度视场可以大范围搜索目标，大线性区可以保证在大视场范围内的测角精度，增益控制电路的动态范围决定了激光探测的作用距离和盲区，测角精度决定了产品的探测精度。小型化激光探测装置的设计实现了可应用于小型化制导炮弹或制导枪炮的末制导武器装备，提高探测精度和探测距离。
发明内容
针对现有技术的至少一个缺陷或改进需求，本发明提供了一种小型化激光探测装置，其目的在于提高激光探测装置的探测精度，并缩小装置体积。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种小型化激光探测装置，该装置包括：
壳体，为一端具有弧形面的柱形中空结构；
激光探测组件，用于探测目标反射的激光信号并形成光电流；所述激光探测组件包括头罩、滤波片、光学透镜和四象限探测器；所述头罩嵌入所述壳体的弧形面上，所述滤波片、光学透镜和四象限探测器沿激光传输方向依次设置在壳体内部；
处理单元，包括沿所述激光传输方向依次并列设置在壳体内部的前置放大板、信号采集板、信号预处理板和信号处理板；所述前置放大板靠近激光探测组件中的四象限探测器设置；
所述前置放大板用于将所述光电流转换为电压脉冲信号并使之放大；
所述信号采集板用于对于放大后的电压脉冲信号进行整形和比较；
所述信号预处理板用于对信号采集板输出的电压脉冲信号进行自适应增益控制并将其转换为数字信号；
所述信号处理板用于对所述数字信号进行角度解算，得到目标的空间位置。
优选的，上述小型化激光探测装置，其信号预处理板上包括可变增益控制电路、峰值保持电路和A/D转换电路；
所述可变增益控制电路用以对信号采集板输出的电压脉冲信号进行前放增益控制和偏压控制，以控制电压脉冲信号的幅度；
所述峰值保持电路用以在所述电压脉冲信号的脉冲宽度低于设定值时延长其峰值保持时间；
所述A/D转换电路用以采集峰值保持电路输出的电压脉冲信号并将其转换为数字信号。
优选的，上述小型化激光探测装置，其信号预处理板上还包括同步触发信号产生电路；
所述同步触发信号产生电路分别与峰值保持电路、信号处理板相连，用于在峰值保持电路输出的电压脉冲信号的触发下产生同步触发信号并传送给信号处理板上的外部中断，以通知A/D转换电路执行对电压脉冲信号的采样。
优选的，上述小型化激光探测装置，其前置放大板对四象限探测器输出的四路光电流信号进行滤波、缓冲，并进行四路求和，将和值信号传输给信号采集板。
优选的，上述小型化激光探测装置，其前置放大板、信号采集板、信号预处理板和信号处理板之间通过螺柱相互连接并分别通过固连至连接板；所述连接板通过螺钉与壳体固连。
优选的，上述小型化激光探测装置，其四象限探测器与前置放大板之间通过螺钉固连。
优选的，上述小型化激光探测装置，其激光探测组件的视场不小于±25°，线性区不小于±12°。
优选的，上述小型化激光探测装置，其头罩和滤波片的固定波段透过率不低于90％。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的小型化激光探测装置，通过前置放大电路、可变增益控制电路、峰值保持电路，实现了高精度信号采集；通过软件解角和自适应增益控制算法，实现了高精度角度解算；装置具有体积小，作用距离远，视场大，精度高等优点。实际应用表明，该激光探测装置可以针对小型、高速无人机实现精准探测，具有可靠的实用性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实施例提供的一种小型化激光探测装置的剖视图；
图2为本实施例提供的处理单元的具体组成示意图；
图3是本实施例提供的可变增益控制电路的电路结构图；
图4是本实施例提供的峰值保持电路的电路结构图；
图5为本申请实施例提供的信号处理板的处理流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。术语“固接”不局限于固定连接，也包含可拆卸式连接。
图1是本实施例提供的一种小型化激光探测装置的剖视图，参见图1，该装置包括壳体1、激光探测组件和处理单元；
其中，壳体1为一端具有弧形面的柱形中空结构；壳体1的形状不作具体限制，作为一个具体的示例，壳体1采用圆柱形，且一个端面为圆弧形。
激光探测组件主要用于探测目标反射的激光信号并形成光电流；如图1所示，该激光探测组件包括头罩2、滤波片3、光学透镜4和四象限探测器5；头罩2嵌入壳体1的弧形面上，目标反射的激光信号通过头罩2进入壳体1内部，滤波片3、光学透镜4和四象限探测器5沿激光传输方向(图1中的水平方向)依次设置在壳体1内部；
具体来说，头罩2作为激光探测组件的密封元件，用来隔断外部环境与激光探测组件内部系统。本实施例中，头罩2选用K9材料、高强度、热稳定性好、固定波段透过率不低于90％，耐高温不小于150℃；滤波片3选用黑玻璃材料，固定波段透过率不小于90％，窄带半波宽度在nm级，截止深度覆盖固定波段范围，不平行度不大于5′；光学透镜选用高透过率，高强度；头罩2、滤波片3、光学透镜4组成了小型激光探测组件的光学系统，位于小型激光探测组件的最前端，其作用是接收和汇聚目标漫反射的激光，使目标位置信息转化为激光光斑落在四象限探测器5的光敏面上。通过光学仿真软件对激光探测组件的光学系统进行仿真，结果表明该光学系统具有视场±25°，线性区±12°的探测范围。
处理单元包括沿激光传输方向依次并列设置在壳体内部的前置放大板6、信号采集板7、信号预处理板8和信号处理板9；前置放大板6靠近激光探测组件中的四象限探测器5设置；前置放大板6用于将所述光电流转换为电压脉冲信号并使之放大，便于后级处理；信号采集板7用于对于放大后的电压脉冲信号进行整形和比较；信号预处理板8用于对信号采集板输出的电压脉冲信号进行自适应增益控制并将其转换为数字信号；信号处理板9用于对所述数字信号进行角度解算，得到目标的空间位置。
请参阅图2，上述小型化激光探测装置，其前置放大板6、信号采集板7、信号预处理板8和信号处理板9之间通过螺柱10相互连接并分别通过固连至连接板11；所述连接板11通过螺钉12与壳体1固连。前置放大板6与四象限探测器5之间通过螺钉12固连。
本实施例中，前置放大板6上设置有前置放大电路，该前置放大电路能够对四象限探测器5的输出信号进行滤波、缓冲，并进行四路求和，将和值信号传输给信号采集板7。
信号采集板7上设置有信号采集电路，该信号采集电路通过比较器进行和值信号的整形比较，和值信号经ADC采集后通过SPI通信传输至信号预处理板8。
信号预处理板8通过开关对信号采集板7的输出信号进行增益控制，主要包括激光探测器前放增益控制信号和偏压控制信号，并将增益控制后的信号传输给信号处理板9。
信号处理板9用于对增益控制后的信号进行角度解算，得到目标的角度信息并通过422通信发送至弹载机，从而实现对目标的空间位置探测。
作为一个可选的实施例，上述小型化激光探测装置，其信号预处理板8上包括可变增益控制电路、峰值保持电路和A/D转换电路；
可变增益控制电路用以对信号采集板输出的电压脉冲信号进行前放增益控制和偏压控制，以控制电压脉冲信号的幅度，完成信号大小的调节；
由于电压脉冲信号的动态范围理论上高达70dB，当四象限探测器5接收到的激光能量很微弱时，得到的电压脉冲信号会很小，甚至淹没在噪声之中，因此增加了可变增益控制电路，通过增益控制对电压脉冲信号进行提取放大，便于后级A/D转换器进行有效采样。
图3是本实施例提供的可变增益控制电路的电路结构图，本实施例中可变增益放大器选用AD8336，总增益为前置放大增益和VGA增益的乘积。其电路包含电压反馈运放电路，内部集成电压反馈电路和增益放大电路，其中增益放大电路由Vgain和Vgain0实现增益控制，Vgain代表可变增益开关，Vgain0代表可变增益控制开关；增益放大电路的固定增益为34dB，具有60dB的衰减器。电压反馈电路用于反相工作配置，为VGA输入提供滤波电路，该滤波电路由电容C2，C3组成，主要用于降低信号噪声。为了保持低噪声，在信号输入端BOUT的前置电路(电容C1，电阻R1)中增加了相对较小的负载电阻R2和R3，阻值范围在10～1K，根据所需信号大小适应调整阻值。
该AD8336芯片的供电电压范围为±3V～±12V，考虑到探测器输出电压，AD8336在供电电压为±12V时，其功耗为672mW，而芯片的热源结到周围冷却空气的总热阻θJA为58.2℃/W，假设芯片的外界环境温度TA为25℃，则根据以下公式：
TJ＝TA+(θJA×PD)
可知芯片的结温为64.1℃，温升为39.1℃。由于该印制板安装在狭小的金属空间内，不利于空气自然冷却，导致整个电路板温度过高，因此本方案使用低功耗模式，采用±5V供电，将芯片带宽降低到38MHz，其动态范围为-14dB～46dB，其增益控制由高精度的DAC芯片AD5686RBRUZ实现，实际设计的最大增益可达133dB，满足使用动态范围。
峰值保持电路用以在所述电压脉冲信号的脉冲宽度低于设定值时延长其峰值保持时间；
针对四象限探测器5在微弱能量下输出脉冲信号宽度较窄，且激光目标探测系统本身易受噪声干扰的问题，本实施例提供了一种脉冲信号的峰值保持电路，可使峰值保持时间延迟到数十us，便于连续采样以及数据软件滤波算法处理，提高探测精确性；峰值保持电路输出的信号经过缓冲放大器后，直接送入同步采样A/D转换器进行单周期多次连续采样，用于目标角度值解算。
图4是本实施例提供的峰值保持电路的电路结构图，由于四象限探测器脉冲宽度较窄，有效脉冲宽度约100ns～200ns，而实际ADC采样的采样保持时间为550ns左右，因此本方案设计时考虑了脉冲信号峰值保持电路，使得脉冲信号得以展宽，保证后级ADC采样时可以获取四路脉冲信号的高电压。本实施例提供的峰值保持电路采用TI公司的高性能跨阻放大器OPA846，采用5V供电的反相电路，并配置50欧姆内置电阻进行终端匹配，此外增加反馈电阻R12来调整电路所需的增益，使得电路保证具有宽带宽和低噪声的优势。在OPA846使用时，为了保证峰值保持电路下一次脉冲可以充分响应，选用的是正向导通电压小、开关速率快、恢复时间短、结电容小的1N4148二极管。为了使最终保持脉冲信号脉宽不小于5us，其保持电容C15(容值2.2nF)选用的绝缘电阻大，电容漏电速率小，电容吸收性能好的电容，而保持电容的容值选取时，考虑了保持电压的下垂速率和响应时间。保持电容上有残留电压，会对下一次峰值保持有影响，输出信号幅值越大时，输出波形下垂越小，响应时间越慢，输入信号脉宽越小输出波形下垂越严重。本实施例选用的电容可以有效展宽脉冲信号，通过调整四个通道的电路放大倍数，最终使电路的不均匀性保持在1％以内。
A/D转换电路用以采集峰值保持电路输出的电压脉冲信号并将其转换为数字信号。
进一步优选的，上述小型化激光探测装置，其信号预处理板上还包括同步触发信号产生电路；
该同步触发信号产生电路分别与峰值保持电路、信号处理板9相连，用于在峰值保持电路输出的电压脉冲信号的触发下产生同步触发信号并传送给信号处理板9上的外部中断，以通知A/D转换电路执行对电压脉冲信号的采样及后续码型识别。
信号处理板9主要执行目标识别以及目标角度解算，本实施例中，信号处理板9的处理过程分为三个阶段：等待阶段、跟踪闭合回路阶段和捕获阶段，每个阶段完成的功能各不相同，具体的处理流程如图5所示。
等待阶段：控制激光探测组件正常启动，完成系统时钟、中断、默认激光码型周期、放大电路增益等状态信息初始化、进行系统自检，定时50ms向外部计算机发送数据帧，等待允许截获命令。
跟踪闭合回路阶段：控制激光探测组件每隔50ms向外部计算机发送数据帧，搜索目标漫反射的激光信号，进行对欲攻击目标的搜索，识别激光码型，如果连续若干个(例如3个)码型与装订码型周期匹配，则确认为打击目标，激光探测组件进入捕获阶段。在跟踪闭合回路阶段采用了精确时刻鉴别算法，可以有效将干扰信号、或者错误的频率信号滤除，提高了目标识别的准确性。
捕获阶段：如果正常捕获目标，则启动硬件波门控制、放大电路增益控制，进行激光信号电压采集，完成失调角度解算，按捕获的激光信号周期发送激光探测组件相应状态数据帧给外部计算机。若目标短暂丢失时，激光探测组件按设定周期(例如50ms)向外部计算机发送数据帧，如果目标丢失超过若干个(例如3个)激光码型周期时，确认目标丢失，初始化增益状态及软件工作状态后，重新进入回路闭合状态，进行激光信号搜索识别。捕获阶段从捕获到激光脉冲到输出状态帧给外部计算机的时间不大于2ms。
本实施例提供的小型化激光探测装置，总长75mm，外径40mm，质量155g，具有结构小型化、大视场、作用距离远、测角精度高等优点。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种小型化激光探测装置，其特征在于，包括：
壳体，为一端具有弧形面的柱形中空结构；
激光探测组件，用于探测目标反射的激光信号并形成光电流；所述激光探测组件包括头罩、滤波片、光学透镜和四象限探测器；所述头罩嵌入所述壳体的弧形面上，所述滤波片、光学透镜和四象限探测器沿激光传输方向依次设置在壳体内部；
处理单元，包括沿所述激光传输方向依次并列设置在壳体内部的前置放大板、信号采集板、信号预处理板和信号处理板；所述前置放大板靠近激光探测组件中的四象限探测器设置；
所述前置放大板用于将所述光电流转换为电压脉冲信号并使之放大；所述信号采集板用于对于放大后的电压脉冲信号进行整形和比较；所述信号预处理板用于对信号采集板输出的电压脉冲信号进行自适应增益控制并将其转换为数字信号；所述信号处理板用于对所述数字信号进行角度解算，得到目标的空间位置。
2.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述信号预处理板上包括可变增益控制电路、峰值保持电路和A/D转换电路；
所述可变增益控制电路用以对信号采集板输出的电压脉冲信号进行前放增益控制和偏压控制，以控制电压脉冲信号的幅度；
所述峰值保持电路用以在所述电压脉冲信号的脉冲宽度低于设定值时延长其峰值保持时间；
所述A/D转换电路用以采集峰值保持电路输出的电压脉冲信号并将其转换为数字信号。
3.如权利要求2所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述信号预处理板上还包括同步触发信号产生电路；
所述同步触发信号产生电路分别与峰值保持电路、信号处理板相连，用于在峰值保持电路输出的电压脉冲信号的触发下产生同步触发信号并传送给信号处理板上的外部中断，以通知A/D转换电路执行对电压脉冲信号的采样。
4.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述前置放大板对四象限探测器输出的四路光电流信号进行滤波、缓冲，并进行四路求和，将和值信号传输给信号采集板。
5.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述前置放大板、信号采集板、信号预处理板和信号处理板之间通过螺柱相互连接并分别通过固连至连接板；所述连接板通过螺钉与壳体固连。
6.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述四象限探测器与前置放大板之间通过螺钉固连。
7.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述激光探测组件的视场不小于±25°，线性区不小于±12°。
8.如权利要求1所述的小型化激光探测装置，其特征在于，所述头罩和滤波片的固定波段透过率不低于90％。
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