CN114035199B - 一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，所述装置包括：光电转塔(1)和显控处理模块(2)；其中，所述光电转塔(1)，采用雪崩二极管成像器件，用于在显控处理模块(2)控制下实现对目标的搜索或跟踪，并将获取的视频图像和目标位置信息发送至显控处理模块(2)；所述显控处理模块(2)，用于控制光电转塔(1)在搜索模式和跟踪模式间的切换，并对光电转塔(1)获取的视频图像和目标位置信息进行处理显示。本发明的搜索跟踪装置结构简单，重量轻，能同时实现对扫描向和平台运动产生的像移补偿，简化了工作模式，并降低了对平台抗震动能力要求。

Description

一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置
技术领域
本发明涉及光电探测技术领域，尤其涉及一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置。
背景技术
光电探测设备以被动成像方式探测目标，以成像直观、分辨率高等优势而得到广泛应用。但光电探测设备探测目标的距离和探测范围相矛盾，探测距离远，则观察范围小，“透过吸管观察”，是对这一现象的形象描述。为解决这一矛盾，常见的方式是使用伺服机构转动光电成像探测设备扫描探测区域。但这带来新的问题，即：光电成像探测设备在扫描搜索过程中，目标在光电成像探测器光敏面上成像点的产生移动，在其光电成像探测器积分期间(或者说是曝光期间)，在光敏面上移动几个，甚至数十个像元，从而造成光电成像探测设备获取图像变得模糊。为此，为消除在光电成像探测器积分期间目标成像在光电成像探测器光敏面上移动，实现对目标的清晰成像，一般需要使用光电成像运动补偿技术对运动图像进行补偿。授权专利申请号为201611129165.4公开了一种机载双波段光电广域侦察与跟踪装置及方法，其中描述了以前主要使用的两种光电成像运动补偿技术体制：回扫步进－凝视系统和电子运动补偿系统。具体如下：
1)回扫步进－凝视系统。在该系统中，万向架伺服系统驱动光电成像探测设备的瞄准线连续不停地扫描运动，在光电成像探测器积分期间，万向架伺服系统运动由一个回扫镜来补偿。因此，该回扫镜是在积分期间启动，而且其运动方向与万向架伺服系统扫描方向相反，以实现光电成像探测设备的瞄准线指向维持不动。不足在于，需要额外增加软硬件设施，增加了系统体积重量和成本，降低了可靠性。
2)电子运动补偿系统，也可称为时间延迟积分(TDI)运动补偿系统。在该系统中，万向架伺服系统驱动光电成像探测设备的瞄准线连续不停地扫描运动，在光电成像探测器积分期间，通过光电成像探测器的读出电路控制像元中的电荷沿扫描方向移动到下一个邻近像元，电荷移动速率与在光敏面上的成像点的移动速率相等，以此来补偿扫描运动。不足在于，电子运动补偿只适用于电荷耦合器件(CCD)，目前的面阵红外焦平面器件和互补金属氧化物半导体(CMOS)器件不能采用该技术。
综上所述，受TDI运动补偿技术应用领域限制，以前在不采用CCD技术的光电成像探测设备中，为实现快速成像只能采用回扫步进－凝视的运动补偿技术，但该技术造成系统体积重量大、成本高，而且可靠性较低，难以在对尺寸、重量和功耗(SWaP)要求严格小型光电探测设备中实现快速搜索成像。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提出了一种基于雪崩二极管(AvalanchePhotoDiodes，APD)成像器件的光电搜索跟踪装置。
为了实现上述目的，本发明提出了一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，所述装置包括：光电转塔和显控处理模块；其中，
所述光电转塔，采用雪崩二极管成像器件，用于在显控处理模块控制下实现对目标的搜索或跟踪，并将获取的视频图像和目标位置信息发送至显控处理模块；
所述显控处理模块，用于控制光电转塔在搜索模式和跟踪模式间的切换，并对光电转塔获取的视频图像和目标位置信息进行处理显示。
作为上述装置的一种改进，所述光电转塔包括：光电成像组件、测距组件、伺服机构、控制处理模块和通信接口模块；其中，光电成像组件和测距组件安装在伺服机构上；
所述光电成像组件，用于对搜索或跟踪目标进行成像；
所述测距组件，用于测量跟踪目标的距离；
所述伺服机构，用于实现光电成像组件和测距组件在方位和俯仰向的转动；
所述控制处理模块，用于控制光电成像组件、测距组件和伺服机构的工作状态，还用于处理光电成像组件获取的视频图像，提取目标和测量角位置；
所述通信接口模块，用于实现光电转塔和显控处理模块间的信息通信。
作为上述装置的一种改进，所述光电成像组件由光学镜头和光电成像器件组成，光电成像器件采用HgCdTe雪崩二极管成像器件。
作为上述装置的一种改进，当所述光电搜索跟踪装置处于搜索模式时，在搜索方向沿方位向和/或俯仰向快速扫描，实现对指定区域的覆盖，其中，搜索角速度v与光电成像组件(3)的光学镜头焦距f、雪崩二极管成像器件的像元尺寸d和积分时间t具有以下关系：
v≤(tan-1d/f)/t。
作为上述装置的一种改进，所述测距组件采用激光测距机。
作为上述装置的一种改进，所述伺服机构采用两轴伺服系统。
作为上述装置的一种改进，所述通信接口模块与显控处理模块采用有线或无线通信方式。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
1、本发明的搜索跟踪装置结构简单，重量轻，其中的光电成像组件突破性的采用APD成像器件，其SWaP与相似规格的常规成像器件相当，远小于采用常规成像器件，增加回扫步进－凝视系统，来实现成像搜索的光电搜索设备，非常适用于对SWaP要求严苛的中小型无人系统；
2、本发明的搜索跟踪装置同时实现对扫描向和平台运动产生的像移补偿，现有技术的TDI运动补偿只能对读出方向进行补偿，回扫步进－凝视系统需要调整反射镜的两个运动方向，才能分辨实现，系统结构复杂，而本发明的装置积分时间短，在允许的最大转动速度范围内，均可获得清晰成像，从而实现对两个运动方向的补偿；
3、本发明的搜索跟踪装置简化了工作模式，采用APD成像器件，进行搜索和跟踪模式切换时，不需要更改APD成像器件工作状态，而现有技术采用TDI运动补偿和回扫步进－凝视系统，在进行搜索和跟踪模式切换时，必须切换成像组件的工作状态；
4、本发明的搜索跟踪装置降低了对平台抗震动能力要求，常规成像器件的积分时间一般在毫秒量级，当搭载平台震动较高时，将导致目标成像于常规成像器件光敏面的像在器件积分期间的晃动超过一个以上像元，导致图像模糊，为此，必须增配相应的减震措施，而本发明采用APD成像器件，积分时间在微秒量级，可有效减小因搭载平台震动带来的目标成像在成像器件光敏面的晃动幅度，获得更为清晰的图像，并降低对平台抗震动幅度要求。
附图说明
图1是本发明的基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置组成框图。
附图标记
1、光电转塔 2、显示处理模块 3、光电成像组件
4、测距组件 5、伺服机构 6、控制处理模块
7、通信接口模块
具体实施方式
本发明提出一种基于APD成像器件的光电搜索跟踪装置，在保留其常规的跟踪监视能力的同时，实现成像扫描搜索。利用APD成像器件具备的短积分时间特点，在同一装置上实现对目标的快速成像搜索和凝视跟踪能力，
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细的说明。
实施例
如图1所示，本发明的实施例基于APD成像器件的光电搜索跟踪装置，所述装置包括：光电转塔1和显控处理模块2。
所述光电转塔1，采用APD成像器件，用于在显控处理模块2控制下实现对目标的搜索或跟踪，并将获取的视频图像和目标位置信息发送至显控处理模块2；
所述显控处理模块2，用于控制光电转塔1在搜索模式和跟踪模式间的切换，并对光电转塔1获取的视频图像和目标位置信息进行处理显示。
下面对每个部件具体介绍：
所述光电转塔1包括：光电成像组件3、测距组件4、伺服机构5、控制处理模块6和通信接口模块7；其中，光电成像组件3和测距组件4一并安装到伺服机构5上，实现光电成像组件3在方位和俯仰方向上的搜索和跟踪，和测距组件4在光电成像组件3在稳定跟踪目标时测量目标距离；
所述光电成像组件3由光学镜头和光电成像器件组成，光学镜头将目标辐射和/或反射光聚焦到光电成像器件上。特别地，光电成像组件3中的光电成像器件采用了具有雪崩二极管放大能力的APD成像器件，利用APD成像器件短积分时间特点，实现光电搜索/跟踪装置在搜索和跟踪模式下对目标的清晰成像；
所述测距组件4可采用激光测距机，用于测量目标距离；
所述伺服机构5可采用两轴伺服系统，实现光电成像组件3和测距组件4在方位和俯仰向的转动；
所述控制处理模块6用于控制光电成像组件3、测距组件4和伺服机构5的工作状态，处理光电成像组件3获取的视频图像，从中提取目标和测量其角位置；
所述通信接口模块7用于光电转塔1和显控处理模块2间的信息通信，可采用有线或无线通信方式。
所述显控处理模块2用于操控光电转塔1工作和显示处理光电转塔1获取的视频图像和目标位置信息。
所述光电搜索/跟踪装置的具有两种工作模式：搜索模式和跟踪模式。
其中，在搜索模式下，光电搜索/跟踪装置搜索方向可沿方位向和/或俯仰向快速扫描，实现对指定区域的覆盖。为使目标成像不模糊，要求搜索角速度v与光电成像组件3的光学镜头焦距f和APD成像器件的像元尺寸d和积分时间t具有以下关系：
v≤(tan-1d/f)/t
性能分析
王忆锋等在《第三代碲镉汞器件的研发进展》(光电技术应用,vol.24(5),2009)和《碲镉汞雪崩二极管的发展》(红外,vol.32(10),2011)等文献中介绍了HgCdTe APD成像器件及其应用。对于常规的HgCdTe红外成像器件，目标及背景辐射出的光子数足以在红外成像器件光敏区上产生满足其可检测的光电信号。但在光子数非常低、甚至是单光子的情况下，则需要引入雪崩二极管，在特定的反偏电压下，对光子产生的电子-空穴对进行放大，产生可检测的光电信号。目前，HgCdTe APD成像器件具有高增益(～7×103)、高量子效率(最高可达90％以上)、高灵敏度、低暗电流、低过剩噪声以及快速(皮秒级)响应等特点，并在短波(SWIR，0.75～3μm)、中波(MWIR，3～5μm)和长波(LWIR，8～12μm)红外窗口，具有实现以非常短积分时间进行低光子数探测甚至单光子数探测的能力。刘兴新在《碲镉汞雪崩二极管在激光雷达上的应用》(激光与红外,vol.42(6),2012)中，详细介绍了西方发达国家HgCdTeAPD器件研究计划及用途，其应用主要集中激光雷达和低光子数探测方面，例如：美国国防部先进研究计划局(DARPA)、海空军空战武器分部等研发应用于激光三维成像雷达的HgCdTe APD器件及读出电路，美国空军实验室研发用于远距离探测和跟踪卫星的HgCdTeAPD光子技术相机，英国和法国也分别出资研发用于三维成像脉冲激光雷达的HgCdTe APD器件。
但在本发明装置中，APD成像器件采用中波红外HgCdTe APD成像器件来说明技术可行性。HgCdTe APD成像器件与常规HgCdTe成像器件相比，积分时间更短的特点，来实现光电搜索/跟踪装置的快速成像搜索，提高观测范围。
目前，常规中波红外HgCdTe成像器件的像元尺寸为15μm，积分时间在3ms以上。
若光学系统焦距f＝300mm，则常规中波红外HgCdTe成像器件的成像搜索速度v为：
v≤(tan-1d/f)/t＝(tan-10.015/300)/0.003＝0.95°/s
而中波红外HgCdTe APD成像器件的像元尺寸为15μm，最短积分时间可在20μs左右，获得与常规中波红外HgCdTe成像器件相近性能时的积分时间在0.2ms左右。
若光学系统焦距f＝300mm，则HgCdTe APD成像器件最快的成像搜索速度v为：
v≤(tan-1d/f)/t＝(tan-10.015/300)/0.00002＝143°/s
而获得与常规HgCdTe APD成像器件相近性能时的成像搜索速度v为：
v≤(tan-1d/f)/t＝(tan-10.015/300)/0.0002＝14°/s
可见，采用HgCdTe APD成像器件的光电搜索/跟踪装置的成像搜索速度比采用常规HgCdTe成像器件的光电探测设备的成像搜索速度，快14～140倍，可实现所述光电搜索跟踪装置具备搜索和跟踪目标的两种功能。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (4)

1.一种基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，其特征在于，所述装置包括：光电转塔（1）和显控处理模块（2）；其中，
所述光电转塔（1），采用雪崩二极管成像器件，用于在显控处理模块（2）控制下实现对目标的搜索或跟踪，并将获取的视频图像和目标位置信息发送至显控处理模块（2）；
所述显控处理模块（2），用于控制光电转塔（1）在搜索模式和跟踪模式间的切换，并对光电转塔（1）获取的视频图像和目标位置信息进行处理显示；
所述光电转塔（1）包括：光电成像组件（3）、测距组件（4）、伺服机构（5）、控制处理模块（6）和通信接口模块（7）；其中，光电成像组件（3）和测距组件（4）安装在伺服机构（5）上；
所述光电成像组件（3），用于对搜索或跟踪目标进行成像；
所述测距组件（4）用于测量跟踪目标的距离；
所述伺服机构（5），用于实现光电成像组件（3）和测距组件（4）在方位和俯仰向的转动；
所述控制处理模块（6），用于控制光电成像组件（3）、测距组件（4）和伺服机构（5）的工作状态，还用于处理光电成像组件（3）获取的视频图像，提取目标和测量角位置；
所述通信接口模块（7），用于实现光电转塔（1）和显控处理模块（2）间的信息通信；
所述光电成像组件（3）由光学镜头和光电成像器件组成，光电成像器件采用HgCdTe雪崩二极管成像器件；
当所述光电搜索跟踪装置处于搜索模式时，在搜索方向沿方位向和/或俯仰向快速扫描，实现对指定区域的覆盖，其中，搜索角速度v与光电成像组件（3）的光学镜头焦距f、雪崩二极管成像器件的像元尺寸d和积分时间t具有以下关系：。
2.根据权利要求1所述的基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，其特征在于，所述测距组件（4）采用激光测距机。
3.根据权利要求1所述的基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，其特征在于，所述伺服机构（5）采用两轴伺服系统。
4.根据权利要求1所述的基于雪崩二极管成像器件的光电搜索跟踪装置，其特征在于，所述通信接口模块（7）与显控处理模块（2）采用有线或无线通信方式。
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碲镉汞雪崩光电二极管在激光雷达上的应用;刘兴新;;激光与红外(第06期);第603-608页 *
空间激光跟瞄中指向驱动电机运动特性研究;张雷洪;杨艳;胡善江;臧华国;陈卫标;陆雨田;;光学学报;20080215(第02期);全文 *
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