CN117075130A - 低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法，涉及光电探测技术领域。本发明提供的技术方案可应用于低空小型无人机、蜂群等目标的探测和跟踪，采用脉冲激光雷达技术探测低慢小目标，利用了激光光束发散角小、脉冲宽度窄等优势，解决低慢小目标高精度探测和定位问题；采用单光子探测和计数方法，检测低慢小目标的极微弱回波，实现了光子水平的高灵敏度能量检测，解决了低慢小目标远距离探测问题；采用多模光纤束捆绑形式进行目标回波空间分辨和定位，可结合高精度二轴伺服转台进行实时跟踪，解决了低慢小目标连续跟踪的问题。

Description

低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法

技术领域

本发明涉及光电探测技术领域，具体涉及一种低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法。

背景技术

低空慢速小目标，简称“低慢小”目标，是指飞行高度低、飞行速度慢、体积小的小型航空器和漂浮物。常见的低慢小目标主要包括：多旋翼无人机、系留气球、航拍气球和动力三角翼等，它们具有较强的空中摄像、运输投放等能力，对地面重要目标会造成严重威胁。由于低慢小目标具有较大的防范和处置困难，其对重大活动、重点区域的安防会带来严重威胁，探测和处置低慢小目标已成为国内外研究和关注的热点问题。

低慢小目标探测、定位和跟踪是合理处置的前提，目前对其有多种探测手段，主要包括：雷达探测、声学探测和光学探测等。雷达探测手段主要用于高空、高速金属目标探测，对于超低空飞行目标探测，容易受地物杂波干扰，难以进行有效探测和跟踪；声学探测主要依赖于目标飞行时产生的空气噪声、机械噪声，但小型飞行器的飞行速度慢、动力装置噪声小，产生的空气噪声较低，声学探测手段很难从环境噪声中识别出目标；可见光、红外等光学探测手段，具有抗干扰强、清晰直观等特点，但受太阳照射、大气等外界环境因素影响比较大，限制了其探测距离。

鉴于现有探测手段在低慢小目标探测方面面临的探测距离近、定位跟踪困难等问题，有必要提出一种新型探测装置及其工作方法。

发明内容

(一)解决的技术问题

针对现有技术的不足，本发明提供了一种低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法，解决了探测距离近、定位跟踪困难的技术问题。

(二)技术方案

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种低慢小目标激光跟踪装置，包括纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块；

所述纳秒脉冲激光发射模块包括纳秒激光器和准直镜；所述纳秒脉冲激光发射模块的光轴与接收光学系统的光轴平行，所述纳秒激光器通过准直镜使得激光照射视场充分覆盖接收光学系统的探测视场；

所述接收光学系统包括光学镜头和多模光纤束，所述光学镜头用于接收目标回波，所述多模光纤束一端与光学镜头相连接，另一端分为若干根光纤尾纤并将所述目标回波发送至光子探测计数模块；

所述光子探测计数模块包括若干个单光子探测器和符合测量计数器，每一所述单光子探测器的一端与对应的光纤尾纤相连接，另一端与所述符合测量计数器的对应的测量通道相连接；所述符合测量计数器与纳秒激光器相连接；

所述纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块安装在光学平板上，所述光学平板整体安装在二轴伺服转台上，所述二轴伺服转台用于实时调整方位和俯仰指向角度。

优选的，所述纳秒激光器采用基于MOPA结构的大模场光纤输出的高功率脉冲激光器；所述准直镜采用焦平面位置可调的光纤准直镜。

优选的，所述光学镜头采用光纤法兰耦合光学镜头；所述多模光纤束由若干束多模光纤捆绑而成，每一所述多模光纤采用渐变折射率光纤。

优选的，所述多模光纤束的一端采用中心1束、周围6束的形式捆绑而成，并制作成标准光纤接头，经过研磨后，安装在光学镜头的光纤法兰上；另一端分为7根光纤尾纤分别与对应的单光子探测器相连接。

优选的，所述单光子探测器采用自由运转工作模式的单光子探测器；所述符合测量计数器基于FPGA实现多路信号采集和亚纳秒测量时间分辨率，进行光子到达时间测量，同时输出同步脉冲驱动所述高功率脉冲激光器。

一种如上所述的低慢小目标激光跟踪装置的工作方法，包括：

S1、候选目标探测；

根据所述符合测量计数器计算的时间分辨率，建立光子到达时间分布直方图，获取各个测量通道的光子计数数据，每次累积z＝100个激光脉冲周期的光子计数进行信号检测；采用滑窗法在直方图上进行信号检测，统计滑窗内的光子数N：

其中，k为滑窗在直方图中的区间位置，m为滑窗区间数目，n_i为第i个直方图区间内的光子数；

如果N大于候选信号检测门限T₀，则将区间[k,k+m]标记为候选目标信号区间；

S2、目标信号测量；

对于任一测量通道j，统计区间[k,k+m]内的光子数N_j：

其中，n_i,j为测量通道j内直方图区间i内的光子数；

根据光纤在光纤束中的相对位置(x_j,y_j)，计算出候选目标质心位置(x,y)：

其中，J为测量通道的数量；

调整所述二轴伺服转台的方位、俯仰指向，使得光纤束中心指向候选目标的质心位置；通过中心光纤通道测量候选目标信号，通过滑窗法检测出的光子数N′大于目标信号检测门限T₁，则将该目标作为稳定目标，其中T₁>T₀；

S3、目标定位跟踪；

利用中心光纤通道对目标进行实时测量，更新目标信号区间[k,k+m]；根据7个测量通道计算目标信号的质心，不断调整二轴伺服转台方位、俯仰指向，使得光纤束中心始终指向目标质心位置。

优选的，所述工作方法还包括：

S4、结束跟踪判断；

如果中心光纤通道对目标测量的光子数N′小于信号检测门限T₁，则结束跟踪。

优选的，在所述S1中获取7个测量通道的光子计数数据。

(三)有益效果

本发明提供了一种低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法。与现有技术相比，具备以下有益效果：

本发明采用脉冲激光雷达技术探测低慢小目标，利用了激光光束发散角小、脉冲宽度窄等优势，解决低慢小目标高精度探测和定位问题；采用单光子探测和计数方法，检测低慢小目标的极微弱回波，实现了光子水平的高灵敏度能量检测，解决了低慢小目标远距离探测问题；采用多模光纤束捆绑形式进行目标回波空间分辨和定位，可结合高精度二轴伺服转台进行实时跟踪，解决了低慢小目标连续跟踪的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要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发明的一些实施例，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为本发明实施例提供的一种低慢小目标激光跟踪装置的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种多模光纤束的结构图；

图3为本发明实施例提供的一种低慢小目标激光跟踪装置的工作方法的流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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作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。

本申请实施例通过提供一种低慢小目标激光跟踪装置及其工作方法，解决了探测距离近、定位跟踪困难的技术问题，实现低慢小目标的实时跟踪。

本申请实施例中的技术方案为解决上述技术问题，总体思路如下：

本发明实施例提供的技术方案可应用于低空小型无人机、蜂群等目标的探测和跟踪，采用脉冲激光雷达技术探测低慢小目标，利用了激光光束发散角小、脉冲宽度窄等优势，解决低慢小目标高精度探测和定位问题；采用单光子探测和计数方法，检测低慢小目标的极微弱回波，实现了光子水平的高灵敏度能量检测，解决了低慢小目标远距离探测问题；采用多模光纤束捆绑形式进行目标回波空间分辨和定位，可结合高精度二轴伺服转台进行实时跟踪，解决了低慢小目标连续跟踪的问题。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。

实施例1：

如图1所示，本发明实施例提供了一种低慢小目标激光跟踪装置，包括纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块。

所述纳秒脉冲激光发射模块包括纳秒激光器1和准直镜2；所述纳秒脉冲激光发射模块的光轴与接收光学系统的光轴平行，实现探测区域激光照射。

其中，所述纳秒激光器1通过准直镜2使得激光照射视场充分覆盖接收光学系统的探测视场。

所述接收光学系统包括光学镜头3和多模光纤束4，所述光学镜头3用于接收目标回波，所述多模光纤束4一端与光学镜头3相连接，另一端分为若干根光纤尾纤并将所述目标回波发送至光子探测计数模块。

所述光子探测计数模块用于实现回波探测和信号检测，包括若干个单光子探测器5和符合测量计数器6，每一所述单光子探测器5的一端与对应的光纤尾纤相连接，另一端与所述符合测量计数器6的对应的测量通道相连接；所述符合测量计数器6与纳秒激光器1相连接。

所述纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块安装在光学平板7上，所述光学平板7整体安装在伺服转台上，所述伺服转台采用高精度二轴转台，根据目标信号检测信息，实时调整方位和俯仰指向角度，实现目标跟踪。

实施例2：

一种如实施例1所述的低慢小目标激光跟踪装置。

其中，所述纳秒激光器1采用基于MOPA结构的大模场光纤输出的高功率脉冲激光器，在外部脉冲驱动下，产生重复频率kHz以上、峰值功率kW以上的纳秒脉冲激光；所述准直镜2采用焦平面位置可调的光纤准直镜，通过调节光纤准直镜焦平面位置，使得激光照射视场充分覆盖接收光学系统的探测视场。

所述光学镜头3采用光纤法兰耦合光学镜头，光纤法兰使得光纤端面对准光学镜头焦平面。

如图2所示，所述多模光纤束4由7束多模光纤捆绑而成(7束捆绑时仅保留芯径和包层，不含涂覆层)，每一所述多模光纤采用渐变折射率光纤。所述多模光纤束4的一端采用中心1束、周围6束的形式捆绑而成，并制作成标准光纤接头，经过研磨后，安装在光学镜头3的光纤法兰上；另一端分为7根光纤尾纤分别与对应的单光子探测器5相连接。光学系统的探测视场FoV为：

其中，r为单根多模光纤的直径，f为光学镜头焦距。

所述单光子探测器5采用自由运转工作模式的单光子探测器，单光子探测器与接收光纤系统通过光纤耦合，接收光纤系统的7根光纤尾纤分别连接至7个单光子探测器；7个单光子探测器输出连接至符合测量计数器的7路测量通道；所述符合测量计数器6基于FPGA实现多路信号采集和亚纳秒测量时间分辨率，进行光子到达时间测量，同时输出同步脉冲驱动所述高功率脉冲激光器。

实施例3：

如图3所示，一种如实施例1或2所述的低慢小目标激光跟踪装置的工作方法，包括：

S1、候选目标探测；

根据所述符合测量计数器6计算的时间分辨率，建立光子到达时间分布直方图，获取7个测量通道的光子计数数据，每次累积z＝100个激光脉冲周期的光子计数进行信号检测；采用滑窗法在直方图上进行信号检测，统计滑窗内的光子数N：

其中，k为滑窗在直方图中的区间位置，m为滑窗区间数目，n_i为第i个直方图区间内的光子数；

如果N大于候选信号检测门限T₀，则将区间[k,k+m]标记为候选目标信号区间。

S2、目标信号测量；

对于任一测量通道j，统计区间[k,k+m]内的光子数N_j：

其中，n_i,j为测量通道j内直方图区间i内的光子数；

根据光纤在光纤束中的相对位置(x_j,y_j)，计算出候选目标质心位置(x,y)：

其中，J为测量通道的数量；

调整所述二轴伺服转台的方位、俯仰指向，使得光纤束中心指向候选目标的质心位置(事实上，在前文已限定激光发射波束与光纤接收视场相互平行，在远处这两者的中心是近似重叠的，此时光纤束中心指向候选目标的质心位置等同于激光波束中心指向候选目标的质心位置)；通过中心光纤通道测量候选目标信号，通过滑窗法检测出的光子数N′大于目标信号检测门限T₁，则将该目标作为稳定目标，其中T₁>T₀，确保去除由于虚警产生的候选目标信号。

S3、目标定位跟踪；

利用中心光纤通道对目标进行实时测量，更新目标信号区间[k,k+m]；根据7个测量通道计算目标信号的质心，不断调整二轴伺服转台方位、俯仰指向，使得光纤束中心始终指向目标质心位置。

特别的，在一可选的实施例中，所述工作方法还包括：

S4、结束跟踪判断；

如果中心光纤通道对目标测量的光子数N′小于信号检测门限T₁，则结束跟踪。

综上所述，与现有技术相比，具备以下有益效果：

1、本发明实施例采用脉冲激光雷达技术探测低慢小目标，利用了激光光束发散角小、脉冲宽度窄等优势，解决低慢小目标高精度探测和定位问题。

2、本发明实施例采用自由运转工作模式的单光子探测和计数方法，检测低慢小目标的极微弱回波，实现了光子水平的高灵敏度能量检测，解决了低慢小目标远距离探测问题。

3、本发明实施例采用多模光纤束捆绑形式进行目标回波空间分辨和定位，可结合高精度二轴伺服转台进行实时跟踪，解决了低慢小目标连续跟踪的问题。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种低慢小目标激光跟踪装置，其特征在于，包括纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块；

所述纳秒脉冲激光发射模块包括纳秒激光器(1)和准直镜(2)；所述纳秒脉冲激光发射模块的光轴与接收光学系统的光轴平行，所述纳秒激光器(1)通过准直镜(2)使得激光照射视场充分覆盖接收光学系统的探测视场；

所述接收光学系统包括光学镜头(3)和多模光纤束(4)，所述光学镜头(3)用于接收目标回波，所述多模光纤束(4)一端与光学镜头(3)相连接，另一端分为若干根光纤尾纤并将所述目标回波发送至光子探测计数模块；

所述光子探测计数模块包括若干个单光子探测器(5)和符合测量计数器(6)，每一所述单光子探测器(5)的一端与对应的光纤尾纤相连接，另一端与所述符合测量计数器(6)的对应的测量通道相连接；所述符合测量计数器(6)与纳秒激光器(1)相连接；

所述纳秒脉冲激光发射模块、接收光学系统和光子探测计数模块安装在光学平板(7)上，所述光学平板(7)整体安装在二轴伺服转台上，所述二轴伺服转台用于实时调整方位和俯仰指向角度。

2.如权利要求1所述的低慢小目标激光跟踪装置，其特征在于，

所述纳秒激光器(1)采用基于MOPA结构的大模场光纤输出的高功率脉冲激光器；所述准直镜(2)采用焦平面位置可调的光纤准直镜。

3.如权利要求1所述的低慢小目标激光跟踪装置，其特征在于，

所述光学镜头(3)采用光纤法兰耦合光学镜头；所述多模光纤束(4)由若干束多模光纤捆绑而成，每一所述多模光纤采用渐变折射率光纤。

4.如权利要求3所述的低慢小目标激光跟踪装置，其特征在于，

所述多模光纤束(4)的一端采用中心1束、周围6束的形式捆绑而成，并制作成标准光纤接头，经过研磨后，安装在光学镜头(3)的光纤法兰上；另一端分为7根光纤尾纤分别与对应的单光子探测器(5)相连接。

5.如权利要求2所述的低慢小目标激光跟踪装置，其特征在于，

所述单光子探测器(5)采用自由运转工作模式的单光子探测器；所述符合测量计数器(6)基于FPGA实现多路信号采集和亚纳秒测量时间分辨率，进行光子到达时间测量，同时输出同步脉冲驱动所述高功率脉冲激光器。

6.一种如权利要求1所述的低慢小目标激光跟踪装置的工作方法，其特征在于，包括：

S1、候选目标探测；

根据所述符合测量计数器(6)计算的时间分辨率，建立光子到达时间分布直方图，获取各个测量通道的光子计数数据，每次累积z＝100个激光脉冲周期的光子计数进行信号检测；采用滑窗法在直方图上进行信号检测，统计滑窗内的光子数N：

其中，k为滑窗在直方图中的区间位置，m为滑窗区间数目，n_i为第i个直方图区间内的光子数；

如果N大于候选信号检测门限T₀，则将区间[k,k+m]标记为候选目标信号区间；

S2、目标信号测量；

对于任一测量通道j，统计区间[k,k+m]内的光子数N_j：

其中，n_i,j为测量通道j内直方图区间i内的光子数；

根据光纤在光纤束中的相对位置(x_j,y_j)，计算出候选目标质心位置(x,y)：

其中，J为测量通道的数量；

调整所述二轴伺服转台的方位、俯仰指向，使得光纤束中心指向候选目标的质心位置；通过中心光纤通道测量候选目标信号，通过滑窗法检测出的光子数N′大于目标信号检测门限T₁，则将该目标作为稳定目标，其中T₁>T₀；

S3、目标定位跟踪；

利用中心光纤通道对目标进行实时测量，更新目标信号区间[k,k+m]；根据7个测量通道计算目标信号的质心，不断调整二轴伺服转台方位、俯仰指向，使得光纤束中心始终指向目标质心位置。

7.一种如权利要求6所述的低慢小目标激光跟踪装置的工作方法，其特征在于，还包括：

S4、结束跟踪判断；

如果中心光纤通道对目标测量的光子数N′小于信号检测门限T₁，则结束跟踪。

8.如权利要求6或7所述的工作方法，其特征在于，在所述S1中获取7个测量通道的光子计数数据。