CN1828332A - 隐色飞行目标的激光探测装置 - Google Patents

Abstract

一种隐色飞行目标的激光探测装置，该装置由激光器，第一分光镜、第二分光镜、偏振分光片、1/4波片、望远镜，全反射镜、开关和光学多普勒成像检测装置组成，其位置关系是：在所述的激光器的输出光束的光轴上依次地设有第一分光镜、偏振分光片、1/4波片和望远镜，所述的第一分光镜和偏振分光片均与所述的输出光束成45°设置，在所述的第一分光镜的反射光束方向置有全反射镜，在该全反射镜的反射光穿过所述的开关的光路与所述的偏振分光片的激光回波的反射光光路的交叉点并与光路成45°地置有第二分光镜，该第二分光镜的输出光方向有所述的光学多普勒成像检测装置。本发明装置可以确定隐色目标飞行物的方位、高度、速度和方向。

Description

隐色飞行目标的激光探测装置

技术领域

本发明涉及隐色飞行目标，特别是一种利用高分辨激光多普勒成像技术的隐色飞行目标的激光探测装置，以获取隐色飞行目标的速度、高度和方向信息。

背景技术

隐色飞行目标的监控和探测在试验和安全领域具有重要的作用。目前，隐色飞行目标采用的隐色吸波涂料和结构主要是针对厘米波的，而对红外和可见光的能力有限，特别是近紫外隐色技术难度更大。因此采用微波雷达探测隐色飞行目标，探测能力受限，而且距离分辨率低，抗电子干扰差。

基于高分辩激光多普勒成像的探测技术能够实时的扫描大气，并进行差分处理，当有隐色飞行目标出现在扫描视场中时，能够得到目标散射光信号，从多普勒频移量和频移量变化方向，就可以从背景大气中提取隐色飞行目标的位置、速度和方向信息。高分辩激光多普勒成像技术具有时空分辨率高，抗干扰能力强，保密性好，容易实现地基移动或机载平台探测。

发明内容

本发明要解决技术的问题：克服现有的微波系统探测能力的不足，提供一种隐色飞行目标的激光探测装置，以确定目标飞行物的位置、速度和方向。

本发明的基本原理是基于高分辩激光多普勒成像的直接探测方法，使用条纹图像型干涉仪，线阵成像探测器进行探测，从获取的干涉光谱多普勒频移信息，确定隐色目标飞行物的位置、速度和方向。

本发明的技术解决方案如下：

一种隐色飞行目标的激光探测装置，该装置由激光器，第一分光镜、第二分光镜、偏振分光片、1/4波片、望远镜，全反射镜、开关和光学多普勒成像检测装置组成，其位置关系是：在所述的激光器的输出光束的光轴上依次地设有第一分光镜、偏振分光片、1/4波片和望远镜，所述的第一分光镜和偏振分光片均与所述的输出光束成45°设置，在所述的第一分光镜的反射光束方向置有全反射镜，在该全反射镜的反射光穿过所述的开关的光路与所述的偏振分光片的激光回波的反射光光路的交叉点并与光路成45°地置有第二分光镜，该第二分光镜的输出光方向有所述的光学多普勒成像检测装置。

所述的光学多普勒成像检测装置的构成是：自输入光路依次为：窄带滤光片、扩束镜、多光束菲索(Fizeau)干涉仪、干涉仪温控密封箱、成像光学系统、探测器和具有信号处理及控制模块的计算机组成，所述的计算机一方面接收从探测器的信息进行数据处理，输出探测结果，另一方面对干涉仪温控密封箱、开关和干涉仪的压电陶瓷的工作进行稳定的同步控制。

所述的激光器为单纵模激光器。

所述的第一分光镜和第二分光镜是高透过低反射的光学镜片，其透过率≥99.5％。

由所述的偏振分光片和1/4波片组成的偏振隔离器，对p偏振光增透，对s偏振光全反。

所述的望远镜是发射和接收共光轴的系统。

所述的探测器为多通道的光电倍增管(PMT)探测器或多通道CCD探测器。开关7控制参考激光进入光学多普勒成像检测系统9，提供零速度参考位置，由步进电机控制，每分钟让一个激光脉冲通过即可。

本发明隐色飞行目标的激光探测装置的工作过程的实质是通过偏振隔离器和开关分别将参考光和接收的目标信号光引入高分辩的光学多普勒成像检测装置，多通道的探测器接收多光束Fizeau干涉仪干涉光谱，根据干涉光谱重心幅度的变化和多普勒频移量成正比的关系，分析目标信号光和参考光干涉光谱重心位置变化幅度，以求得多普勒频移量，反演目标速度，其中目标信号光重心位置是对接收光进行差分减去大气背景风场后得到的。而从干涉光谱重心位置变化方向，可以判断目标飞行方向是沿视线接近还是远离测量系统。

优化设计了干涉仪，其成像自由光谱范围为7.5GHz，而对于355nm激光波长，±350m/s速度变化对应的多普勒频移量为4GHz，因此本发明设计的高分辩激光多普勒成像系统能够覆盖很大速度范围。

本发明探测隐色飞行目标的测量过程包括：

1)激光器发射脉冲激光大部分光透过第一分光镜，偏振分光片和1/4波片，和望远镜进入大气；

2)偏振分光片和1/4波片组成的偏振隔离器，对发射激光和接收信号光进行偏振隔离分光。

3)望远镜的发射激光和接收望远镜共光轴，望远镜接收的目标散射信号光透过1/4波片，由偏振分光片反射，再透过第二分光片进入光学多普勒成像检测系统；

4)很少一部分发射激光经过第一分光片反射，经全反射镜6的反射后通过开关和第二分光片部分反射，进入所述的多普勒成像检测系统9，作为零速度的参考光；

5)接收的目标散射信号光和参考光在计算机的控制下，由开关控制分时进入光学多普勒成像检测系统；

6)在光学多普勒成像检测系统中，计算机从探测器获得信息并经数据处理，从减去大气背景的差分信号光相对参考光干涉条纹重心位置的变化幅度和方向，确定视线方向隐色飞行目标速度和方向，从发射和返回光的时间差上确定距离，结合激光发射接收仰角来确定目标飞行高度。

本发明与现有技术相比具有的优点在于：

(1)本发明采用了激光多普勒成像测量技术探测隐色飞行目标，可以弥补微波技术探测能力不足。

(2)相对传统的微波雷达抗电磁干扰能力强，反应灵敏。

(3)本发明能够同时探测隐色目标飞行速度，方向和高度，时空分辨率高。还能够反演大气风速。

(4)本发明采用了特殊的条纹成像光学干涉仪和线性探测器，探测效率高。

(5)本发明采用了干涉仪两级温控和腔长压电陶瓷调节系统，大大降低了激光器频率漂移和环境变化带来的影响。

(6)本发明原理简单，易于实现。采用现有的光学和电子技术，本测量系统易于实现。

附图说明

图1为本发明隐色飞行目标激光探测装置的整体结构框图

图2为本发明光学多普勒频移检测系统结构示意图

图3为当隐色目标远离本发明装置时的干涉仪各信号光谱图

图4为当隐色目标接近本发明装置时的干涉仪各信号光谱图

图中：1-发射激光器、2-第一分光片、3-第二光学镜片、4-第三光学镜片、5-望远镜、6-全反射镜、7-开关、8-第二分光片、9-光学多普勒频移检测装置、91-窄带滤光片、92-扩束镜、93-干涉仪、94-干涉仪温控密封箱，95-成像光学系统、96-探测器以及97-信号处理控制模块10-参考光谱线、11-大气散射光谱线、12-目标远离本发明探测装置时叠加大气和目标的散射光谱线、13-目标远离本发明探测装置时的目标散射光谱线、14-目标接近本发明探测装置时叠加大气合目标的散射光谱线、15-目标接近本发明探测装置时的目标散射光谱线。

具体实施方式

先请参阅图1，图1为本发明隐色飞行目标激光探测装置的整体结构框图，由图可见，本发明隐色飞行目标的激光探测装置，由激光器1，第一分光镜2、第二分光镜8、偏振分光片3、1/4波片4、望远镜5、全反射镜6、开关7和光学多普勒成像检测装置9组成，其位置关系是：在所述的激光器1的输出光束的光轴上依次地设有第一分光镜2、偏振分光片3、1/4波片4和望远镜5，所述的第一分光镜2和偏振分光片3均与所述的输出光束成45°设置，在所述的第一分光镜2的反射光束方向置有全反射镜6，在该全反射镜6的反射光穿过所述的开关7的光路与由所述的偏振分光片3反射的激光回波的反射光路的交叉点并与光路成45°地置有第二分光镜8，该第二分光镜8的输出光方向有所述的光学多普勒成像检测装置9。

所述的光学多普勒成像检测装置9的构成：自输入光路依次为：窄带滤光片91、扩束镜92、多光束Fizeau干涉仪93、干涉仪温控密封箱94、成像光学系统95、探测器96和具有信号处理及控制模块的计算机97组成，所述的计算机97一方面接收从探测器96输出的信息并进行数据处理，输出探测结果，另一方面对干涉仪温控密封箱94、开关7和干涉仪的压电陶瓷的工作进行稳定的同步控制。

所述的激光器1为单纵模激光器。所述的第一分光镜2、第二分光镜8是高透过低反射的光学镜片，其透过率≥99.5％。

由所述的偏振分光片3和1/4波片4组成的偏振隔离器，对p偏振光增透，对s偏振光全反。对发射激光和接收的目标散射信号光进行隔离分束。

所述的望远镜5是发射和接收共光轴的系统。

所述的探测器96为多通道的光电倍增管探测器或多通道CCD探测器。

下面给出本发明实施例一些具体参数：所说激光器1为重复频率100Hz，单纵模激光器。所述的第一分光镜2和第二分光镜8的透过率约99.5％，所说偏振隔离器，对p偏振光增透，对s偏振光全反，所说望远镜5，视场可以调节。所述的望远镜5的口径为300mm，经它既发射激光进入大气，同时接收飞行目标散射的回波信号。开关7的作用是保证参考激光和飞行目标散射的回波信号光分时进入光学多普勒频移检测装置9，参考激光提供了零速度的参考光谱线10的位置，同时可以消除激光器短期频率漂移带来的误差。光学多普勒频移检测系统9的窄带滤光片91的中心频率为355nm，带宽0.2nm，峰透过率大于65％，滤掉了背景太阳光，提高了信噪比。4倍扩束镜92对接收的飞行目标散射的回波信号光进行扩束，减小进入所述的多光束Fizeau干涉仪93的参考光或飞行目标散射的回波信号光的发散角，以满足1个自由光谱成像要求，多光束Fizeau干涉仪93自由光谱范围为7.5GHz，反射率约为80％，多光束Fizeau干涉仪被放在两级温控的密封箱体94中，温度稳定性优于0.01℃/24小时，受环境变化影响很小，成像光学系95将在一个干涉光谱成像在具有8通道的PMT探测器96上，计算机97能够实时处理光谱信号，显示隐色飞行目标的速度、高度和方向，并控制干涉仪腔长调节以及为温控箱提供控制信号。

所说的窄带滤光片91抑制背景太阳光。扩束镜92的使用，进一步减小了进入干涉仪的发散角，满足1个自由光谱范围成像角度要求。干涉仪93为多光束Fizeau干涉仪，该干涉仪和传统的FP干涉仪类似，不过它的两个干涉平板之间不是平行，而是有一个很小的夹角(1秒左右)，而且腔长和夹角为压电陶瓷PZT可调，干涉仪PZT控制系统调节角度使得只有一个干涉仪条纹处在视场中。干涉仪温控密封箱94能够长时间稳定工作。信号处理及控制模块97控制干涉仪温控密封箱94，以及驱动干涉仪93压电陶瓷调节腔长，另外它处理探测器接收的信号。图2或3为参考光和接收信号光进入光学多普勒成像检测系统9的光谱信号图，它们分别表示了飞行目标远离或接近探测系统时的状况。

本发明隐色飞行目标激光探测装置的探测过程：

激光器1发射的激光透过第一分光镜2的大部分激光，经偏振分光片3和1/4波片4组成的偏振隔离器、望远镜5射入大气，小部分激光作为参考光经全反射镜6、开关7和第一分光镜8，进入光学多普勒频移检测装置9。在该光学多普勒频移检测装置9中多光束的Fizeau干涉仪93形成直线型条纹，相对传统的FP干涉仪具有较大的优势，条纹光谱移动与多普勒频移成线性变化，可以直接使用多通道线性PMT探测器或CCD探测器96成像为干涉仪光谱。因为参考光频率为发射激光频率，可以求得参考光谱10重心对应的多通道探测器的通道位置，就是零速度的参考标定位置。激光器1发射的激光透过第一分光镜2的大部分激光，经偏振分光片3和1/4波片4组成的偏振隔离器、望远镜5射入大气后，当视场中没有隐色飞行目标，望远镜接收的大气散射信号光谱，如图3和图4中的大气散射信号光谱11，与参考光光谱10的位置进行对比，可以测量大气风速。当有隐色飞行目标出现在接收望远镜视场中时，激光投射到飞行目标，该飞行目标便产生多普勒频移信号，如图3和图4中的目标散射谱线13或15，它们是从叠加的散射光谱12或14减去背景大气散射光谱11得到的。接收望远镜5接收的各种散射多普勒频移信号光，经过偏振隔离器反射，高透过的第二分光片8进入光学多普勒频移检测系统9，对散射信号高分辩多普勒光谱成像，测量光谱位置并和标定的参考光谱位置对比，就可以确定飞行目标在视线方向上的飞行速度以及飞行方向，从发射激光和的返回散射信号光时间差，结合视场方向就可以知道高速飞机所在高度，因此可以有效的监测隐形飞行目标。

隐色飞行目标参数探测是这样实现的：当有目标出现在视场中时，叠加大气和目标散射的光谱为12或14，它们与之前没有目标出现时的大气散射光谱11进行差分光谱图像处理，就能够得到目标的散射光谱13或15，计算目标光谱重心位置对应的探测器通道数，然后和参考光谱10的重心位置对应的通道数作比较，就可以测量飞行目标的速度高度和飞行方向信息。

Claims (7)

1、一种隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于：该装置由激光器(1)，第一分光镜(2)、第二分光镜(8)、偏振分光片(3)、1/4波片(4)、望远镜(5)，全反射镜(6)、开关(7)和光学多普勒成像检测装置(9)组成，其位置关系是：在所述的激光器(1)的输出光束的光轴上依次地设有第一分光镜(2)、偏振分光片(3)、1/4波片(4)和望远镜(5)，所述的第一分光镜(2)和偏振分光片(3)均与所述的输出光束成45°设置，在所述的第一分光镜(2)的反射光束方向置有全反射镜(6)，在该全反射镜(6)的反射光穿过所述的开关(7)的光路与所述的偏振分光片(3)的激光回波的反射光光路的交叉点并与光路成45°地置有第二分光镜(8)，该第二分光镜(8)的输出光方向有所述的光学多普勒成像检测装置(9)。

2、根据权利要求1所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于所述的光学多普勒成像检测装置(9)的构成：自输入光路依次为：窄带滤光片(91)、扩束镜(92)、多光束Fizeau干涉仪(93)、干涉仪温控密封箱(94)、成像光学系统(95)、探测器(96)和具有信号处理及控制模块的计算机(97)组成，所述的计算机(97)一方面接收从探测器(96)的信息进行数据处理，输出探测结果，另一方面对干涉仪温控密封箱(94)、开关(7)和干涉仪的压电陶瓷的工作进行稳定的同步控制。

3、根据权利要求1所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于所述的激光器(1)为单纵模激光器。

4、根据权利要求1所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于所述的第一分光镜(2)、第二分光镜(8)是高透过低反射的光学镜片，其透过率≥99.5％。

5、根据权利要求1所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于由所述的偏振分光片(3)和1/4波片(4)组成的偏振隔离器，对p偏振光增透，对s偏振光全反。

6、根据权利要求1所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于所述的望远镜(5)是发射和接收共光轴的系统。

7、根据权利要求2至6任一项所述的隐色飞行目标的激光探测装置，其特征在于所述的探测器(96)为多通道的光电倍增管探测器或多通道CCD探测器。

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