TW202024582A - 脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統及成像裝置 - Google Patents

脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統及成像裝置 Download PDF

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Abstract

一種脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器包括經組態以將雷射信號轉換成電信號的光偵測器之一二維InGaAs FPA。一ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以調節來自該InGaAs FPA之電信號。一模組可操作地連接至該ROIC以解碼該等經調節之電信號中的脈衝碼及提供用於在二維空間中追蹤經解碼之雷射光點的輸出。在另一態樣中，一種成像裝置包括一成像器，該成像器具有可操作地連接至一第一ROIC以進行成像的一成像FPA。如下文所描述包括一第二ROIC之一种脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器可操作地連接至該第一ROIC。該等第一及第二ROIC被可操作地連接以使來自該成像FPA之影像中的經解碼之雷射光點的位置相關。

Description

脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統及成像裝置
本揭示案係關於雷射指示，且更明確言之，係關於對來自脈衝雷射指示器之脈衝雷射簽字的偵測、追蹤及解碼。
此項技術中已知有各種裝置及方法用於雷射光點追蹤。傳統雷射指示系統包括雷射指示器，該雷射指示器用於照射相關物件或對相關物件作畫。雷射指示器根據如由使用者指定之設定以預定脈衝串之形式發出雷射脈衝。追蹤裝置可偵測雷射光點且對其進行追蹤。
此類習知方法及系統就其既定目的而言，通常被認爲係令人滿意的。然而，此項技術中仍需要改良之雷射指示器脈衝偵測。本揭示案提供符合此種需要之解决方案。
一種脈衝重複頻率(PRF)偵測器及解碼器包括經組態以將入射雷射能量轉換成電信號的光偵測器之二維砷化銦鎵(InGaAs)焦面陣列(FPA)。讀出積體電路(ROIC)可操作地連接至該FPA以調節來自該FPA之電信號。一模組可操作地連接至該ROIC以偵測、解碼及追蹤該等經調節之電信號中的脈衝雷射能量及提供用於在二維空間中追蹤經解碼之雷射光點的輸出。
該InGaAs FPA可經組態以接收直至且包括1700 nm之波長，例如1064 nm之SWIR波長、1550 nm波長或任何其他合適之波長。該InGaAs FPA可包括複數列及複數行光偵測器。該InGaAs FPA可包括光偵測器之至少一32乘32陣列。
該ROIC可經組態以在至少20 kHz之頻率下自該InGaAs FPA進行讀取。該ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以調節電信號以便在該模組中同時追蹤及解碼多個雷射光點。
可操作地連接至該ROIC之該模組可包括經組態以指示該模組進行以下操作的機器可讀指令：自該ROIC接收關於自至少一個標靶反射之脈衝能量之一連串跨時影像的信號，每一影像包括與不同之雷射指示器有關的複數個脈衝；在所接收到之影像中的一影像中偵測該等脈衝；輸出脈衝偵測資訊，該脈衝偵測資訊包括與各別偵測到之脈衝相關聯的XY像素座標及到達時間資訊；使該脈衝偵測資訊與特定之雷射指示器源相關聯；及産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且與對應之雷射指示器相關聯。亦預期到，該等機器可讀指令可包括經組態以指示該模組進行以下操作的指令：相對於與具有相同脈衝碼的一先前接收及偵測到之脈衝相關聯的脈衝偵測器資訊來判定與該等偵測到之脈衝中之一者相關聯的相關聯之XY像素座標之間的距離是否在預定臨限值內；及倘若如此，則驗證與該等偵測到之脈衝中之該者相關聯的脈衝偵測器資訊。
濾波器組合件可耦接至該光偵測器系統以改良信號雜訊比。可包括輸出連接器以連接至成像裝置以便將經解碼之雷射脈衝資料自該模組傳送至成像裝置。
在另一態樣中，一種成像裝置包括成像器，該成像器具有可操作地連接至第一ROIC以進行成像的成像FPA。如上文所描述包括第二ROIC之脈衝重複頻率解碼器可操作地連接至該第一ROIC。該等第一及第二ROIC被可操作地連接以使來自該成像FPA之影像中的經解碼之雷射光點的位置相關。舉例而言，該成像FPA可經組態以在可見光、熱、夜視及/或任何其他合適之波長中的至少一者中成像，且該InGaAs FPA可經組態以接收直至且包括1700 nm之波長。
根據以下對較佳實施例之詳細描述且結合諸圖來理解，本揭示案之系統及方法的此等及其他特徵對於熟習此項技術者而言將變得更顯而易見。
現將參考諸圖，在諸圖中，相同元件符號標示本揭示案之相同結構特徵或態樣。爲了進行闡釋及說明且不帶限制性，根據本揭示案之脈衝重複頻率解碼器之示例性實施例的局部視圖示於圖2中且通常用元件符號100指示。如將描述，根據本揭示案之解碼器的其他實施例或其態樣提供於圖1及圖3至圖5中。本文中描述之系統及方法可用於偵測及解碼脈衝雷射信號。
首先參考圖1，可藉由雷射指示器20照射標靶10或對標靶10作畫。用元件符號30來標示來自雷射指示器20之入射雷射射束。如藉由圖1中之虛綫所指示，一部分射束30自標靶反射。系統50接收一部分自標靶10反射之雷射。雷射指示器20可對射束30施以脈衝使之帶有預定碼，且可解碼由系統50接收到之脈衝以將標靶資訊提供給使用系統50之人或裝置。
參考圖2，系統50爲成像裝置且包括成像器52及解碼器100。輸入連接器54及輸出連接器56將成像器連接至解碼器100以便將經解碼之雷射脈衝資料自解碼器100之模組112傳送至成像器52。可使來自解碼器100的經解碼之雷射脈衝資料與成像器52之影像相關，例如，以在成像器52之目鏡中顯示影像上之雷射指示資料。亦預期到，在某些應用中，獨立裝置可在不需要目鏡之情况下使用成像器52與解碼器100之組合輸出。
現參考圖3，解碼器100包括雷射偵測器，該雷射偵測器具有經組態以將雷射信號轉換成電信號的光偵測器(亦即，焦面陣列(FPA)中之像素)之二維InGaAs FPA 102。讀出積體電路(ROIC 104)可操作地連接至光偵測器之InGaAs FPA 102以偵測來自光偵測器之InGaAs FPA 102的電信號中之脈衝碼且調節電壓及信號。
光偵測器之InGaAs FPA 102包括複數列及複數行光偵測器。熟習此項技術者將容易瞭解到，可使用任何陣列幾何形狀，且圖2及圖3中示意性地示出之矩形陣列僅爲一個實例。預期到合適之InGaAs FPA 102可包括(例如)光偵測器之至少一32乘32陣列。InGaAs FPA 102由InGaAs形成。InGaAs可經組態(例如，可調整砷化銦與砷化鎵之相對量)以接收直至且包括1.7微米之波長，諸如經最佳化而接收1064 nm波長輻射、1550 nm波長輻射或任何其他合適之波長的InGaAs。
光學組合件106光學地耦接至InGaAs FPA 102，且可包括用於改良信號雜訊比之一或多個濾波器組合件及/或用於由入射輻射在InGaAs FPA 102上形成雷射光點之影像的透鏡組合件，該入射輻射(例如)係來自一或多個指示器20且由一或多個標靶10反射出來。舉例而言，光學組合件106可包括用於最佳化雷射能量之集合的單個單元透鏡或透鏡陣列及在InGaAs FPA 102前面的用於改良信號雜訊雷射偵測之窄頻帶濾波器。
圖4示意性地示出了在InGaAs FPA 102上接收到之兩個雷射光點108及110的影像。此展示了相較於使用象限組態之傳統雷射脈衝解碼器的顯著優點，因爲可在二維空間中以明顯較高之空間解析度來追蹤雷射光點108及110，藉此允許使用者或系統更精確地確定脈衝在二維空間中之位置。
再次參考圖2，ROIC 104可具有適於自InGaAs FPA 102讀取順序影像圖框的(例如)至少20,000 fps (20 kHz)之圖框速率。此速率允許ROIC 104在InGaAs FPA 102上成像之雷射光點中偵測脈衝碼。當來自指示器20之雷射能量入射於InGaAs FPA 102上時，在FPGA或類似者內處理信號以確定InGaAs FPA 102上偵測到脈衝之位置。ROIC 104可操作地連接至InGaAs FPA 102以同時追蹤及解碼多個雷射光點。
模組112中之輔助電子器件(包括FPGA)被連接上以自ROIC 104接收資料，以解碼經調節之電信號中的脈衝碼及提供用於在二維空間中追蹤經解碼之雷射光點的輸出。模組112可包括(例如)用於控制引導或追蹤系統、用於覆蓋關於來自單獨之成像裝置的影像之雷射光點資訊或類似操作的額外資料處理組件及輸出連接器/介面。
模組112可包括經組態以指示模組112進行以下操作的機器可讀指令：自ROIC 104接收關於自至少一個標靶反射之脈衝能量之一連串跨時影像的信號，每一影像包括與不同之第一及第二脈衝碼有關的複數個脈衝；在所接收到之影像中的一影像中偵測該等脈衝；輸出脈衝偵測資訊，該脈衝偵測資訊包括與各別偵測到之脈衝相關聯的XY像素座標及到達時間資訊；使該脈衝偵測資訊與該等第一及第二脈衝碼相關聯；及産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且與對應之第一及第二脈衝相關聯。亦預期到，該等機器可讀指令可包括經組態以指示模組112進行以下操作的指令：相對於與具有相同脈衝碼的一先前接收及偵測到之脈衝相關聯的脈衝偵測器資訊來判定與該等偵測到之脈衝中之一者相關聯的相關聯之XY像素座標之間的距離是否在預定臨限值內；及倘若如此，則驗證與該等偵測到之脈衝中之該者相關聯的脈衝偵測器資訊。
現參考圖5，成像器52包括成像FPA 202，該成像FPA可操作地連接至ROIC 204以進行成像。舉例而言，成像FPA 202可經組態以在可見光、熱、夜視及/或任何其他合適之波長中的至少一者中成像。光學組合件206光學地耦接至成像FPA 202，且可包括用於改良信號雜訊比之一或多個濾波器組合件及/或用於形成影像之透鏡組合件。模組212被可操作地連接以自ROIC 204接收影像資料，且包括(例如)用於使來自ROIC 204之影像資料與來自ROIC 104之經解碼雷射資料相關聯的輔助電子器件及連接器54。ROIC 104及204因此被可操作地連接以使來自成像FPA 202之影像中的經解碼雷射光點之位置相關。解碼器100及成像器52中之每一者可容納於密封之機械殼體中。
如上文所描述及諸圖中所示的本揭示案之方法及系統提供具有優良特性之雷射脈衝偵測器，該等優良特性包括以高空間解析度來追蹤及解碼多個雷射光點。雖然已參考較佳實施例示出及描述了本揭示案之設備及方法，但熟習此項技術者將容易認識到，在不脫離本揭示案之範疇的情况下可對其進行變更及/或修改。
10:標靶 20:雷射指示器 30:射束 50:系統 52:成像器 54:輸入連接器 56:輸出連接器 100:解碼器 102:InGaAs FPA 104:ROIC 106:光學組合件 108:雷射光點 110:雷射光點 112:模組 202:成像FPA 204:ROIC 206:光學組合件 212:模組
爲了使熟習本揭示案所屬技術之人員在無需進行過度實驗之情况下會容易地理解如何製作及使用本揭示案之裝置及方法，將在下文參照某些圖式來詳細地描述本揭示案之較佳實施例，其中：
圖1爲根據本揭示案建構的成像裝置之示例性實施例的示意圖，示出了雷射指示器及標靶；
圖2爲成像裝置之示例性實施例的分解透視圖，示出了成像器及解碼器；
圖3爲圖2所示之解碼器的示意圖，示出了具有像素之二維陣列的焦面陣列(FPA)；
圖4爲圖3所示之焦面陣列的示意圖，示出了像素之該二維陣列上的兩個雷射光點；及
圖5爲圖2所示之成像器的示意圖。
50:系統
52:成像器
54:輸入連接器
56:輸出連接器
100:解碼器

Claims (16)

  1. 一種脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，包括： 光偵測器之一二維InGaAs FPA，該FPA經組態以將雷射信號轉換成電信號； 一第一ROIC，該ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以調節來自該InGaAs FPA之電信號；及 至少一模組，該模組可操作地連接至該第一ROIC以解碼該等經調節之電信號中的脈衝碼及提供用於在二維空間中追蹤經解碼之雷射光點的輸出，其中該至少一模組包括經組態以指示該至少一模組進行以下操作的機器可讀指令：自該第一ROIC接收關於自至少一個標靶反射之脈衝能量之一連串跨時影像的信號，每一影像包括與不同之第一及第二脈衝碼有關的複數個脈衝；在接收到之影像中的一影像中偵測該等脈衝；輸出脈衝偵測資訊，該脈衝偵測資訊包括與各別偵測到之脈衝相關聯的XY像素座標及到達時間資訊；使該脈衝偵測資訊與該等第一及第二脈衝碼相關聯；及産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且與對應之第一及第二脈衝相關聯，其中該至少一模組被可操作地連接以自一第二ROIC接收影像資料，且包括用於使來自該第二ROIC之影像資料與來自該第一ROIC之經解碼雷射資料相關聯的輔助電子器件，因此該第一ROIC及該第二ROIC被可操作地連接以使來自該FPA之影像中的經解碼雷射光點之位置相關。
  2. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該InGaAs FPA經組態以接收直至且包括1700 nm之波長。
  3. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該InGaAs FPA經組態以偵測1064 nm波長之雷射光。
  4. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該InGaAs FPA經組態以偵測1550 nm波長之雷射光。
  5. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該ROIC經組態以在至少20 kHz之一頻率下自該InGaAs FPA進行讀取。
  6. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以調節電信號以便在該模組中同時追蹤及解碼多個雷射光點。
  7. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該InGaAs FPA包括複數列及複數行光偵測器。
  8. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該InGaAs FPA包括光偵測器之至少一32乘32陣列。
  9. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，進一步包括一濾波器組合件，該濾波器組合件光學地耦接至光偵測器之該InGaAs FPA以改良信號雜訊比。
  10. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中可操作地連接至該ROIC之該至少一模組包括經組態以指示該模組進行以下操作的機器可讀指令： 使該脈衝偵測資訊與一雷射指示器源相關聯；及 産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且與該雷射指示器源相關聯。
  11. 如請求項10之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，其中該等機器可讀指令包括經組態以指示該模組進行以下操作的指令： 相對於與具有相同脈衝碼的一先前接收及偵測到之脈衝相關聯的脈衝偵測器資訊來判定與該等偵測到之脈衝中之一者相關聯的該等相關聯之XY像素座標之間的一距離是否在一預定臨限值內；及 倘若如此，則驗證與該等偵測到之脈衝中之該者相關聯的脈衝偵測器資訊。
  12. 如請求項1之脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，進一步包括一輸出連接器，該輸出連接器經組態以連接至一成像裝置以便將經解碼之雷射脈衝資料自該至少一模組傳送至一成像裝置。
  13. 一種成像裝置，包括： 一成像器，該成像器包括可操作地連接至一第一ROIC以進行成像的成像FPA；及 一脈衝重複頻率解碼器，該解碼器可操作地連接至該第一ROIC，該解碼器包括： 光偵測器之一二維InGaAs FPA，該FPA經組態以將雷射信號轉換成電信號； 一第二ROIC，該第二ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以解碼來自該InGaAs FPA之電信號中的脈衝碼，其中該等第一及第二ROIC被可操作地連接以使來自該成像FPA之影像中的經解碼之雷射光點的位置相關；及 至少一模組，該至少一模組包括經組態以指示該至少一模組進行以下操作的機器可讀指令：自該第一ROIC接收關於自至少一個標靶反射之脈衝能量之一連串跨時影像的信號，每一影像包括與不同之第一及第二脈衝碼有關的複數個脈衝；在接收到之影像中的一影像中偵測該等脈衝；輸出脈衝偵測資訊，該脈衝偵測資訊包括與各別偵測到之脈衝相關聯的XY像素座標及到達時間資訊；使該脈衝偵測資訊與該等第一及第二脈衝碼相關聯；及産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且與對應之第一及第二脈衝相關聯，其中該至少一模組被可操作地連接以自該第二ROIC接收影像資料，且包括用於使來自該第二ROIC之影像資料與來自該第一ROIC之經解碼雷射資料相關聯的輔助電子器件，因此該第一ROIC及該第二ROIC被可操作地連接以使來自該FPA之影像中的經解碼雷射光點之位置相關。
  14. 如請求項13之成像裝置，其中該成像FPA經組態以在可見光、熱或夜視中之至少一者中成像。
  15. 如請求項13之成像裝置，其中該InGaAs FPA經組態以接收直至且包括1700 nm之波長。
  16. 一種脈衝重複頻率偵測器、追蹤器及解碼器系統，包括： 光偵測器之一二維InGaAs FPA，該FPA經組態以將雷射信號轉換成電信號； 一ROIC，該ROIC可操作地連接至該InGaAs FPA以調節來自該InGaAs FPA之電信號；及 一模組，該模組可操作地連接至該ROIC以解碼該等經調節之電信號中的脈衝碼及提供用於在二維空間中追蹤經解碼之雷射光點的輸出，其中該模組可操作地連接至該ROIC且包括經組態以指示該模組進行以下操作的機器可讀指令：自該ROIC接收關於自至少一個標靶反射之脈衝能量之一連串跨時影像的信號，每一影像包括與不同之第一及第二脈衝碼有關的複數個脈衝；在接收到之影像中的一影像中偵測該等脈衝；輸出脈衝偵測資訊，該脈衝偵測資訊包括與各別偵測到之脈衝相關聯的XY像素座標及到達時間資訊；使該脈衝偵測資訊與一雷射指示器源相關聯；産生關於該至少一個標靶在空間中之輸出位置資訊，該輸出位置係基於該等XY像素座標且該雷射指示器源相關聯；相對於與具有相同脈衝碼的一先前接收及偵測到之脈衝相關聯的脈衝偵測器資訊來判定與該等偵測到之脈衝中之一者相關聯的該等相關聯之XY像素座標之間的一距離是否在一預定臨限值內；及倘若如此，則驗證與該等偵測到之脈衝中之該者相關聯的脈衝偵測器資訊。
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