光斑跟踪器及利用其进行目标识别与跟踪的方法

摘要

本发明涉及光跟踪技术领域内的一种光斑跟踪器，由接收光学系统、探测放大器、信号处理器、电源分配器、转接电路五个模块组成，体积小，重量轻，采用信号的数字化转换、数字化处理与数字化控制技术，实现了预先不告知激光编码，且存在多个被照射目标的识别，让操控人选择跟踪最紧迫的目标；多通道信号的相关处理方法，能在低输入信噪比条件下，消除杂光噪声的影响，鉴别出远距离的弱目标信号，增大探测距离，同时可以在相等测角精度条件下，增大接收视场；对目标信号探测能力的计算，可以间接地判断环境因素下的制导能力，便于操控人员作出决策。

说明书

技术领域

本发明涉及光跟踪技术领域，特别涉及一种跟踪激光光斑的光电测角仪及其目标识别与跟踪方法。

背景技术

利用光的准直性和高速传输特性，可以在自由空间实现对运动物体的精确捕获与跟踪。光斑跟踪原理为，首先用光或激光指示目标，然后光斑跟踪器通过接收目标反射的光对目标进行精密测角与跟踪。在国民经济建设中需要光斑跟踪的应用领域非常广泛，卫星间的测量与对接，大气激光通信（包括野外局域通信系统与城市数据通信系统），及太阳能发电系统，都需要采用光斑跟踪器在两个通信基站之间动态精确对准。

在国外，光斑跟踪器已经在城市网络激光通信系统、移动激光通信系统及军事目标跟踪系统中普遍应用。在国内由于技术差距的原因，光斑跟踪器只在个别领域应用，且与国外产品相比，功能和技术性能上有较大差距。国内，大多采用热像仪和电视摄像仪跟踪识别目标，但热像仪电视摄像仪跟踪距离较近，不能识别目标编码，容易被杂光干扰而造成对目标的错误识别。目前的光斑跟踪器存在的不足有：（1）结构复杂，体积庞大；（2）探测灵敏度不足；（3）接收视场角小；（4）不能同时识别多个被激光照射的目标；（5）不能识别预先没有告知激光编码的目标；（6）无制导能力判断功能；（7）成本较高。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种光斑跟踪器，使其具备预先不告知激光编码，或多种激光编码环境下识别目标的能力，其探测距离远、接收视场角大、成本低。

本发明所述的光斑跟踪器是指手持、或机载、或车载等广泛意义上的光斑跟踪器，下文一概用“光斑跟踪器”这个术语表达。

本发明的光斑跟踪器，包括：一种光斑跟踪器，包括：

接收光学系统：用于接收目标反射的光回波信号，并将光信号汇聚在光电探测器光敏面上；所述接收光学系统包括：光具座、第二凹凸透镜、第一凹凸透镜、滤光镜和平凸透镜，第二凹凸透镜、第一凹凸透镜、滤光镜和平凸透镜顺序安装在光具座中，滤光镜安装在平凸透镜与第一凹凸透镜之间；

探测放大器：用于将光信号转换成电信号，再将微弱电信号放大到满足后续电路要求的电平；所述探测放大器包括：光电探测器、互阻抗放大器、主放大器、偏置电源，光电探测器、互阻抗放大器和主放大器顺序连接，偏置电源与光电探测器相连接；互阻抗放大器和主放大器含有各自的增益控制电路及其增益控制信号输入端；

信号处理器：用于对探测放大器输出的电信号进行处理，输出目标偏离角度信息；所述的信号处理器包括：调理电路、模数转换器、可编程逻辑电路、接口电路，调理电路、模数转换器、可编程逻辑电路与接口电路顺序连接，信号处理器同时具有两组增益控制信号输出端；

电源分配器：用于为探测放大器、信号处理器、输入输出部件提供工作电源；

转接电路：用于与外部系统连接，实现与外部系统的通信。

所述接收光学系统的光具座由由光入射方向的圆形镜筒和光出射方向的多边形或圆形的法兰组成，法兰上开有安装螺纹孔。

所述的光电探测器为多象限PIN光电二极管，或者为多象限雪崩光电二极管。

所述电源分配器包括：低压电源、高压电源、电源控制器，电源控制器与低压电源连接，低压电源与高压电源连接。

所述的可编程逻辑电路为现场可编程门阵列FPGA、或复杂可编程逻辑器件CPLD、或高级精简指令集计算机ARM、或数字信号处理器DSP、或专用集成电路RSIC、或它们中的两种或几种组合而成。

本发明的光斑跟踪器，所述的信号处理器控制探测放大器增益的方法为：当互阻抗放大器和主放大器输出的信号幅度超出各自的动态范围时，信号处理器输出对应的增益控制信号，分别或者同时降低互阻抗放大器和主放大器的信号增益，增益以准连续的方式降低，每次增益降低量按线性方式控制为互阻抗放大器和主放大器各自最大增益的二分之一，或三分之一，或m分之一（m为大于2的自然整数），或者按对数方式控制为互阻抗放大器和主放大器各自最大增益的3dB，或6dB，或3×kdB（k为大于1的自然整数）。

本发明的目的之二在于提供一种利用光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，包括如下步骤：

（a）预置激光编码； 

（b）按光电探测器象限定义信号通道； 

（c）接收在视场内的所有目标反射的激光回波信号，并转换成电信号，电信号放大后，得到目标信号与噪声的混杂信号；

（d）对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号；

（e）对数字混杂信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号；

（f）对各通道的数字滤波信号进行相关处理，得到“数字和”混杂信号；

（g）对“数字和”混杂信号进行数字滤波处理，得到“数字和”滤波信号；

（h）将大于阈值A的“数字和”滤波信号作为候选目标信号，如果没有信号大于阈值A，则重复（c）～（g）步骤；

（i）利用所有预置编码对候选目标信号进行码型匹配；

（j）如果存在两个或两个以上连续周期的信号与某一预置编码一致，就认为该信号与该预置编码匹配，如果没有信号与预置编码匹配，则重复（c）～（i）步骤；

（k）人工或自动选择需要跟踪的目标信号；人工选择跟踪目标信号时，需根据输出的信号编码的提示信号予以确定；

（l）根据目标信号的信号编码，设置信号检测波门；

（m）采用选定编码的信号波门跟踪目标。

该方法可在预先不告知激光编码或预先被告知激光编码的两种目标进行识别

本发明的光斑跟踪器，上述步骤（h）确定阈值A时：采用公式 (Ⅰ)计算阈值A；

………………………………………………(Ⅰ)

式中：k为系数；σ为噪声标准差；为噪声平均值。

本发明的光斑跟踪器，步骤（h）确定阈值A的另一种方法为：采用公式 (Ⅱ)计算阈值A。

 ……………………………………(Ⅱ)

式中：为设定虚警率；τ为目标激光回波脉宽；为噪声均方值。

本发明的光斑跟踪器，还可以有如下的后续步骤，以用于判断制导能力，其步骤包括：

按照公式（Ⅲ）计算在制导距离上实际能接收到的激光功率，

…………………………………（Ⅲ）

式中为导引头与光斑跟踪器两者接收光学系统透过率之比，为导引头与光斑跟踪器两者接收口径之比，为导引头与光斑跟踪器两者接收距离平方之比，为导引头与光斑跟踪器接收距离上两者大气透过率之比，为光斑跟踪器输出电压与接收激光功率的转换系数，V为光斑跟踪器输出信号总电压值；

按照公式（Ⅳ）计算导引头在制导距离上实际能接收到的激光功率与导引头的最小可探测功率之比k， 

…………………………………………（Ⅳ）

式中为导引头最小可探测功率；

然后判断导引头在制导距离上实际能接收到的激光功率与导引头最小可探测功率之比是否大于等于1；

再输出判断结果，输出＜1、＝1、=n（n为大于1的整数）的判断结果，用于评价制导能力。

本发明的光斑跟踪器制导能力判断方法中，因为大部分情况下， QUOTE  ， ，另外，导引头制导能力有数倍至数十倍的余量，所以上述公式（Ⅲ）可以简化为W_S=k_ZV。

为提高探测灵敏度，可以采用如下步骤：

（a）  得到数字滤波信号后，对相邻通道的数字滤波信号进行处理，得到4路“双”相关信号；

（b）  4路相邻通道的“双”相关信号进行处理，得到4路 “双双”相关信号；

（c）  对4个通道的数字滤波信号进行相关处理，得到一路“和”相关信号；分别对4路 “双双”相关信号与阈值B进行比较，将大于阈值B的“双双”相关信号作为候选目标信号；

（d）  对“和”相关信号与阈值C进行比较，将大于阈值C的“和”相关信号作为候选目标 。

其中，阈值B与阈值C根据背景噪声强度、互阻抗放大器和主放大器当时所处的增益大小、与相关运算次数及参与相关运算的通道数相关的系数计算确定。

本发明的有益效果是：五个功能部件的模块化设计，简化了结构，减小了体积，减轻了重量，降低了成本；采用了信号的数字化转换、数字化处理与数字化控制技术，实现了预先不告知激光编码，且存在多个被照射目标的识别，可让操控人选择跟踪最紧迫的目标；多通道信号的相关处理方法，能在低输入信噪比条件下，消除杂光噪声的影响，鉴别出远距离的弱目标信号，增大探测距离，同时可以在相等测角精度条件下，增大接收视场；对目标信号探测能力的计算，可以间接地判断环境因素影响下的制导能力，便于操控人员作出决策。本发明的光斑跟踪器及利用其进行目标识别与跟踪的方法，可以用于任何需要光进行精密测角的领域，例如自由空间激光通信，激光制导，机载光电吊舱的跟瞄等场所。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。

 图1为本发明的光斑跟踪器的外形图。

 图2为本发明的光斑跟踪器组成框图。

图3为本发明的光斑跟踪器探测放大器的组成框图。

  图4为本发明的光斑跟踪器的信号处理器的组成框图。

  图5为本发明的光斑跟踪器电源分配器的组成框图。

图6a为本发明的光斑跟踪器光学接收部件剖视图。

图6b为本发明的光斑跟踪器光学接收部件前视图。

图7为本发明的光斑跟踪器多目标识别与跟踪流程图。

图8为本发明的光斑跟踪器信号相关处理方法示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

图1和图2分别为本发明的光斑跟踪器的外形图与组成框图，所示的光斑跟踪器，包括： 

——接收光学系统1，用于接收目标反射的光回波信号，并将光信号汇聚在光电探测器光敏面上；

——探测放大器2，用于将光信号转换成电信号，再将微弱电信号放大到后续电路要求的电平；

——信号处理器3，用于对探测放大器2输出的电信号进行处理，输出目标偏离角度信息；

——电源分配器4，用于为探测放大器2、信号处理器3、通信电路5提供工作电源；

——转接电路5，用于与外部系统连接，实现与外部系统的通信，及初级电源输入；

接收光学系统1、探测放大器2、信号处理器3、电源分配器4和转接电路5结构上顺序连接，探测放大器2、信号处理器3和转接电路5电气上顺序连接，电源分配器4分别与探测放大器2、信号处理器3和转接电路5连接。

图6a为本发明的光斑跟踪器光学接收部件剖视图，所示的接收光学系统1包括：光具座22、第二凹凸透镜21、第一凹凸透镜20、滤光镜19和平凸透镜18，第二凹凸透镜21、第一凹凸透镜20、滤光镜19和平凸透镜18顺序安装在光具座22中，滤光镜19安装在平凸透镜18与第一凹凸透镜20之间，滤光镜19可以与平凸透镜18胶合在一起，也可以单独用隔圈安装。

图6b为本发明的光斑跟踪器光学接收部件前视图，所示的接收光学系统1的光具座22由光入射方向的圆形镜筒24，光出射方向的多边形或圆形法兰23组成，法兰23上开有安装螺纹孔25，用于与上一级系统安装和安装探测放大器2、信号处理器3、电源分配器4和转接电路5。

图3为本发明的光斑跟踪器探测放大器的组成框图，所示的探测放大器2包括：光电探测器8、互阻抗放大器9、主放大器10、偏置电源7，光电探测器8、互阻抗放大器9和主放大器10顺序连接，偏置电源7与光电探测器8相连接。互阻抗放大器9和主放大器10含有各自的增益控制电路及其增益控制信号输入端，用于控制信号增益。

探测放大器采用的的光电探测器8为多象限PIN光电二极管，或者为多象限雪崩光电二极管，本实施例中采用四象限PIN光电二极管。

图4为本发明的光斑跟踪器的信号处理器的组成框图，所示的信号处理器3包括：调理电路11、模数转换器12、可编程逻辑电路13、接口电路14，调理电路11、模数转换器12、可编程逻辑电路13与接口电路14顺序连接，信号处理器3具有两组增益控制信号输出端分别与互阻抗放大器9和主放大器10的增益控制信号输入端相连接。

信号处理器3根据信号的强弱控制增益，当互阻抗放大器9和主放大器10输出的信号幅度超出互阻抗放大器9和主放大器10各自的动态范围时，信号处理器3输出对应的增益控制信号，分别或者同时降低互阻抗放大器9和主放大器10的增益，增益以准连续的方式降低，每次增益降低量按线性方式控制为互阻抗放大器9和主放大器10各自最大增益的二分之一，或三分之一，或m分之一（m为大于2的自然整数），或者按对数方式控制为互阻抗放大器9和主放大器10各自最大增益的3dB，或6dB，或3×kdB（k为大于1的自然整数）。

本发明的光斑跟踪器，所述的可编程逻辑电路13为现场可编程门阵列FPGA、或复杂可编程逻辑器件CPLD、或高级精简指令集计算机ARM、或数字信号处理器DSP、或专用集成电路RSIC、或它们中的两种或几种组合而成。

图5为本发明的光斑跟踪器电源分配器的组成框图，所示的电源分配器4包括：低压电源15、高压电源16和电源控制器17，电源控制器17与低压电源15连接，低压电源15与高压电源16连接，高压电源16用于为光电探测器提供偏置电压。

图7为本发明的光斑跟踪器多目标识别与跟踪流程图，图中所示为预先不告知激光编码，且现场存在多个被激光照射目标，需要将所有目标识别出来，然后由操控人员根据现场情况，选择一种编码跟踪，这种多码目标识别与跟踪的方法包括：

（a）预置所有我方的激光编码与已知的敌方激光编码31； 

（b）按光电二极管象限定义信号通道（对信道编号）32； 

（c）接收在视场内的所有目标反射的激光回波信号，并转换成电信号，电信号放大后，得到目标信号与噪声的混杂信号33；

（d）对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号34；

（e）对数字混杂信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号35；

（f）对各通道的数字滤波信号进行相关处理，得到“数字和”混杂信号36；

（g）对“数字和”混杂信号进行数字滤波处理，得到“数字和”滤波信号37；

（h）将大于阈值A的“数字和”滤波信号作为候选目标信号，如果没有信号大于阈值A，则重复（c）～（g）步骤38；

（i）利用所有预置编码对候选目标信号进行码型匹配39；

（j）如果存在两个或两个以上连续周期的信号与某一预置编码一致，就认为该信号与该预置编码匹配，如果没有信号与预置编码匹配，则重复（c）～（i）步骤40；

（k）输出所有匹配的信号编码的提示信号41；操作人员根据编码提示信号选择需要跟踪的目标信号42；

（l）按操控人员选择的信号编码，设置信号检测波门43；

（m）采用选定编码的信号波门跟踪目标44。

如果操控人员预先被告知某种激光编码，那么他可直接根据被告知的编码识别与跟踪目标，不必理睬其他激光编码，这样的目标识别与跟踪方法相对简单一些，该方法包括：

（a）预置告知的激光编码； 

（b）按光电探测器象限定义信号通道； 

（c）接收从所有目标反射的激光回波信号，并转换成电信号，电信号放大后，得到目标信号与噪声的混杂信号；

（d）对混杂信号进行数字转换，得到数字混杂信号；

（e）对数字混杂信号进行数字滤波处理，得到数字滤波信号；

（f）对各通道的数字滤波信号进行相关处理，得到“数字和”混杂信号；

（g）对“数字和”混杂信号进行数字滤波处理，得到“数字和”滤波信号；

（h）将大于阈值A的“数字和”滤波信号作为候选目标信号，如果没有信号大于阈值A，则重复（c）～（g）步骤；

（i）利用预置激光编码对候选目标信号进行码型匹配；

（j）如果存在两个或两个以上连续周期的信号与预置编码一致，就认为该信号与预置编码匹配，如果没有信号与预置编码匹配，则重复（c）～（i）步骤； 

（k）自动选择需要跟踪的目标信号；

（l）按预置信号编码设置信号检测波门； 

（m）按预置编码的信号波门跟踪目标。

上述预先不告知激光编码和预先被告知激光编码两种目标识别与跟踪方法中，步骤（h）确定阈值A的一种方法为：采用公式 (Ⅰ)计算阈值A。

………………………………………………(Ⅰ)

式中：k为系数；σ为噪声标准差；为噪声平均值。

上述预先不告知激光编码和预先被告知激光编码两种目标识别与跟踪方法中，步骤（h）确定阈值A的另一种方法为：采用公式 (Ⅱ)计算阈值A。

 ……………………………………(Ⅱ)

式中：为设定虚警率；τ为目标激光回波脉宽；为噪声均方值。

本发明的光斑跟踪器，还可以有如下的后续步骤，以用于判断制导能力，其步骤包括：

按照公式（Ⅲ）计算在制导距离上实际能接收到的激光功率，

…………………………………（Ⅲ）

式中为导引头与光斑跟踪器两者接收光学系统透过率之比，为导引头与光斑跟踪器两者接收口径之比，为导引头与光斑跟踪器两者接收距离平方之比，为导引头与光斑跟踪器接收距离上两者大气透过率之比，为光斑跟踪器输出电压与接收激光功率的转换系数，V为光斑跟踪器输出信号总电压值；

按照公式（Ⅳ）计算导引头在制导距离上实际能接收到的激光功率与导引头的最小可探测功率之比k， 

…………………………………………（Ⅳ）

式中为导引头最小可探测功率；

然后判断导引头在制导距离上实际能接收到的激光功率与导引头最小可探测功率之比是否大于等于1；

再输出判断结果，输出＜1、＝1、=n（n为大于1的整数）的判断结果，用于评价制导能力。

本发明的光斑跟踪器制导能力判断方法中，因为大部分情况下， QUOTE  ，另外，导引头制导能力有数倍至数十倍的余量，所以上述公式（Ⅲ）可以简化为W_S=k_ZV。

为提高探测灵敏度，可以采用如下步骤：

a.得到数字滤波信号后（假设为A、B、C、D 共4个通道）；对相邻通道的数字滤波信号进行处理，得到4路“双”相关信号；

b.4路相邻通道的“双”相关信号进行处理，得到4路 “双双”相关信号；

c．对4个通道的数字滤波信号进行相关处理，得到一路“和”相关信号；分别对4路 “双双”相关信号与阈值B进行比较，将大于阈值B的“双双”相关信号作为候选目标信号；

d．对“和”相关信号与阈值C进行比较，将大于阈值C的“和”相关信号作为候选目标 。

其中，阈值B与阈值C根据背景噪声强度、互阻抗放大器9和主放大器10当时所处的增益大小、与相关运算次数及参与相关运算的通道数相关的系数计算确定。

图8为本发明的光斑跟踪器信号相关处理方法示意图，A、B、C、D分别表示四个信号通道的信号序列，AB、BC、CD、DA分别表示A、B、C、D四个信号的相邻通道信号相关运算后得到的信号序列，AB²C、BC²D、CD²A、DA²B分别表示AB、BC、CD、DA四个信号的相邻通道信号相关运算后得到的信号序列，ABCD 表示A、B、C、D四个信号通道相关运算后得到的信号序列。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。