一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法及裝置制造方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法及裝置。利用單液晶空間光調(diào)制器，在實(shí)現(xiàn)光束二維準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合共孔徑發(fā)射接收的理念，實(shí)現(xiàn)光束高精度跟蹤瞄準(zhǔn)。裝置，包括激光器、起偏器、擴(kuò)束器、分束器Ⅰ、液晶空間光調(diào)制器、分束器Ⅱ、角錐棱鏡、透鏡、圖像傳感器、計(jì)算機(jī)，起偏器位于擴(kuò)束器之前用于產(chǎn)生偏振平行于液晶分子長(zhǎng)軸的發(fā)射光；圖像傳感器和透鏡位于分束器Ⅱ之后；角錐棱鏡和分束器Ⅱ組合實(shí)現(xiàn)共孔徑，分束器Ⅱ提供發(fā)射光位置信息。計(jì)算機(jī)和圖像傳感器實(shí)時(shí)采集分析發(fā)射光和角反射目標(biāo)回光信息，反饋調(diào)節(jié)液晶空間光調(diào)制器。本方法克服了傳統(tǒng)光束跟蹤瞄準(zhǔn)方法中慣性大、能耗高、結(jié)構(gòu)龐雜等問(wèn)題，能夠有效實(shí)現(xiàn)激光目標(biāo)的定位跟蹤瞄準(zhǔn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法及裝置，適用于二維空間內(nèi)動(dòng)態(tài)目 標(biāo)的光學(xué)定位跟蹤，尤其適用于近距離、小角度范圍內(nèi)光束的高精度定位，可廣泛應(yīng)用于近 距離激光雷達(dá)、激光通信、目標(biāo)跟蹤等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)捕獲跟蹤瞄準(zhǔn)技術(shù)是通過(guò)旋轉(zhuǎn)軸系和快速反射鏡實(shí)現(xiàn)的，快速傾斜鏡或者聲 光調(diào)制器等作為其核心器件，可以使光束能夠?qū)崿F(xiàn)小角度的跟蹤瞄準(zhǔn)，但是這種通過(guò)改變 光軸方向?qū)崿F(xiàn)光束跟蹤瞄準(zhǔn)的裝置，結(jié)構(gòu)復(fù)雜、精度偏低、能耗高，性能受到很大制約。1996 年,Paul F.McManamon提出了一種新型的光束控制方法-光學(xué)相控陣，目前廣泛使用的相 位型液晶空間光調(diào)制器就是該方法的核心器件。液晶相控陣的相位調(diào)制過(guò)程本質(zhì)上是單孔 衍射調(diào)制的多孔干涉，其遠(yuǎn)場(chǎng)光強(qiáng)分布是單孔衍射包絡(luò)下的多孔干涉。通過(guò)對(duì)相位型液晶 空間光調(diào)制器連續(xù)施加由多孔干涉的原理計(jì)算得到的相位，可在一定視場(chǎng)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)光束 二維連續(xù)掃描。
[0003]分離孔徑、共孔徑的概念來(lái)源于自適應(yīng)光學(xué)。分離孔徑發(fā)射接收裝置容易實(shí)現(xiàn)，但 是主要存在三方面影響:一是結(jié)構(gòu)不緊湊；二是質(zhì)量大；三是易引入視差。采用發(fā)射光和接 收光共孔徑的理念則可以很好解決上述三個(gè)問(wèn)題。
[0004]目前，在液晶相控陣光束偏轉(zhuǎn)效率、偏轉(zhuǎn)角度、響應(yīng)時(shí)間、控制優(yōu)化算法等方面，國(guó) 內(nèi)外各單位均以取得了較大的研究進(jìn)展。但是，液晶空間光調(diào)制器在激光通信等領(lǐng)域未得 到廣泛的應(yīng)用。另一方面，共孔徑多是作為一種手段用于自適應(yīng)光學(xué)中的波前探測(cè)，共孔徑 和其他領(lǐng)域相結(jié)合的技術(shù)也少有報(bào)道。此外，目前尚無(wú)液晶空間光調(diào)制器結(jié)合共孔徑理念 實(shí)現(xiàn)對(duì)非合作目標(biāo)的光束跟蹤瞄準(zhǔn)的方法見(jiàn)于報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)光束精密跟蹤以及目標(biāo)定位存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一 種基于單液晶空間光調(diào)制器光束準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制和共孔徑理念相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)光束精密 跟蹤以及目標(biāo)空間定位的方法及裝置。本發(fā)明利用單液晶空間光調(diào)制器，在實(shí)現(xiàn)光束二維 準(zhǔn)連續(xù)偏轉(zhuǎn)控制的基礎(chǔ)上，結(jié)合共孔徑發(fā)射接收的理念，實(shí)現(xiàn)光束高精度跟蹤瞄準(zhǔn)(如圖1 所示)。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:
一種共孔徑光束二維定位跟蹤裝置，包括激光器1，起偏器2，擴(kuò)束器3，分束器I 4，液 晶空間光調(diào)制器5，分束器II 6，角錐棱鏡7，透鏡8，圖像傳感器9，計(jì)算機(jī)10，其中，起偏器 2位于激光器I之后，用于產(chǎn)生偏振平行于液晶分子長(zhǎng)軸的發(fā)射光；擴(kuò)束器3位于起偏器2 之后；分束器I 4位于擴(kuò)束器3之后；液晶空間光調(diào)制器5位于分束器I 4 一端，用于實(shí)現(xiàn) 光束定向發(fā)射；分束器II 6位于分束器I 4另一端，擺放位置與液晶空間光調(diào)制器5位置呈 180度角；角錐棱鏡7位于分束器II 6的一端；透鏡8位于分束器II 6的另一端，擺放位置與角錐棱鏡7呈90度角；角反射目標(biāo)11放置在分束器II 6的一端，與透鏡8呈180度角； 圖像傳感器9及計(jì)算機(jī)10位于透鏡8之后，用于實(shí)時(shí)采集分析角反射目標(biāo)11的回光以及發(fā)射光束的位置信息，控制液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束定向。
[0007]在本發(fā)明中的圖像傳感器9以及計(jì)算機(jī)10作回光探測(cè)接收器件不可缺少，同時(shí)控制液晶空間光調(diào)制器5實(shí)現(xiàn)光束定向偏轉(zhuǎn)。分束器II 6和角錐棱鏡7作為實(shí)現(xiàn)共孔徑的基本組件不可缺少，角錐棱鏡能夠原路反射發(fā)射光，可為整個(gè)系統(tǒng)提供發(fā)射光位置信息。
[0008]本發(fā)明涉及到一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法，該方法包括下列步驟:
①、激光器I發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)起偏器2 (偏振方向平行于液晶分子長(zhǎng)軸方向)后，經(jīng)擴(kuò)束器實(shí)現(xiàn)光束擴(kuò)束，垂直入射到未加載電壓的液晶空間光調(diào)制器5。圖像傳感器9和計(jì)算機(jī)10組成的成像系統(tǒng)同時(shí)采集分析發(fā)射光斑初始位置和目標(biāo)回光信息:部分發(fā)射光經(jīng)分束器II 6后，照到角反射目標(biāo)11產(chǎn)生回光信息；部分發(fā)射光經(jīng)分束器II 6后，通過(guò)角錐棱鏡 7后在圖像傳感器上形成初始發(fā)射光位置信息。
[0009]②、圖像數(shù)據(jù)處理，由于圖像傳感器上獲得的可能是兩個(gè)大小不同，強(qiáng)度不同的光斑，通過(guò)濾波和閾值的方法，分別得到發(fā)射光斑和接收光斑的質(zhì)心位置信息。質(zhì)心計(jì)算方法如下式所示:
【權(quán)利要求】
1.一種共孔徑光束二維定位跟蹤裝置，包括激光器(I)、起偏器(2)、擴(kuò)束器(3)、分束器I (4)、液晶空間光調(diào)制器(5)、分束器II (6)、角錐棱鏡(7)、透鏡(8)、圖像傳感器(9)、 計(jì)算機(jī)(10)，其特征在于，起偏器(2)位于激光器(I)之后，用于產(chǎn)生偏振平行于液晶分子長(zhǎng)軸的發(fā)射光；擴(kuò)束器(3)位于起偏器(2)之后；分束器I (4)位于擴(kuò)束器(3)之后；液晶空間光調(diào)制器(5)位于分束器I (4) 一端，用于實(shí)現(xiàn)光束定向發(fā)射；分束器II (6)位于分束器 I (4)另一端，擺放位置與液晶空間光調(diào)制器(5)位置呈180度角；角錐棱鏡(7)位于分束器II (6)的一端；透鏡(8)位于分束器II的另一端，擺放位置與角錐棱鏡呈90度角；角反射目標(biāo)(11)放置在分束器II的一端，與透鏡(8)呈180度角；圖像傳感器(9)及計(jì)算機(jī)(10) 位于透鏡(8)之后，用于實(shí)時(shí)采集分析角反射目標(biāo)(11)的回光以及發(fā)射光束的位置信息， 控制液晶空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)光束定向。
2.一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法，其特征在于，包括下列步驟:①、激光器(I)發(fā)射的激光經(jīng)過(guò)起偏器(2)后，經(jīng)擴(kuò)束器(3 )實(shí)現(xiàn)光束擴(kuò)束，垂直入射到未加載電壓的液晶空間光調(diào)制器(5)，圖像傳感器(9)和計(jì)算機(jī)(10)組成的成像系統(tǒng)同時(shí)采集分析發(fā)射光斑初始位置和目標(biāo)回光信息:部分發(fā)射光經(jīng)分束器II (6)后，照到角反射目標(biāo)(11)產(chǎn)生回光信息；部分發(fā)射光經(jīng)分束器II (6)后，通過(guò)角錐棱鏡(7)后在圖像傳感器上形成初始發(fā)射光位置信息；②、圖像數(shù)據(jù)處理，由于圖像傳感器上獲得的可能是兩個(gè)大小不同，強(qiáng)度不同的光斑， 通過(guò)濾波和閾值的方法，分別得到發(fā)射光斑和接收光斑的質(zhì)心位置信息，質(zhì)心計(jì)算方法如下式所示:
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法，其特征在于，所述基于光強(qiáng)優(yōu)化的方法可以采用兩種，一種是通過(guò)對(duì)相位進(jìn)行修正實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的最終定位，還有一種是通過(guò)隨機(jī)并行梯度算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最終定位。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法，其特征在于，所述通過(guò)對(duì)相位進(jìn)行修正的方法，具體為:當(dāng)目標(biāo)產(chǎn)生回光時(shí)，通過(guò)閾值濾波計(jì)算得到此時(shí)目標(biāo)的角位置信息(a/，)，通過(guò)設(shè)定的角度范圍f和角掃描步長(zhǎng)，在,范圍內(nèi)進(jìn)行光束二維掃描，記錄每一次圖像處理器上濾波后的目標(biāo)回光信息，得到目標(biāo)回光光強(qiáng)，其中最大光強(qiáng)所對(duì)應(yīng)的角位置信息即為最終的目標(biāo)角位置信息
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種共孔徑光束二維定位跟蹤方法，其特征在于，所述通過(guò)隨機(jī)并行梯度下降算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)最終定位，具體為:以光束波前相位作為控制信號(hào)，以性能評(píng)價(jià)函數(shù)作為控制依據(jù)，相位校正器上的控制信號(hào)為控制參量，然后利用控制參量并行施加正向和負(fù)向的微小擾動(dòng)，分別獲得相應(yīng)的性能評(píng)價(jià)函數(shù)，之后利用兩次擾動(dòng)大小和評(píng)價(jià)函數(shù)值的變化對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行梯度估計(jì)，之后利用梯度估計(jì)根據(jù)一定的方式更新控制參量，并反復(fù)迭代，直至控制對(duì)象達(dá)到最優(yōu)，從而實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制，選取液晶空間光調(diào)制器作為相位控制器，然后只產(chǎn)生傾斜相位擾動(dòng)，選擇環(huán)繞能量作為評(píng)價(jià)函數(shù)，最終，當(dāng)評(píng)價(jià)函數(shù)滿足收斂時(shí)，通過(guò)此時(shí)目標(biāo)回光信息計(jì)算得到最終的目標(biāo)角位置信息)o
【文檔編號(hào)】G02B23/00GK103592756SQ201310603816
【公開(kāi)日】2014年2月19日 申請(qǐng)日期:2013年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月26日
【發(fā)明者】師宇斌, 司磊, 馬浩統(tǒng), 馬閻星, 陶汝茂, 周樸, 許曉軍, 陳金寶, 劉澤金 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué)