專利名稱：隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及隱色飛行目標(biāo)，特別是一種利用高分辨激光多普勒成像技術(shù)的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，以獲取隱色飛行目標(biāo)的速度、高度和方向信息。
背景技術(shù)：
隱色飛行目標(biāo)的監(jiān)控和探測在試驗和安全領(lǐng)域具有重要的作用。目前，隱色飛行目標(biāo)采用的隱色吸波涂料和結(jié)構(gòu)主要是針對厘米波的，而對紅外和可見光的能力有限，特別是近紫外隱色技術(shù)難度更大。因此采用微波雷達探測隱色飛行目標(biāo)，探測能力受限，而且距離分辨率低，抗電子干擾差。
基于高分辯激光多普勒成像的探測技術(shù)能夠?qū)崟r的掃描大氣，并進行差分處理，當(dāng)有隱色飛行目標(biāo)出現(xiàn)在掃描視場中時，能夠得到目標(biāo)散射光信號，從多普勒頻移量和頻移量變化方向，就可以從背景大氣中提取隱色飛行目標(biāo)的位置、速度和方向信息。高分辯激光多普勒成像技術(shù)具有時空分辨率高，抗干擾能力強，保密性好，容易實現(xiàn)地基移動或機載平臺探測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決技術(shù)的問題克服現(xiàn)有的微波系統(tǒng)探測能力的不足，提供一種隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，以確定目標(biāo)飛行物的位置、速度和方向。
本發(fā)明的基本原理是基于高分辯激光多普勒成像的直接探測方法，使用條紋圖像型干涉儀，線陣成像探測器進行探測，從獲取的干涉光譜多普勒頻移信息，確定隱色目標(biāo)飛行物的位置、速度和方向。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，該裝置由激光器，第一分光鏡、第二分光鏡、偏振分光片、1/4波片、望遠(yuǎn)鏡，全反射鏡、開關(guān)和光學(xué)多普勒成像檢測裝置組成，其位置關(guān)系是在所述的激光器的輸出光束的光軸上依次地設(shè)有第一分光鏡、偏振分光片、1/4波片和望遠(yuǎn)鏡，所述的第一分光鏡和偏振分光片均與所述的輸出光束成45°設(shè)置，在所述的第一分光鏡的反射光束方向置有全反射鏡，在該全反射鏡的反射光穿過所述的開關(guān)的光路與所述的偏振分光片的激光回波的反射光光路的交叉點并與光路成45°地置有第二分光鏡，該第二分光鏡的輸出光方向有所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置。
所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置的構(gòu)成是自輸入光路依次為窄帶濾光片、擴束鏡、多光束菲索(Fizeau)干涉儀、干涉儀溫控密封箱、成像光學(xué)系統(tǒng)、探測器和具有信號處理及控制模塊的計算機組成，所述的計算機一方面接收從探測器的信息進行數(shù)據(jù)處理，輸出探測結(jié)果，另一方面對干涉儀溫控密封箱、開關(guān)和干涉儀的壓電陶瓷的工作進行穩(wěn)定的同步控制。
所述的激光器為單縱模激光器。
所述的第一分光鏡和第二分光鏡是高透過低反射的光學(xué)鏡片，其透過率≥99.5％。
由所述的偏振分光片和1/4波片組成的偏振隔離器，對p偏振光增透，對s偏振光全反。
所述的望遠(yuǎn)鏡是發(fā)射和接收共光軸的系統(tǒng)。
所述的探測器為多通道的光電倍增管(PMT)探測器或多通道CCD探測器。開關(guān)7控制參考激光進入光學(xué)多普勒成像檢測系統(tǒng)9，提供零速度參考位置，由步進電機控制，每分鐘讓一個激光脈沖通過即可。
本發(fā)明隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置的工作過程的實質(zhì)是通過偏振隔離器和開關(guān)分別將參考光和接收的目標(biāo)信號光引入高分辯的光學(xué)多普勒成像檢測裝置，多通道的探測器接收多光束Fizeau干涉儀干涉光譜，根據(jù)干涉光譜重心幅度的變化和多普勒頻移量成正比的關(guān)系，分析目標(biāo)信號光和參考光干涉光譜重心位置變化幅度，以求得多普勒頻移量，反演目標(biāo)速度，其中目標(biāo)信號光重心位置是對接收光進行差分減去大氣背景風(fēng)場后得到的。而從干涉光譜重心位置變化方向，可以判斷目標(biāo)飛行方向是沿視線接近還是遠(yuǎn)離測量系統(tǒng)。
優(yōu)化設(shè)計了干涉儀，其成像自由光譜范圍為7.5GHz，而對于355nm激光波長，±350m/s速度變化對應(yīng)的多普勒頻移量為4GHz，因此本發(fā)明設(shè)計的高分辯激光多普勒成像系統(tǒng)能夠覆蓋很大速度范圍。
本發(fā)明探測隱色飛行目標(biāo)的測量過程包括1)激光器發(fā)射脈沖激光大部分光透過第一分光鏡，偏振分光片和1/4波片，和望遠(yuǎn)鏡進入大氣；2)偏振分光片和1/4波片組成的偏振隔離器，對發(fā)射激光和接收信號光進行偏振隔離分光。
3)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射激光和接收望遠(yuǎn)鏡共光軸，望遠(yuǎn)鏡接收的目標(biāo)散射信號光透過1/4波片，由偏振分光片反射，再透過第二分光片進入光學(xué)多普勒成像檢測系統(tǒng)；4)很少一部分發(fā)射激光經(jīng)過第一分光片反射，經(jīng)全反射鏡6的反射后通過開關(guān)和第二分光片部分反射，進入所述的多普勒成像檢測系統(tǒng)9，作為零速度的參考光；5)接收的目標(biāo)散射信號光和參考光在計算機的控制下，由開關(guān)控制分時進入光學(xué)多普勒成像檢測系統(tǒng)；6)在光學(xué)多普勒成像檢測系統(tǒng)中，計算機從探測器獲得信息并經(jīng)數(shù)據(jù)處理，從減去大氣背景的差分信號光相對參考光干涉條紋重心位置的變化幅度和方向，確定視線方向隱色飛行目標(biāo)速度和方向，從發(fā)射和返回光的時間差上確定距離，結(jié)合激光發(fā)射接收仰角來確定目標(biāo)飛行高度。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有的優(yōu)點在于(1)本發(fā)明采用了激光多普勒成像測量技術(shù)探測隱色飛行目標(biāo)，可以彌補微波技術(shù)探測能力不足。
(2)相對傳統(tǒng)的微波雷達抗電磁干擾能力強，反應(yīng)靈敏。
(3)本發(fā)明能夠同時探測隱色目標(biāo)飛行速度，方向和高度，時空分辨率高。還能夠反演大氣風(fēng)速。
(4)本發(fā)明采用了特殊的條紋成像光學(xué)干涉儀和線性探測器，探測效率高。
(5)本發(fā)明采用了干涉儀兩級溫控和腔長壓電陶瓷調(diào)節(jié)系統(tǒng)，大大降低了激光器頻率漂移和環(huán)境變化帶來的影響。
(6)本發(fā)明原理簡單，易于實現(xiàn)。采用現(xiàn)有的光學(xué)和電子技術(shù)，本測量系統(tǒng)易于實現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明隱色飛行目標(biāo)激光探測裝置的整體結(jié)構(gòu)框2為本發(fā)明光學(xué)多普勒頻移檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意3為當(dāng)隱色目標(biāo)遠(yuǎn)離本發(fā)明裝置時的干涉儀各信號光譜4為當(dāng)隱色目標(biāo)接近本發(fā)明裝置時的干涉儀各信號光譜中1-發(fā)射激光器、2-第一分光片、3-第二光學(xué)鏡片、4-第三光學(xué)鏡片、5-望遠(yuǎn)鏡、6-全反射鏡、7-開關(guān)、8-第二分光片、9-光學(xué)多普勒頻移檢測裝置、91-窄帶濾光片、92-擴束鏡、93-干涉儀、94-干涉儀溫控密封箱，95-成像光學(xué)系統(tǒng)、96-探測器以及97-信號處理控制模塊10-參考光譜線、11-大氣散射光譜線、12-目標(biāo)遠(yuǎn)離本發(fā)明探測裝置時疊加大氣和目標(biāo)的散射光譜線、13-目標(biāo)遠(yuǎn)離本發(fā)明探測裝置時的目標(biāo)散射光譜線、14-目標(biāo)接近本發(fā)明探測裝置時疊加大氣合目標(biāo)的散射光譜線、15-目標(biāo)接近本發(fā)明探測裝置時的目標(biāo)散射光譜線。
具體實施例方式
先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明隱色飛行目標(biāo)激光探測裝置的整體結(jié)構(gòu)框圖，由圖可見，本發(fā)明隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，由激光器1，第一分光鏡2、第二分光鏡8、偏振分光片3、1/4波片4、望遠(yuǎn)鏡5、全反射鏡6、開關(guān)7和光學(xué)多普勒成像檢測裝置9組成，其位置關(guān)系是在所述的激光器1的輸出光束的光軸上依次地設(shè)有第一分光鏡2、偏振分光片3、1/4波片4和望遠(yuǎn)鏡5，所述的第一分光鏡2和偏振分光片3均與所述的輸出光束成45°設(shè)置，在所述的第一分光鏡2的反射光束方向置有全反射鏡6，在該全反射鏡6的反射光穿過所述的開關(guān)7的光路與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點并與光路成45°地置有第二分光鏡8，該第二分光鏡8的輸出光方向有所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置9。
所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置9的構(gòu)成自輸入光路依次為窄帶濾光片91、擴束鏡92、多光束Fizeau干涉儀93、干涉儀溫控密封箱94、成像光學(xué)系統(tǒng)95、探測器96和具有信號處理及控制模塊的計算機97組成，所述的計算機97一方面接收從探測器96輸出的信息并進行數(shù)據(jù)處理，輸出探測結(jié)果，另一方面對干涉儀溫控密封箱94、開關(guān)7和干涉儀的壓電陶瓷的工作進行穩(wěn)定的同步控制。
所述的激光器1為單縱模激光器。所述的第一分光鏡2、第二分光鏡8是高透過低反射的光學(xué)鏡片，其透過率≥99.5％。
由所述的偏振分光片3和1/4波片4組成的偏振隔離器，對p偏振光增透，對s偏振光全反。對發(fā)射激光和接收的目標(biāo)散射信號光進行隔離分束。
所述的望遠(yuǎn)鏡5是發(fā)射和接收共光軸的系統(tǒng)。
所述的探測器96為多通道的光電倍增管探測器或多通道CCD探測器。
下面給出本發(fā)明實施例一些具體參數(shù)所說激光器1為重復(fù)頻率100Hz，單縱模激光器。所述的第一分光鏡2和第二分光鏡8的透過率約99.5％，所說偏振隔離器，對p偏振光增透，對s偏振光全反，所說望遠(yuǎn)鏡5，視場可以調(diào)節(jié)。所述的望遠(yuǎn)鏡5的口徑為300mm，經(jīng)它既發(fā)射激光進入大氣，同時接收飛行目標(biāo)散射的回波信號。開關(guān)7的作用是保證參考激光和飛行目標(biāo)散射的回波信號光分時進入光學(xué)多普勒頻移檢測裝置9，參考激光提供了零速度的參考光譜線10的位置，同時可以消除激光器短期頻率漂移帶來的誤差。光學(xué)多普勒頻移檢測系統(tǒng)9的窄帶濾光片91的中心頻率為355nm，帶寬0.2nm，峰透過率大于65％，濾掉了背景太陽光，提高了信噪比。4倍擴束鏡92對接收的飛行目標(biāo)散射的回波信號光進行擴束，減小進入所述的多光束Fizeau干涉儀93的參考光或飛行目標(biāo)散射的回波信號光的發(fā)散角，以滿足1個自由光譜成像要求，多光束Fizeau干涉儀93自由光譜范圍為7.5GHz，反射率約為80％，多光束Fizeau干涉儀被放在兩級溫控的密封箱體94中，溫度穩(wěn)定性優(yōu)于0.01℃/24小時，受環(huán)境變化影響很小，成像光學(xué)系95將在一個干涉光譜成像在具有8通道的PMT探測器96上，計算機97能夠?qū)崟r處理光譜信號，顯示隱色飛行目標(biāo)的速度、高度和方向，并控制干涉儀腔長調(diào)節(jié)以及為溫控箱提供控制信號。
所說的窄帶濾光片91抑制背景太陽光。擴束鏡92的使用，進一步減小了進入干涉儀的發(fā)散角，滿足1個自由光譜范圍成像角度要求。干涉儀93為多光束Fizeau干涉儀，該干涉儀和傳統(tǒng)的FP干涉儀類似，不過它的兩個干涉平板之間不是平行，而是有一個很小的夾角(1秒左右)，而且腔長和夾角為壓電陶瓷PZT可調(diào)，干涉儀PZT控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)角度使得只有一個干涉儀條紋處在視場中。干涉儀溫控密封箱94能夠長時間穩(wěn)定工作。信號處理及控制模塊97控制干涉儀溫控密封箱94，以及驅(qū)動干涉儀93壓電陶瓷調(diào)節(jié)腔長，另外它處理探測器接收的信號。圖2或3為參考光和接收信號光進入光學(xué)多普勒成像檢測系統(tǒng)9的光譜信號圖，它們分別表示了飛行目標(biāo)遠(yuǎn)離或接近探測系統(tǒng)時的狀況。
本發(fā)明隱色飛行目標(biāo)激光探測裝置的探測過程激光器1發(fā)射的激光透過第一分光鏡2的大部分激光，經(jīng)偏振分光片3和1/4波片4組成的偏振隔離器、望遠(yuǎn)鏡5射入大氣，小部分激光作為參考光經(jīng)全反射鏡6、開關(guān)7和第一分光鏡8，進入光學(xué)多普勒頻移檢測裝置9。在該光學(xué)多普勒頻移檢測裝置9中多光束的Fizeau干涉儀93形成直線型條紋，相對傳統(tǒng)的FP干涉儀具有較大的優(yōu)勢，條紋光譜移動與多普勒頻移成線性變化，可以直接使用多通道線性PMT探測器或CCD探測器96成像為干涉儀光譜。因為參考光頻率為發(fā)射激光頻率，可以求得參考光譜10重心對應(yīng)的多通道探測器的通道位置，就是零速度的參考標(biāo)定位置。激光器1發(fā)射的激光透過第一分光鏡2的大部分激光，經(jīng)偏振分光片3和1/4波片4組成的偏振隔離器、望遠(yuǎn)鏡5射入大氣后，當(dāng)視場中沒有隱色飛行目標(biāo)，望遠(yuǎn)鏡接收的大氣散射信號光譜，如圖3和圖4中的大氣散射信號光譜11，與參考光光譜10的位置進行對比，可以測量大氣風(fēng)速。當(dāng)有隱色飛行目標(biāo)出現(xiàn)在接收望遠(yuǎn)鏡視場中時，激光投射到飛行目標(biāo)，該飛行目標(biāo)便產(chǎn)生多普勒頻移信號，如圖3和圖4中的目標(biāo)散射譜線13或15，它們是從疊加的散射光譜12或14減去背景大氣散射光譜11得到的。接收望遠(yuǎn)鏡5接收的各種散射多普勒頻移信號光，經(jīng)過偏振隔離器反射，高透過的第二分光片8進入光學(xué)多普勒頻移檢測系統(tǒng)9，對散射信號高分辯多普勒光譜成像，測量光譜位置并和標(biāo)定的參考光譜位置對比，就可以確定飛行目標(biāo)在視線方向上的飛行速度以及飛行方向，從發(fā)射激光和的返回散射信號光時間差，結(jié)合視場方向就可以知道高速飛機所在高度，因此可以有效的監(jiān)測隱形飛行目標(biāo)。
隱色飛行目標(biāo)參數(shù)探測是這樣實現(xiàn)的當(dāng)有目標(biāo)出現(xiàn)在視場中時，疊加大氣和目標(biāo)散射的光譜為12或14，它們與之前沒有目標(biāo)出現(xiàn)時的大氣散射光譜11進行差分光譜圖像處理，就能夠得到目標(biāo)的散射光譜13或15，計算目標(biāo)光譜重心位置對應(yīng)的探測器通道數(shù)，然后和參考光譜10的重心位置對應(yīng)的通道數(shù)作比較，就可以測量飛行目標(biāo)的速度高度和飛行方向信息。
權(quán)利要求
1.一種隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于該裝置由激光器(1)，第一分光鏡(2)、第二分光鏡(8)、偏振分光片(3)、1/4波片(4)、望遠(yuǎn)鏡(5)，全反射鏡(6)、開關(guān)(7)和光學(xué)多普勒成像檢測裝置(9)組成，其位置關(guān)系是在所述的激光器(1)的輸出光束的光軸上依次地設(shè)有第一分光鏡(2)、偏振分光片(3)、1/4波片(4)和望遠(yuǎn)鏡(5)，所述的第一分光鏡(2)和偏振分光片(3)均與所述的輸出光束成45°設(shè)置，在所述的第一分光鏡(2)的反射光束方向置有全反射鏡(6)，在該全反射鏡(6)的反射光穿過所述的開關(guān)(7)的光路與所述的偏振分光片(3)的激光回波的反射光光路的交叉點并與光路成45°地置有第二分光鏡(8)，該第二分光鏡(8)的輸出光方向有所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置(9)的構(gòu)成自輸入光路依次為窄帶濾光片(91)、擴束鏡(92)、多光束Fizeau干涉儀(93)、干涉儀溫控密封箱(94)、成像光學(xué)系統(tǒng)(95)、探測器(96)和具有信號處理及控制模塊的計算機(97)組成，所述的計算機(97)一方面接收從探測器(96)的信息進行數(shù)據(jù)處理，輸出探測結(jié)果，另一方面對干涉儀溫控密封箱(94)、開關(guān)(7)和干涉儀的壓電陶瓷的工作進行穩(wěn)定的同步控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于所述的激光器(1)為單縱模激光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于所述的第一分光鏡(2)、第二分光鏡(8)是高透過低反射的光學(xué)鏡片，其透過率≥99.5％。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于由所述的偏振分光片(3)和1/4波片(4)組成的偏振隔離器，對p偏振光增透，對s偏振光全反。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于所述的望遠(yuǎn)鏡(5)是發(fā)射和接收共光軸的系統(tǒng)。
7.根據(jù)權(quán)利要求2至6任一項所述的隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，其特征在于所述的探測器(96)為多通道的光電倍增管探測器或多通道CCD探測器。
全文摘要
一種隱色飛行目標(biāo)的激光探測裝置，該裝置由激光器，第一分光鏡、第二分光鏡、偏振分光片、1/4波片、望遠(yuǎn)鏡，全反射鏡、開關(guān)和光學(xué)多普勒成像檢測裝置組成，其位置關(guān)系是在所述的激光器的輸出光束的光軸上依次地設(shè)有第一分光鏡、偏振分光片、1/4波片和望遠(yuǎn)鏡，所述的第一分光鏡和偏振分光片均與所述的輸出光束成45°設(shè)置，在所述的第一分光鏡的反射光束方向置有全反射鏡，在該全反射鏡的反射光穿過所述的開關(guān)的光路與所述的偏振分光片的激光回波的反射光光路的交叉點并與光路成45°地置有第二分光鏡，該第二分光鏡的輸出光方向有所述的光學(xué)多普勒成像檢測裝置。本發(fā)明裝置可以確定隱色目標(biāo)飛行物的方位、高度、速度和方向。
文檔編號G01S17/58GK1828332SQ200610025640
公開日2006年9月6日 申請日期2006年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月12日
發(fā)明者劉繼橋, 陳衛(wèi)標(biāo), 卜令兵, 周軍, 余婷 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所