光斑跟踪器及利用其进行目标识别与跟踪的方法
【专利摘要】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。
【专利说明】光斑跟踪器及利用其进行目标识别与跟踪的方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 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。
[0007]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。
[0008] 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。 [0009] 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。
[0010] 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。
[0011] 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3XkdB(k为大于1的自然整数)。
[0012] 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。
[0013] 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; A = kcr t N......................................................( I ) 式中：k为系数；〇为噪声标准差；为噪声平均值。
[0014] 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。
【权利要求】
1. 一种光斑跟踪器，其特征在于，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；所述接收光学系统（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； 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满足后续电路要 求的电平；所述探测放大器（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； 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；所述的信号处理器（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)同时具有两组增益控制信号输出端； 电源分配器（4):用于为探测放大器（2)、信号处理器（3)、输入输出部件（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。
2. 根据权利要求1所述的光斑跟踪器，其特征在于，所述接收光学系统（1)的光具座 (22)由由光入射方向的圆形镜筒（24)和光出射方向的多边形或圆形的法兰（23)组成，法 兰（23 )上开有安装螺纹孔（25 )。
3. 根据权利要求1所述的光斑跟踪器，其特征在于，所述的光电探测器（8)为多象限 PIN光电二极管，或者为多象限雪崩光电二极管。
4. 根据权利要求1所述的光斑跟踪器，其特征在于，所述电源分配器（4)包括：低压电 源（15)、高压电源（16)、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。
5. 根据权利要求1所述的光斑跟踪器，其特征在于，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。
6. -种利用权利要求1-5任一项所述的光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，其特 征在于包括如下步骤： (a) 预置激光编码（31); (b) 按光电探测器象限定义信号通道（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) 人工或自动选择需要跟踪的目标信号（42);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（41)予以确定； (l) 根据目标信号的信号编码，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)。
7. 根据权利要求6的所述的利用光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，其特征在 于，步骤（h)确定阈值A的一种方法为：采用公式（I )计算阈值A， A = kd t N......................................................(I) 式中：k为系数；〇为噪声标准差；I为噪声平均值。
8. 根据权利要求6的所述的利用光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，其特征在 于，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，
式中：_为设定虚警率；T为目标激光回波脉宽；I为噪声均方值。
9. 根据权利要求6的所述的利用光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，其特征在 于，按照公式(III)计算在制导距离上实际能接收到的激光功率W4;, Ws = kt.kA.ks.k2.k2V.......................... .............(Ill) 式中kt为导引头与光斑跟踪器两者接收光学系统透过率之比，kA为导引头与光斑跟 踪器两者接收口径之比,kR为导引头与光斑跟踪器两者接收距离平方之比，ka为导引头与 光斑跟踪器接收距离上两者大气透过率之比,kz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Ws与导引头的最 小可翻彳功率MMs之比k，
式中MDSs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Ws与导引头最小可探测功 率MDSs之比是否大于等于1; 再输出判断结果，输出< 1、= l、=n (n为大于1的整数)的判断结果，用于评价制导能 力。
10. 根据权利要求6的所述的利用光斑跟踪器进行目标识别与跟踪的方法，其特征在 于，包括： (a) 对相邻通道的数字滤波信号进行相关处理，得到n路"双"相关信号； (b) n路相邻通道的"双"相关信号进行相关处理，得到n路"双双"相关信号； (c) 对n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； (d) 分别对n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； (e) 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 信号； 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。
【文档编号】G01S17/66GK104330804SQ201410621926
【公开日】2015年2月4日 申请日期:2014年11月7日 优先权日:2014年11月7日
【发明者】郁麒麟, 其他发明人请求不公开姓名 申请人:扬州天目光电科技有限公司, 郁麒麟