基于仿生复眼的双路机敏量子点激光空间轨迹探测系统的制作方法

本发明涉及一种飞行目标空间轨迹检测系统，尤其涉及一种基于复眼仿生光学的双路机敏量子点激光动目标三维轨迹检测系统。

背景技术：

人工复眼(ACE)是一种模拟自然界昆虫复眼结构的光学系统，其将目前广泛使用的单孔径光学系统用多孔径光学系统所代替,从而达到使整个系统小型化、轻量化、以及视场增大的目的。近年来国外研究人员已成功制作了各种不同结构及用途的人工复眼系统。如美国伯克利加州大学Luke P.Lee等采用高分子微透镜、高分子锥管及自排列波导实现了半球型ACE；俄亥俄州立大学L.Li等采用光学微棱镜阵列制成了半球ACE，通过精确计算各小眼微棱镜剖面形状，实现了广视野景物在平面探测器上的成像。

基于ACE系统的优点，其可广泛应用于各种不同的领域。再加之复眼系统大视场的特点，其光电检测的潜在能力在国内外航空等领域都得到了广泛的重视。目前的人工复眼大都属于被动复眼，即被动地接收外部各波段的电磁波信息，然后进行分析处理，易受环境因素的制约，影响探测的信噪比、灵敏度，进而使探测的效果恶化。

在传统的飞行目标探测中，常采用雷达等探测手段，对于目标三维飞行轨迹的探测及描述较为困难，由于主动型人工复眼可在复眼内部构建与各小眼通道相匹配的主动发射源及回波探测单元，通过对波长及强度的选择，使复眼能适应不同的环境，较之传统的雷达系统更适合飞行目标的三维轨迹探测。基于单个复眼的探测系统，由于其各小眼光轴之间夹角恒定，导致在远距离探测时各小眼光轴空间距离较大，难以满足探测需求。

针对该问题，本发明模拟自然界昆虫复眼结构，提出一种基于双路机敏量子点主动复眼的飞行目标检测系统及方法，实现高效、高精度的动目标三维轨迹探测。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种双路机敏量子点主动复眼系统的飞行目标检测系统，可满足不同环境下空间动目标三维轨迹的探测。

本发明的技术方案是这样来实现的，本发明是在基于双路机敏量子点复眼结构的飞行目标检测系统上实现的，该系统采用左右两个复眼，每个复眼结构相同。该系统由主控制器、连杆、左眼三轴旋转器、右眼三轴旋转器及左右两只复眼组成。其中：

左右两只复眼分别安装在左眼三轴旋转器及右眼三轴旋转器上，连杆用于联接左眼三轴旋转器及右眼三轴旋转器；

主控制器用于对左右两只复眼的复眼控制器发送指令，从而控制左右两只复眼进行激光发射、回波接收；对左眼三轴旋转器、右眼三轴旋转器发送指令，控制两者工作，从而带动两只复眼绕三轴精确旋转；

左右复眼结构完全一致，主要由复眼电路系统及多个结构相同的小眼单元组成。其中每个小眼单元均由量子点激光单元和PIN光电二极管组成；

量子点激光单元由小眼激光发射窗口、外电极、上层P-DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N-DBR、N⁺型衬底、内电极组成，可实现量子点连续激光发射；

PIN光电二极管由P型半导体层、本征半导体层、N型半导体层、二极管上电极及二极管下电极组成，可实现回波信号接收；

复眼电路系统由复眼控制器、恒流驱动源、矩阵驱动模组及矩阵信号处理模组组成；复眼控制器用于控制恒流驱动源、矩阵驱动模组，并接收矩阵信号处理模组的输出信号；恒流驱动源为各量子点激光单元提供驱动注入电流；矩阵驱动模组由若干数量的驱动电路单元组成；驱动电路单元含有二极管联接引脚，通过二极管引线与各PIN光电二极管的二极管上电极及二极管下电极联连，为各PIN光电二极管提供反向偏置电压；驱动电路单元还含有信号输出引脚，通过信号引线与矩阵信号处理模组联连，将PIN光电二极管的传感电压信号交给矩阵信号处理模组分析处理；

复眼外形为半球形，半球形底部圆形平面为复眼底面，复眼中轴为通过复眼底面圆心的垂直于复眼底面的直线，与半球面相交于一点，即复眼中轴为直线o₁o₁'(左复眼)和o₂o₂'(右复眼)。通过复眼中轴作一系列垂直于复眼底面的剖面，即为复眼子午面，小眼单元均位于复眼子午面内，各小眼单元呈等间角排列，即各小眼光轴之间的小眼光轴夹角均为β；各相邻复眼子午面夹角均为α，每个复眼共包含

N＝(180°/β-1)×(180°/α)-[(180°/α)-1]

个小眼单元，则这N个小眼单元可根据小眼光轴的空间方位角不同进行编号排序。

左复眼以o₁为原点建立左复眼直角坐标系x₁y₁z₁，左眼三轴旋转器带动左复眼以o₁为旋转中心绕x₁轴、y₁轴、z₁轴转动；类似地，右复眼以o₂为原点建立右复眼直角坐标系x₂y₂z₂，右眼三轴旋转器带动右复眼以o₂为旋转中心绕x₂轴、y₂轴、z₂轴转动；

o₁o₂的距离为L，探测坐标系原点为o₁o₂的中点o，探测坐标系为xyz。x、x₁、x₂三轴相互平行；y、y₁、y₂三轴相互平行；z、z₁、z₂三轴相互平行；动目标三维轨迹在探测坐标系下描述；

基于双路机敏量子点复眼系统的飞行目标检测方法按以下步骤实现：

(1)激光发射

主控制器给左右两只复眼的复眼控制器发出控制指令，开始工作。复眼控制器收到控制指令后，开启恒流驱动源，使其产生恒定电流输出。该恒定电流由各小眼单元的外电极注入，然后分别经过上层P-DBR、上阻断层、有源区、量子点、下阻断层、下层N-DBR、N⁺型衬底，然后经内电极流出。上层P-DBR与下层N-DBR提供沿小眼光轴方向的受激辐射的高反射，形成激光谐振腔。上阻断层与下阻断层提供电光限制，降低阈值电流。当恒流驱动源提供的注入电流大于阈值电流时，有源区中的量子点的受激辐射在激光谐振腔中经过多次反射将产生光放大，最终满足激光出射的条件，沿小眼光轴方向发射出波长为λ的连续激光，并经小眼激光发射窗口发射出去。注入电流均匀地流入N个量子点小眼激光单元，由于这N个量子点小眼激光单元具有相同的几何结构与物质分布，因此其发出的激光具有相同的波长特性，每个复眼最终得到N束分别沿各小眼光轴方向，由小眼激光发射窗口发出的波长为λ的连续激光。

(2)粗跟踪

左右两个复眼共2N束波长为λ的连续激光沿各小眼光轴方向发射，当探测的空间区域没有目标时，这些激光束没有回波产生；反之，当探测的空间区域存在动目标时，左复眼某个小眼单元发射的连续激光遇到动目标时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元的小眼激光发射窗口后的PIN光电二极管接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组分析处理；矩阵信号处理模组接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元的序号，并将其小眼光轴对应的空间方位角A₁₀、B₁₀、C₁₀通过左复眼的复眼控制器送给主控制器；类似地，右复眼某个小眼单元发射的连续激光遇到动目标时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元的小眼激光发射窗口后的PIN光电二极管接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组分析处理；矩阵信号处理模组接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元的序号，并将其小眼光轴对应的空间方位角A₂₀、B₂₀、C₂₀通过右复眼的复眼控制器送给主控制器；

(3)初始定位

动目标在左复眼直角坐标系x₁y₁z₁下的初始位置矢量为在右复眼直角坐标系x₂y₂z₂下的初始位置矢量为在探测坐标系xyz下的初始位置矢量为根据空间几何约束关系

可得到初始位置矢量与根据下列矢量关系

可得初始位置矢量

(4)精细跟踪

由于各小眼光轴之间的小眼光轴夹角(即为β)，以及各相邻复眼子午面夹角α相对较大，在远距离探测时，只有当动目标飞行了较长距离后才会被复眼中相邻近的小眼探测到，因此无法精细跟踪。本发明基于双路机敏量子点复眼系统的飞行目标检测系统采用左眼三轴旋转器、右眼三轴旋转器在主控制器控制下的精细转动，模拟了自然界昆虫双复眼转动观察的机制，可解决动目标的精细跟踪问题。

在完成了第三步初始定位之后，主控制器发出控制指令给左眼三轴旋转器、右眼三轴旋转器进行旋转扫描模式，主控制器内部的计时器同时开始计时，即实时记录时间参数t。即左复眼每个小眼光轴所对应的空间方位角按下式变化

类似地，右复眼每个小眼光轴所对应的空间方位角按下式变化

以上式子中，t代表时间，k为扫描速率。

(5)空间轨迹描述

在精细跟踪模式下，按时间间隔△t进行空间轨迹探测采样，即有t＝M△t，式中，M为正整数。

左右两个复眼沿各扫描的小眼光轴方向发射共2N束波长为λ的连续激光，并按时间间隔△t进行回波采样；在任一采样时刻t＝M△t，左复眼某个小眼单元发射的连续激光遇到动目标时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元的小眼激光发射窗口后的PIN光电二极管接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组分析处理；矩阵信号处理模组接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元的序号，按下式计算其小眼光轴对应的空间方位角

并将A₁(t)、B₁(t)、C₁(t)通过左复眼的复眼控制器送给主控制器；

类似地，该时刻，右复眼某个小眼单元发射的连续激光遇到动目标时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元的小眼激光发射窗口后的PIN光电二极管接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组分析处理；矩阵信号处理模组接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元的序号，按下式计算其小眼光轴对应的空间方位角

并将A₂(t)、B₂(t)、C₂(t)通过左复眼的复眼控制器送给主控制器；

动目标在t＝M△t时刻下，左复眼直角坐标系x₁y₁z₁下的位置矢量为在右复眼直角坐标系x₂y₂z₂下的位置矢量为在探测坐标系xyz下的位置矢量为根据空间几何约束关系

可得到位置矢量与根据下列矢量关系

可得位置矢量最终通过不同时刻的位置矢量可描述动目标的空间三维轨迹，并通过对时间t求一阶导数及二阶导数可得速度矢量和加速度矢量

本发明的有益效果是，在复眼内部同时构建与各小眼通道相匹配的主动量子点激光发射源及回波探测单元，通过对波长及强度的选择，使复眼能适应不同的环境；同时，通过双复眼三轴连续扫描探测的方式，解决空间目标精细跟踪精度问题，本发明的系统与方法较之传统的探测系统更适合飞行目标的三维轨迹探测。

附图说明

图1-3为本发明的原理图，图中：1——复眼控制器；2——恒流驱动源；3——复眼底面；4——小眼光轴；5——外电极；6——小眼激光发射窗口；7——上层P-DBR(注：空穴掺杂型分布式布喇格反射器)；8——上阻断层；9——有源区；10——量子点；11——复眼中轴；12——下阻断层；13——下层N-DBR(注：电子掺杂型分布式布喇格反射器)；14——N⁺型衬底(注：高浓度电子掺杂半导体)；15——内电极；16——小眼光轴夹角；17——小眼单元；18——复眼子午面；19——子午面夹角；20——N型半导体层(注：电子掺杂型)；21——本征半导体层；22——P型半导体层(注：空穴掺杂型)；23——PIN光电二极管(注：即由P型、本征、N型半导体三层构成的光电二极管)；24——二极管下电极；25——二极管上电极；26——矩阵驱动模组；27——驱动电路单元；28——矩阵信号处理模组；29——二极管引线；30——二极管联接引脚；31——信号输出引脚；32——信号引线；33——复眼电路系统；34——探测坐标系原点；35——主控制器；36——左眼三轴旋转器；37——右眼三轴旋转器；38——动目标；39——连杆。

具体实施方式

本发明提出的基于双路机敏量子点复眼结构的飞行目标检测系统采用左右两个复眼，每个复眼结构相同，如图1(子午面视图)及图2(俯视图)所示；检测系统如图3所示。

该系统由主控制器35、连杆39、左眼三轴旋转器36、右眼三轴旋转器37及左右两只复眼组成。其中：

左右两只复眼分别安装在左眼三轴旋转器36及右眼三轴旋转器37上，连杆39用于联接左眼三轴旋转器36及右眼三轴旋转器37；

主控制器35用于对左右两只复眼的复眼控制器1发送指令，从而控制左右两只复眼进行激光发射、回波接收；对左眼三轴旋转器36、右眼三轴旋转器37发送指令，控制两者工作，从而带动两只复眼绕三轴精确旋转；

左右复眼结构完全一致，主要由复眼电路系统33及多个结构相同的小眼单元17组成。其中每个小眼单元17均由量子点激光单元和PIN光电二极管23组成；

量子点激光单元由小眼激光发射窗口6、外电极5、上层P-DBR7、上阻断层8、有源区9、量子点10、下阻断层12、下层N-DBR13、N⁺型衬底14、内电极15组成，可实现量子点连续激光发射，在本实施例中所有的衬底材料均为砷化镓(GaAs)；

PIN光电二极管23由P型半导体层22、本征半导体层21、N型半导体层20、二极管上电极25及二极管下电极24组成，可实现回波信号接收；

复眼电路系统33由复眼控制器1、恒流驱动源2、矩阵驱动模组26及矩阵信号处理模组28组成；复眼控制器1用于控制恒流驱动源2、矩阵驱动模组26，并接收矩阵信号处理模组28的输出信号；恒流驱动源2为各量子点激光单元提供驱动注入电流；矩阵驱动模组26由若干数量的驱动电路单元27组成；驱动电路单元27含有二极管联接引脚30，通过二极管引线29与各PIN光电二极管23的二极管上电极25及二极管下电极24联连，为各PIN光电二极管23提供反向偏置电压；驱动电路单元27还含有信号输出引脚31，通过信号引线32与矩阵信号处理模组28联连，将PIN光电二极管23的传感电压信号交给矩阵信号处理模组28分析处理；

复眼外形为半球形，半球形底部圆形平面为复眼底面3，复眼中轴11为通过复眼底面3圆心(注：左右两只复眼底面圆心分别为o₁和o₂)的垂直于复眼底面3的直线，与半球面相交于一点(注：左复眼该点为o₁'，右复眼该点为o₂')，即复眼中轴11为直线o₁o₁'(注：左复眼)和o₂o₂'(注：右复眼)。通过复眼中轴11作一系列垂直于复眼底面3的剖面，即为复眼子午面18，小眼单元17均位于复眼子午面18内，各小眼单元17呈等间角排列，即各小眼光轴4之间的小眼光轴夹角16均为β，在本实施例中β为10°，见图1的子午面视图；各相邻复眼子午面18夹角均为α，在本实施例中α为18°，每个复眼共包含

N＝(180°/β-1)×(180°/α)-[(180°/α)-1]

个小眼单元17(在本实施例中N＝161)，则这N个小眼单元17可根据小眼光轴4的空间方位角不同进行编号排序，见图2的俯视图。

左复眼以o₁为原点建立左复眼直角坐标系x₁y₁z₁，左眼三轴旋转器36带动左复眼以o₁为旋转中心绕x₁轴、y₁轴、z₁轴转动；类似地，右复眼以o₂为原点建立右复眼直角坐标系x₂y₂z₂，右眼三轴旋转器37带动右复眼以o₂为旋转中心绕x₂轴、y₂轴、z₂轴转动；

o₁o₂的距离为L，探测坐标系原点34为o₁o₂的中点o，探测坐标系为xyz。x、x₁、x₂三轴相互平行；y、y₁、y₂三轴相互平行；z、z₁、z₂三轴相互平行；动目标38三维轨迹在探测坐标系下描述；

基于双路机敏量子点复眼结构的飞行目标检测方法按以下步骤实现：

(1)激光发射

主控制器35给左右两只复眼的复眼控制器1发出控制指令，开始工作。复眼控制器1收到控制指令后，开启恒流驱动源2，使其产生恒定电流输出。该恒定电流由各小眼单元17的外电极5注入，然后分别经过上层P-DBR7、上阻断层8、有源区9、量子点10、下阻断层12、下层N-DBR13、N⁺型衬底14，然后经内电极15流出。上层P-DBR7与下层N-DBR13提供沿小眼光轴4方向的受激辐射的高反射，形成激光谐振腔。上阻断层8与下阻断层12提供电光限制，降低阈值电流。当恒流驱动源2提供的注入电流大于阈值电流时，有源区9中的量子点10的受激辐射在激光谐振腔中经过多次反射将产生光放大，最终满足激光出射的条件，沿小眼光轴4方向发射出波长为λ的连续激光，并经小眼激光发射窗口6发射出去。注入电流均匀地流入N个量子点小眼激光单元17，由于这N个量子点小眼激光单元17具有相同的几何结构与物质分布，因此其发出的激光具有相同的波长特性，每个复眼最终得到N束分别沿各小眼光轴4方向，由小眼激光发射窗口6发出的波长为λ的连续激光。

(2)粗跟踪

左右两个复眼共2N束波长为λ的连续激光沿各小眼光轴4方向发射，当探测的空间区域没有目标时，这些激光束没有回波产生；反之，当探测的空间区域存在动目标38时，左复眼某个小眼单元17发射的连续激光遇到动目标38时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元17的小眼激光发射窗口6后的PIN光电二极管23接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组28分析处理；矩阵信号处理模组28接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元17的序号，并将其小眼光轴4对应的空间方位角A₁₀、B₁₀、C₁₀通过左复眼的复眼控制器1送给主控制器35；类似地，右复眼某个小眼单元17发射的连续激光遇到动目标38时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元17的小眼激光发射窗口6后的PIN光电二极管23接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组28分析处理；矩阵信号处理模组28接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元17的序号，并将其小眼光轴4对应的空间方位角A₂₀、B₂₀、C₂₀通过右复眼的复眼控制器1送给主控制器35；

(3)初始定位

动目标38在左复眼直角坐标系x₁y₁z₁下的初始位置矢量为在右复眼直角坐标系x₂y₂z₂下的初始位置矢量为在探测坐标系xyz下的初始位置矢量为根据空间几何约束关系

可得到初始位置矢量与根据下列矢量关系

可得初始位置矢量为x方向单位矢量；。

(4)精细跟踪

由于各小眼光轴4之间的小眼光轴夹角16(即为β)，以及各相邻复眼子午面18夹角α相对较大，在远距离探测时，只有当动目标38飞行了较长距离后才会被复眼中相邻近的小眼探测到，因此无法精细跟踪。本发明基于双路机敏量子点复眼系统的飞行目标检测系统采用左眼三轴旋转器36、右眼三轴旋转器37在主控制器35控制下的精细转动，模拟了自然界昆虫双复眼转动观察的机制，可解决动目标38的精细跟踪问题。

在完成了第三步初始定位之后，主控制器35发出控制指令给左眼三轴旋转器36、右眼三轴旋转器37进行旋转扫描模式，主控制器35内部的计时器同时开始计时，即实时记录时间参数t。即左复眼每个小眼光轴4所对应的空间方位角按下式变化

类似地，右复眼每个小眼光轴4所对应的空间方位角按下式变化

以上式子中，t代表时间，k为扫描速率，在本实施例中，k＝π/10弧度/秒。

(5)空间轨迹描述

在精细跟踪模式下，按时间间隔△t进行空间轨迹探测采样，即有t＝M△t，式中，M为正整数，本实施例中△t＝0.1秒。

左右两个复眼沿各扫描的小眼光轴4方向发射共2N束波长为λ的连续激光，并按时间间隔△t进行回波采样；在任一采样时刻t＝M△t，左复眼某个小眼单元17发射的连续激光遇到动目标38时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元17的小眼激光发射窗口6后的PIN光电二极管23接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组28分析处理；矩阵信号处理模组28接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元17的序号，按下式计算其小眼光轴4对应的空间方位角

并将A₁(t)、B₁(t)、C₁(t)通过左复眼的复眼控制器1送给主控制器35；

类似地，该时刻，右复眼某个小眼单元17发射的连续激光遇到动目标38时将产生反射回波，其回波信号沿原路返回，穿过该小眼单元17的小眼激光发射窗口6后的PIN光电二极管23接收，从而产生传感电压信号交给矩阵信号处理模组28分析处理；矩阵信号处理模组28接收到该电压信号后，判定产生该信号小眼单元17的序号，按下式计算其小眼光轴4对应的空间方位角

并将A₂(t)、B₂(t)、C₂(t)通过左复眼的复眼控制器1送给主控制器35；

动目标38在t＝M△t时刻下，左复眼直角坐标系x₁y₁z₁下的位置矢量为在右复眼直角坐标系x₂y₂z₂下的位置矢量为在探测坐标系xyz下的位置矢量为根据空间几何约束关系

可得到位置矢量与根据下列矢量关系

可得位置矢量最终通过不同时刻的位置矢量可描述动目标38的空间三维轨迹，并通过对时间t求一阶导数及二阶导数可得速度矢量和加速度矢量