专利名称：动态目标二维捕获的系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光雷达技术，尤其涉及动态目标二维捕获的系统。
背景技术：
在采用激光雷达技术对待测的动态目标进行捕获时，为了覆盖整个捕获视场区域，必须通过扫描的方式来追踪动态目标，进而捕获动态目标，以获得动态目标在捕获视场区域的位置信息。在对动态目标进行捕获时，扫描方式的选择直接影响着捕获的成功率； 现有的对动态目标进行捕获的方案中，通常将圆形光斑作为用来探测动态目标位置的信标光，根据设定的扫描方式，利用信标光对待测的动态目标进行二维空间追踪。图1为现有的扫描方式的信标光运动轨迹示意图；图1中的(a)为矩形扫描，(b) 为螺旋扫描，(c)为矩形螺旋扫描，(d)为玫瑰扫描，(e)为李萨如扫描，现结合图1，对上述扫描方式进行说明，具体如下矩形扫描即逐行扫描，这种扫描方式虽然能够扫描整个区域，易于设计和实现，但扫描效率较低。螺旋扫描中信标光的运动轨迹是根据待测动态目标在捕获视场区域的粗描误差满足高速分布来进行设计的，该扫描方式是以最密的螺旋线轨迹，从动态目标出现的概率最大的区域开始扫描，效率较高，但在捕获视场区域的边缘易出现漏扫区域，如果降低漏扫概率，则会延长捕获时间。矩形螺旋扫描结合了矩形扫描和螺旋扫描两种方式的优点，扫描间隔重叠较小，无漏扫区域，实现较为容易，且平均捕获时间小于矩形扫描，但仍存在捕获成功率不高的问题。玫瑰扫描中信标光的运动轨迹是由玫瑰函数产生的，该扫描方式中信标光产生设备的抖动对捕获成功率的影响较小，但实现较为困难，且仍存在漏扫区域。李萨如扫描能够有效的扫描整个捕获视场区域，捕获时间较短，扫描效率较高，但实现较为困难，仍存在漏扫区域。现有的对动态目标进行捕获的方案中，由于现有的扫描方式存在漏扫区域，这就可能降低捕获的成功率；另外，现有的扫描方式还存在实现困难、捕获时间较长的问题，现有的捕获方案还有待进一步改进。
发明内容
本发明提供了一种动态目标二维捕获的系统，该系统能够减小漏扫区域的面积， 提高捕获成功率。一种动态目标二维捕获的系统，该系统包括激光器、激光扩束镜、光斑形成单元、 电控系统和光电探测子系统；所述激光器，用于在电控系统的控制下生成激光高斯光束，传送给激光扩束镜；所述激光扩束镜，用于将来自激光器的高斯光束变宽，传送给光斑形成单元；所述电控系统，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光；所述光斑形成单元，用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成条状信标光，并在电控系统的控制下按照预设的第一运动角速度，沿二维空间中的第一维方向移动所述条状信标光，且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的
区域具有一第一重叠面积；所述光电探测子系统，用于在光斑形成单元移动所述条状信标光的过程中接收反射光，计算获得第二运动角速，发送给电控系统，所述第二运动角速度为所述动态目标在第一维方向上的瞬时角速度；所述电控系统，还用于在接收来自光电探测子系统的第二运动角速后，控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光；所述光斑形成单元，还用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光，并在电控系统的控制下按照所述第二运动角速度，沿所述第一维方向移动所述圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度，沿所述二维空间中的第二维方向移动所述圆形信标光，且移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第二重叠面积；所述光电探测子系统，还用于在光斑形成单元移动所述圆形信标光的过程中接收反射光，计算获得所述动态目标在第一维方向的坐标及其在第二维方向的坐标。由上述的技术方案可见，本发明提供了一种动态目标二维捕获的系统，该系统中， 光斑形成单元按照预设的第一运动角速度，沿二维空间中的第一维方向移动条状信标光， 且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的区域具有一第一重叠面积； 在利用条状信标光在第一维方向上捕获了动态目标之后，光斑形成单元按照所述第二运动角速度，沿所述第一维方向移动所述圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度，沿所述二维空间中的第二维方向移动所述圆形信标光，且移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第二重叠面积，在第二维方向上利用圆形信标光对动态目标进行捕获，所述光电探测子系统根据捕获的放射光计算获得动态目标在第一维方向上的坐标及第二维方向上的坐标。采用本发明的方案，能够减小漏扫区域的面积，提高捕获的成功率。
图1为现有扫描方式的信标光运动轨迹示意图；图2为本发明动态目标二维捕获的方法流程图实例；图3为本发明条状信标光一维扫描的示意图；图4为本发明圆形信标光一维扫描的示意图；图5为本发明动态目标二维捕获的系统结构示意图；图6为本发明动态目标二维捕获的系统结构示意图实例一；图7为本发明动态目标二维捕获的系统结构示意图实例二 ；图8为本发明动态目标二维捕获的系统结构示意图实例三。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明进一步详细说明。本发明是对二维空间中的动态目标进行捕获的方案；为了表述清楚，先对本发明方法中提及的二维空间的第一维方向和第二维方向进行定义，如果二维空间的第一维方向为垂直方向，则第二维方向为水平方向，如果二维空间的第一维方向维水平方向，则第二维方向为垂直方向。本发明的信标光是用来对动态目标进行跟踪捕获的光斑。本发明的动态目标二维捕获的方法包括A、利用激光雷达出射的激光束形成条状信标光；按照预设的第一运动角速度，沿二维空间中的第一维方向移动所述条状信标光，且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的区域具有一第一重叠面积；B、在移动所述条状信标光的过程中，根据激光雷达检测到的反射光，计算获得第二运动角速度；所述第二运动角速度为所述动态目标在第一维方向上的瞬时角速度；C、利用所述激光雷达出射的激光束形成圆形信标光；按照所述第二运动角速度， 沿所述第一维方向移动所述圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度，沿所述二维空间中的第二维方向移动所述圆形信标光，且移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第二重叠面积；D、在移动所述圆形信标光的过程中，根据所述激光雷达检测到的反射光，计算获得所述动态目标在第一维方向的坐标及其在第二维方向的坐标。上述方法中，所述第一维方向为水平方向，所述第二维方向为垂直方向；或者所述第一维方向为垂直方向，所述第二维方向为水平方向。可选地，上述方法中，所述第一重叠面积由所述动态目标在第一维方向上的最大运动角速度和所述激光雷达的脉冲时间间隔确定；所述第二重叠面积由所述动态目标在第二维方向上的最大运动角速度和所述激光雷达的脉冲时间间隔确定。可选地，所述步骤A之前进一步包括根据预设的扫描距离，利用激光雷达出射的激光束检测延迟时间；所述延迟时间为所述激光雷达出射的激光束往返于预设的扫描距离所需的时间与所述激光雷达的反应时间的和。可选地，步骤A所述利用激光雷达出射的激光束形成条状信标光包括Al、根据延迟时间T delay、预设的动态目标的最大运动角速度ω 预设的初始测角误差Area_e计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差々仪^^得到的和；A2、根据W= S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积；A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，对所述激光雷达出射的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。可选地，步骤A所述利用激光雷达出射的激光束形成条状信标光包括Al’、根据预设的初始测角误差Area_e、预设的扫描余量Area_m、延迟时间T delay及预设的动态目标的最大运动角速度计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差Area_e及预设的扫描余量Area_m得到的和；A2’、根据W = S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积；A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，对所述激光雷达出射的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。可选地，所述扫描余量Area_m由延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差Area_e得到的和来确定。可选地，步骤C所述利用所述激光雷达出射的激光束形成圆形信标光包括Bi、根据所述条状信标光在第一维方向上的尺寸设定所述圆形信标光的直径；所述圆形信标光的直径大于等于所述条状信标光在第一维方向上的尺寸；B2、根据所述圆形信标光的直径，对所述激光雷达出射的激光束进行准直，形成圆形信标光。可选地，所述第一重叠面积小于等于所述条状信标光覆盖的区域的面积的0. 5% ；所述第二重叠面积小于等于所述圆形信标光面积的5%。图2为本发明动态目标二维捕获的方法流程图实例。图3为本发明条状信标光一维扫描的示意图。图4为本发明圆形信标光一维扫描的示意图。现结合图2、图3及图4， 对本发明动态目标二维捕获的方法进行说明，具体如下步骤201 根据预设的扫描距离，利用激光雷达出射的激光束检测延迟时间；根据预设的扫描距离，检测激光雷达出射的激光束往返于扫描距离所需的时间及激光雷达的反应时间，将激光束往返于扫描距离所需的时间及激光雷达的反应时间之和作为延迟时间。步骤202 根据延迟时间及预设的初始参数计算获得的条状信标光尺寸，利用激光雷达出射的激光束形成条状信标光；预设的初始参数包括预设的动态目标的最大运动角速度及预设的初始测角误差Area、；其中，《1可根据动态目标的性能参数进行估算，比如飞机、导弹等飞行器的最大运动角速度为50mrad/s ；Area_e可根据激光雷达的性能，对初始测角误差进行估算，比如激光雷达的测角误差为O至0. 6mrad。该步骤包括步骤2021，根据延迟时间T delay、预设的动态目标的最大运动角速度预设的初始测角误差Area_e计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；步骤2022，根据
W= S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；步骤2023，根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，对所述激光雷达出射的激光束进行整形和压缩，形成条状信标光。步骤2021中计算条状信标光在第二维方向上的尺寸时，可采用下述公式进行计算H = 2XT delayX ωt+Area e(1)上述公式中，H为条状信标光在第二维方向上的尺寸；Area_e是对条状信标光在二维方向上的修正值；采用2XT delayX cot的计算，主要是考虑到动态目标在某一维方向上具有两个运动方向，比如垂直向上运动或垂直向下运动，这样能够提高捕获的成功率。
步骤2022中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸；S为激光雷达出射的激光束到达预设的扫描距离时，在垂直于激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积，该激光雷达出射的激光束是未经整形或准直的原始激光束。根据激光雷达出射的激光束能量守恒的原理，在预设的扫描距离的位置上，原始激光束在垂直于激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积应与条状信标光的面积相同，这样，根据预设的扫描距离、圆形光斑的面积及条状信标光在第二维方向上的尺寸，就可计算获得条状信标光在第一维方向上的尺寸。步骤2023中，根据上述条状信标光的尺寸，可采用现有的方法对激光雷达出射的激光束进行整形和压缩，以形成上述尺寸的条状信标光，比如利用光栅来形成所需尺寸的条状信标光。为了提高捕获的成功率，在根据步骤2021计算条状信标光在第二维方向上的尺寸时，可以进一步考虑一预设的扫描余量Area_m，即将延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差Area_e及预设的扫描余量 Area_m得到的和作为条状信标光在第二维方向上的尺寸H'，具体公式如下H' = 2 X T delay X ω t+Area e+Area m(2)增加了预设的扫描余量Area_m后，减小了漏扫区域的面积，使得条状信标光尽可能覆盖扫描区域的第二维方向；为了尽可能缩短捕获所需的时间，扫描余量Area_m可设置为小于等于公式(1)计算获得的H的5%。则在步骤2022中，根据W' = S/H'及H'计算条状信标光在第一维方向上的尺寸 W'；在步骤2023中，根据H'和W'，利用激光雷达出射的激光束形成条状信标光。步骤203 按照预设的第一运动角速度，沿第一维方向移动条状信标光；该步骤包括步骤2031，根据预设的动态目标的最大运动角速度估算一第一运动角速度；步骤2032，按照第一运动角速度，沿第一维方向移动条状信标光，且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的区域具有一第一重叠面积。在步骤2031中，为了在第一维方向上实现对动态目标的捕获，第一运动角速度大于动态目标的最大运动角速度，具体可设置为动态目标的最大运动角速度的N倍；其中，N 为大于1的实数。在步骤2032中，条状信标光覆盖的区域的面积为条状信标光在第一维方向上的尺寸与其在第二维方向上的尺寸的乘积；第一重叠面积由动态目标的在第一维方向上的最大运动角速度和激光雷达的脉冲时间间隔确定，第一重叠面积可小于等于条状信标光覆盖的区域的面积的0. 5%，如图3所示。之所以在移动条状信标光时保证有一定的重叠面积，主要是避免激光雷达的激光脉冲时间间隔在移动条状信标光的过程中，使得移动前的条状信标光与移动后的条状信标光之间产生漏扫区域，本发明的扫描方法进一步提高了捕获的成功率。步骤204 判断激光雷达是否检测到反射光，如果是，执行步骤205，否则执行步骤 210 ；若在条状信标光覆盖的区域存在动态目标，则激光雷达能够在移动条状信标光的过程中，检测到条状信标光照射到动态目标上形成的反射光；具体的检测方法属于现有技术的内容，在此不再赘述。
步骤205 根据检测到的反射光计算获得第二运动角速度；第二运动角速度为动态目标在第一维方向上的瞬时角速度。该步骤中，可采用现有的测速方法，利用检测到的反射光、预设的扫描距离、延迟时间及步骤202中预设的初始参数，计算获得动态目标在第一维方向上的瞬时角速度，在此不再对具体的计算方法进行赘述。步骤206 根据由条状信标光计算获得的圆形信标光的尺寸，利用激光雷达出射的激光束形成圆形信标光；该步骤包括步骤2061，根据条状信标光在第一维方向上的尺寸设定圆形信标光的直径；步骤2062，根据所述圆形信标光的直径，对激光雷达出射的激光束进行准直，形成圆形信标光。在步骤2061中，圆形信标光的直径大于等于条状信标光在第一维方向上的尺寸， 具体尺寸可根据对捕获时间的要求进行设定。在步骤2062中，可利用球面镜对激光雷达发射的激光束进行准直，以产生所需尺寸的圆形信标光，在此不再对形成圆形信标光的方法进行赘述。步骤207 按照第二运动角速度在第一维方向移动圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度在第二维方向上移动圆形信标光；该步骤中第三运动角速度的计算方法与第一运动角速度的计算方法相同，在此不再对具体的计算方法进行赘述。第三运动角速度需大于动态目标在第二维方向上的运动角速度，较佳地，可与第一运动角速度相同。由于动态目标是在二维空间的第一维方向和第二维方向上运动，本发明按照第二运动角速度在第一维方向移动圆形信标光，以在第一维方向上对动态目标进行跟踪，保持在第一维方向上的同步；按照第三运动角速度在第二维方向上移动圆形信标光，以实现对动态目标的有效捕获。为了减小漏扫区域的面积，提高捕获成功率，在按照预设的第三运动角速度在第二维方向上移动圆形信标光时，可采用与条状信标光相同的移动方法，即移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第二重叠面积。其中，第二重叠面积由动态目标在第二维方向上的最大运动角速度和激光雷达的脉冲时间间隔确定，第二重叠面积小于等于圆形信标光面积的5%，如图4所示。步骤208 判断激光雷达是否再次检测到反射光，如果是，执行步骤209，否则执行步骤210 ；若在圆形信标光覆盖的区域存在动态目标，则激光雷达能够在移动圆形信标光的过程中，检测到圆形信标光照射到动态目标上形成的反射光，即激光雷达再次检测到的反射光，此时，圆形信标光对动态目标进行了成功捕获；具体检测方法属于现有技术的内容， 在此不再赘述。步骤209 根据再次检测到的反射光计算动态目标的二维坐标并输出，之后执行步骤211 ；该步骤中，可采用现有的测距方法及测速方法，根据再次检测到的反射光计算动态目标在第一维方向上的坐标和其在第二维方向上的坐标，在此不再对具体的计算方法进行赘述。
步骤210 输出未捕获的结果；步骤211:结束。在采用本发明的方法对动态目标进行二维捕获时，以扫描距离90km、时间转率不大于士 1° /s的动态目标、延时时间为15ms、粗对准误差为0. 6mrad为例，在初始测角误差为0. 3mrad、且相同激光雷达的前提下，对本发明的捕获方法与现有的矩阵螺旋扫描方法进行仿真比较。矩阵螺旋扫描方法采用发散角为2mrad、0. 8mrad,0. 3mrad的圆形信标光，在多次仿真测试下，矩阵螺旋扫描方法的捕获率为56% ；而本发明的捕获方法采用纵向发散角为9mrad，横向发散角为0. 047mrad的条状信标光，以及发散角为0. 3mrad的圆形信标光， 在多次仿真测试下，本发明的捕获方法的捕获率100%。在上述仿真实例中，发散角可用以表示圆形信标光的直径，纵向发散角用以表示条状信标光在第二维方向上的尺寸，横向发散角用以表示条状信标光在第一维方向上的尺寸。本发明的上述较佳实施例中，在第一维方向上利用条状信标光确定动态目标在第一维方向上的大致区域，在第二维方向上利用圆形信标光确定动态目标在第二维方向上的准确位置；在第二维方向上，为了能够捕获到动态目标，圆形新光标在第二维方向上移动的同时，还需在第一维方向上移动，以保持与动态目标的同步；本发明在移动条状信标光及圆形信标光时，移动前和移动后需保证覆盖区域具有一定的重叠面积，这样，可减小漏扫区域，提高捕获的成功率。参见图5，为本发明动态目标二维捕获的系统结构示意图，该系统包括激光器、激光扩束镜、光斑形成单元、电控系统和光电探测子系统；所述激光器，用于在电控系统的控制下生成激光高斯光束，传送给激光扩束镜；所述激光扩束镜，用于将来自激光器的高斯光束变宽，传送给光斑形成单元；所述电控系统，用于在接收来自光电探测子系统的第二运动角速后，控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光；所述光斑形成单元，用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成条状信标光，并在电控系统的控制下按照预设的第一运动角速度，沿二维空间中的第一维方向移动所述条状信标光，且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的
区域具有一第一重叠面积；所述光电探测子系统，用于在光斑形成单元移动所述条状信标光的过程中接收反射光，计算获得第二运动角速，发送给电控系统，所述第二运动角速度为所述动态目标在第一维方向上的瞬时角速度；所述电控系统，还用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光；所述光斑形成单元，还用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光，并在电控系统的控制下按照所述第二运动角速度，沿所述第一维方向移动所述圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度，沿所述二维空间中的第二维方向移动所述圆形信标光，且移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第
二重叠面积；所述光电探测子系统，还用于在光斑形成单元移动所述圆形信标光的过程中接收反射光，计算获得所述动态目标在第一维方向的坐标及其在第二维方向的坐标，发送给电控系统。光电探测子系统可运用现有的设备，图中未标注出来。所述第一维方向为水平方向，所述第二维方向为垂直方向；或者所述第一维方向为垂直方向，所述第二维方向为水平方向。高斯光束的特点包括与光传输方向垂直的切面为圆面；激光扩束镜将接收的高斯光束变宽，也就是增大所述圆面的直径；激光扩束镜一般由两个聚焦透镜实现，如图5所示，对高斯光束宽度的改变量由两个聚焦透镜之间的距离确定，实际应用中，可根据需要对两个聚焦透镜之间的距离进行调整。根据高斯光束的特性，经激光扩束镜后变为宽高斯光束，束腰半径变大，发散角变小，这样能量更会聚，有利于探测较远距离的目标。在电控系统的控制下，光斑形成单元可形成条状信标光，也可形成圆形信标光，并可按照电控系统的指示移动信标光。光斑形成单元的具体实现有多种方式，下面以图6、7、 8所示的结构进行举例说明。在需要形成条状信标光时，所述光斑形成单元包括控制电机、快速转向镜、聚焦透镜和柱面镜组，如图6所示。在需要形成圆形信标光时，从图6所示的光斑形成单元中移出聚焦透镜和柱面镜组，其结构如图7所示；具体地，如果光电探测子系统在光斑形成单元移动条状信标光的过程中接收到反射光，便计算获得第二运动角速，发送给电控系统，电控系统接收第二运动角速之后，便提醒工作人员移出柱面镜组。所述控制电机，用于在电控系统的控制下，对快速转向镜进行转动；所述快速转向镜，用于将来自激光扩束镜的激光束反射，使反射光平行入射到聚焦透镜；所述聚焦透镜，用于将来自快速转向镜的激光束进行聚焦后发散，将发散激光束传送给柱面镜组；所述柱面镜组，用于接收来自聚焦透镜的激光束，改变激光束水平方向和垂直方向上的传输方向。快速转向镜可以采用压电陶瓷结构实现；也可以采用音圈电机实现，其响应频率可以达到1KHZ，且可以二维调节，这样可控制高斯光束被反射后的方向，从而实现二维扫描。由快速转向镜发出的平行光经聚焦透镜后会聚在该透镜的焦点上，随后激光束变为发散光束。在电控系统确定出条状信标光的尺寸以及移动方向后，结合当前系统结构的特点便可计算出快速转向镜所要转动的角度；所述当前系统结构的特点包括激光扩束镜入射到快速转向镜的激光束宽度，快速转向镜、聚焦透镜和柱面镜组三者之间的距离等信息；该计算方案为已有的技术，这里不多赘述。同样地，在电控系统确定出圆形信标光的尺寸以及移动方向后，结合当前系统结构的特点便可计算出快速转向镜所要转动的角度；所述当前系统结构的特点包括激光扩束镜入射到快速转向镜的激光束宽度等信息；该计算方案为已有的技术，这里不多赘述。可选地，所述柱面镜组包括水平柱面镜和垂直柱面镜，图中还显示了两者的立体图；所述水平柱面镜，用于改变激光束垂直方向的传输方向。
所述垂直柱面镜，用于改变激光束水平方向的传输方向。柱面透镜置于聚焦透镜之后，两个柱面镜柱面中心轴相互垂直，一个水平放置，一个垂直放置。水平放置的水平柱面镜只在垂直方向改变光束传输方向，而垂直放置的垂直柱面镜只在水平方向改变光束的传输方向。聚焦透镜的焦点正处于水平柱面镜和垂直柱面镜的前焦点上，这样发散光束经垂直柱面镜后，把水平方向的发散光束会聚成平行光，而在垂直方向仍为发散光束；再经过水平柱面镜后，垂直方向的光束也变为平行光束。由于垂直柱面镜和水平柱面镜焦距不同，虽然水平方向的光束和垂直方向的光束都为平行光，但两个方向的光束半径不同。根据高斯光束性质，束腰半径ω和发散角θ的乘积为一常数，这样出射激光束在水平方向和垂直方向的发散角不同，从而可以在指定距离处形成椭圆形信标光，选择椭圆形信标光的长短轴比，以达到图3所示的条状信标光的要求，若椭圆形信标光覆盖图3所示条状信标光的范围，就视为达到了图3所示的条状信标光的要求。通过选择合适的柱面镜焦距，两个柱面镜可以单独控制条形光束水平和垂直方向的长度，达到任意需要的形状要求；具体的选择方式为已有的技术，这里不赘述。可选地，所述光斑形成单元包括全反射镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器，如图8所示，图中的空间光调制器1也就是第一空间光调制器，图中的空间光调制器2 也就是第二空间光调制器；所述全反射镜，用于将来自激光扩束镜的激光束反射，使反射光平行入射到第一空间光调制器；所述第一空间光调制器，用于接收来自全反射镜的激光束，并在电控系统的控制下通过相位调制改变激光束的强度分布，而后传送给第二空间光调制器；所述第二空间光调制器，用于接收来自第一空间光调制器激光束，在电控系统的控制下通过相位调制对激光束的进行相位补偿，使激光束等相位面为平面，并改变激光束的传输方向，而后发射出去。传送给第一空间光调制器的激光束的等相位面为平面，经过第一空间光调制器相位调制后的激光束的等相位面可能被破坏，不再是平面；因而，第二空间光调制器需要对接收到的激光束进行相位补偿，使激光束等相位面为平面。在电控系统确定出信标光的尺寸以及移动方向后，便可控制第一空间光调制器和第二空间光调制器改变激光束的强度分布和传输方向，进而得到需要的信标光，该需要的信标光包括条状信标光或圆形信标光；对第一空间光调制器和第二空间光调制器进行控制，以改变激光束的强度分布和传输方向，进而得到需要的信标光，为已有的技术，这里不多赘述。可选地，所述电控系统包括第一条状信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光，包括Al、根据延迟时间T delay、预设的动态目标的最大运动角速度预设的初始测角误差Area_e计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差々仪^^得到的和；A2、根据W= S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积；
A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。形成条状信标光的具体阐述可参见方法部分的记载。可选地，所述电控系统包括第二条状信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光，包括Al’、根据预设的初始测角误差Area_e、预设的扫描余量Area_m、延迟时间T delay及预设的动态目标的最大运动角速度计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度
的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差Area_e及预设的扫描余量Area_m得到的和；A2’、根据W = S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的条状光斑的面积；A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。形成条状信标光的具体阐述可参见方法部分的记载。可选地，所述电控系统包括圆形信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成圆形信标光，包括Bi、根据所述条状信标光在第一维方向上的尺寸设定所述圆形信标光的直径；所述圆形信标光的直径大于等于所述条状信标光在第一维方向上的尺寸；B2、根据所述圆形信标光的直径，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行准直，形成圆形信标光。形成圆形信标光的具体阐述可参见方法部分的记载。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。
权利要求
1.一种动态目标二维捕获的系统，其特征在于，该系统包括激光器、激光扩束镜、光斑形成单元、电控系统和光电探测子系统；所述激光器，用于在电控系统的控制下生成激光高斯光束，传送给激光扩束镜； 所述激光扩束镜，用于将来自激光器的高斯光束变宽，传送给光斑形成单元； 所述电控系统，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光；所述光斑形成单元，用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成条状信标光，并在电控系统的控制下按照预设的第一运动角速度，沿二维空间中的第一维方向移动所述条状信标光，且移动后的条状信标光覆盖的区域与移动前条状信标光覆盖的区域具有一第一重叠面积；所述光电探测子系统，用于在光斑形成单元移动所述条状信标光的过程中接收反射光，计算获得第二运动角速，发送给电控系统，所述第二运动角速度为所述动态目标在第一维方向上的瞬时角速度；所述电控系统，还用于在接收来自光电探测子系统的第二运动角速后，控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光；所述光斑形成单元，还用于在电控系统的控制下，对来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光，并在电控系统的控制下按照所述第二运动角速度，沿所述第一维方向移动所述圆形信标光，同时，按照预设的第三运动角速度，沿所述二维空间中的第二维方向移动所述圆形信标光，且移动后的圆形信标光覆盖的区域与移动前圆形信标光的区域具有一第二重叠面积；所述光电探测子系统，还用于在光斑形成单元移动所述圆形信标光的过程中接收反射光，计算获得所述动态目标在第一维方向的坐标及其在第二维方向的坐标。
2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在需要形成条状信标光时，所述光斑形成单元包括控制电机、快速转向镜、聚焦透镜和柱面镜组；在需要形成圆形信标光时，从所述光斑形成单元中移出所述聚焦透镜和所述柱面镜组；所述控制电机，用于在电控系统的控制下，对快速转向镜进行转动； 所述快速转向镜，用于将来自激光扩束镜的激光束反射，使反射光平行入射到聚焦透镜；所述聚焦透镜，用于将来自快速转向镜的激光束进行聚焦后发散，将发散激光束传送给柱面镜组；所述柱面镜组，用于接收来自聚焦透镜的激光束，改变激光束水平方向和垂直方向上的传输方向，而后发射出去。
3.如权利要求2所述的系统，其特征在于，所述柱面镜组包括水平柱面镜和垂直柱面镜；所述水平柱面镜，用于改变激光束垂直方向的传输方向。 所述垂直柱面镜，用于改变激光束水平方向的传输方向。
4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光斑形成单元包括全反射镜、第一空间光调制器和第二空间光调制器；所述全反射镜，用于将来自激光扩束镜的激光束反射，使反射光平行入射到第一空间光调制器；所述第一空间光调制器，用于接收来自全反射镜的激光束，并在电控系统的控制通过相位调制改变激光束的强度分布，而后传送给第二空间光调制器；所述第二空间光调制器，用于接收来自第一空间光调制器激光束，在电控系统的控制下通过相位调制对激光束的进行相位补偿，使激光束等相位面为平面，并改变激光束的传输方向，而后发射出去。
5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一维方向为水平方向，所述第二维方向为垂直方向；或者所述第一维方向为垂直方向，所述第二维方向为水平方向。
6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电控系统包括第一条状信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光，包括Al、根据延迟时间T delay、预设的动态目标的最大运动角速度及预设的初始测角误差Area_e计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度ω t的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差々仪 得到的和；A2、根据W = S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的圆形光斑的面积；A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。
7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电控系统包括第二条状信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光，包括Al’、根据预设的初始测角误差Area_e、预设的扫描余量Area_m、延迟时间T delay及预设的动态目标的最大运动角速度计算条状信标光在第二维方向上的尺寸；所述条状信标光在第二维方向上的尺寸为延迟时间T delay与预设的动态目标的最大运动角速度的乘积的二倍，加上预设的初始测角误差Area_e及预设的扫描余量Area_m得到的和；A2’、根据W = S/H计算条状信标光在第一维方向上的尺寸；上述公式中，W为条状信标光在第一维方向上的尺寸，S为所述激光雷达出射的激光束到达所述预设的扫描距离时，在垂直于所述激光束出射方向的平面上形成的条状光斑的面积；A3、根据条状信标光在第一维方向上的尺寸及其在第二维方向上的尺寸，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行整形和压缩，形成所述条状信标光。
8.如权利要求6或7所述的系统，其特征在于，所述电控系统包括圆形信标光控制单元，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成圆形信标光，包括Bi、根据所述条状信标光在第一维方向上的尺寸设定所述圆形信标光的直径；所述圆形信标光的直径大于等于所述条状信标光在第一维方向上的尺寸；B2、根据所述圆形信标光的直径，控制光斑形成单元对来自激光扩束镜的激光束进行准直，形成圆形信标光。
全文摘要
本发明提供了动态目标二维捕获的系统，该系统包括激光器、激光扩束镜、光斑形成单元、电控系统和光电探测子系统；所述激光器，用于在电控系统的控制下生成激光高斯光束，经激光扩束镜传送给光斑形成单元；所述电控系统，用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的激光束形成条状信标光；所述光电探测子系统，用于在光斑形成单元移动所述条状信标光的过程中接收反射光，计算获得第二运动角速，发送给电控系统；所述电控系统，还用于控制光斑形成单元，对光斑形成单元接收的来自激光扩束镜的激光束形成圆形信标光。本发明方案能够减小漏扫区域的面积，提高捕获成功率。
文档编号G01S17/66GK102323593SQ20111024459
公开日2012年1月18日 申请日期2011年8月24日 优先权日2011年8月24日
发明者刘明, 牛春晖 申请人:北京国科环宇空间技术有限公司