一种目标位置信息探测系统及其控制方法

1.本发明属于一种位置探测控制方法，具体涉及一种目标位置信息探测系统及其控制方法。


背景技术：

2.激光三维强度关联成像雷达(3d gisc lidar)基于一种新型的非局域激光成像雷达机制。与传统“点到点”模式的信息获取方式不同，激光三维强度关联成像雷达首先利用激光照射旋转的毛玻璃产生散斑场，散斑场经过分束器后分为两路：一路为参考光路，借助参考相机记录散斑场强度的空间分布信息，另一路为物光路，将散斑场投影至待测目标场景以实现对目标的空间强度编码，并利用一个不具备空间分辨能力的桶探测器记录目标回波的飞行时间信号；最后，通过计算参考散斑与目标飞行时间信号之间的二阶关联，获取目标场景的三维信息。从激光三维强度关联成像雷达的工作原理可以看出，一方面空间强度编码的引入使其可以用点探测器获取目标的高维信息，降低了对探测器件的需求，同时在一定程度上强化了其在复杂信道环境下的抗干扰性能；另一方面，基于二阶关联的信息获取模式依赖于多次采样，使其在运动目标场景下存在固有的运动模糊问题。
3.要将3dgisc lidar技术面向实际应用并进行成果转化，还需要重点解决高速运动目标高分辨成像问题，由于3dgisc lidar属于一种多次测量的凝视成像方法，其数据采集时间较长且无法达到实时成像，所以目标与系统的相对运动会导致成像分辨率下降(即运动模糊)。另外，若目标光源能量不足，也无法通过可见光或红外相机对目标进行探测，也就无法通过视频模块提取脱靶量。


技术实现要素：

4.本发明为解决目前3d gisc lidar技术面向实际应用进行成果转化时，存在运动模糊，以及目标光源能量不足时脱靶量提取困难的技术问题，提供一种目标位置信息探测系统及其控制方法。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种目标位置信息探测系统，包括激光器、依次设置在激光器出射光路上的旋转毛玻璃和第一分束器，经第一分束器形成两路光路，一路为参考光路，另一路为物光路；其特殊之处在于，还包括控制器和接收系统；
7.所述物光路上沿光路依次设置发射跟踪镜和准直光学系统，经准直光学系统准直后的光入射至待测目标场景，使待测目标场景发出返回信号；
8.所述接收系统包括沿返回光信号的光路依次设置的主反射镜、次反射镜、接收跟踪镜、聚光镜、章动扫描镜和桶探测器，所述返回信号进入主反射镜，所述章动扫描镜采用压电陶瓷驱动；
9.所述控制器分别连接发射跟踪镜、接收跟踪镜、章动扫描镜和桶探测器，用于接收桶探测器产生的回波信号和章动扫描镜的位置信息，获得脱靶量，控制章动扫描镜的工作
状态，并根据脱靶量控制发射跟踪镜和接收跟踪镜的位置。
10.进一步地，还包括第二分束器、第一透镜和监控摄像机；
11.所述第二分束器的反射面位于物光路中，且位于第一分束器和发射跟踪镜之间；第二分束器的透射光路上依次设置有第一透镜和监控摄像机沿光路依次设置。
12.进一步地，所述章动扫描镜的运动幅度为1mrad，频率为1khz。
13.进一步地，所述发射跟踪镜和接收跟踪镜均采用音圈电机驱动。
14.一种上述目标位置信息探测系统的控制方法，其特殊之处在于，在激光器发出激光后，通过以下步骤控制目标位置信息探测系统：
15.s1，通过控制器采集桶探测器产生的回波信号和章动扫描镜的位置信号；
16.s2，通过控制器控制章动扫描镜，使章动扫描镜x轴和y轴给定位置的起始点与回波信号同步；
17.s3，根据桶探测器产生的回波信号和章动扫描镜的位置信号，得到脱靶量；
18.s4，根据脱靶量控制发射跟踪镜，并根据发射跟踪镜的位置控制接收跟踪镜，使接收跟踪镜的角度和发射跟踪镜的角度呈倍率关系。
19.进一步地，步骤s2具体为，章动扫描镜的运动频率为1khz，通过控制器控制章动扫描镜，使章动扫描镜每章动一圈，桶探测器产生100个回波信号，每个回波信号对应章动扫描镜的位置坐标(xm，ym)为：
[0020][0021][0022]
其中，m＝0,1,2,......,99，xm表示章动扫描镜的位置坐标横坐标，ym表示章动扫描镜的位置坐标纵坐标。
[0023]
进一步地，步骤3具体为：
[0024]
通过下式得到脱靶量：
[0025][0026]
其中，m表示章动扫描镜每章动一圈，回波信号能量最大值对应的回波信号序号数：r表示探测到章动圆心与目标点的绝对距离，x表示脱靶量的横坐标分量，y表示脱靶量的纵坐标分量。
[0027]
进一步地，步骤s3中，所述r通过以下方式得到：
[0028]
对各回波信号能量e通过下式进行归一化处理，得到对应的归一化结果e
‘
：
[0029][0030]
其中，e
max
表示章动扫描镜每章动一圈，回波信号能量最大值；
[0031]
通过下式求解r：
[0032][0033]
进一步地，步骤s3中，所述e
max
通过以下方式确定：
[0034]
若回波信号能量最大值对应的回波信号数量等于1，则直接确定回波信号能量最大值；
[0035]
若回波信号能量最大值对应的回波信号数量大于1，将所有回波信号能量最大值对应的回波信号按顺序排列，得到回波信号序列；判断是否满足且为整数，若是，则取第个回波信号作为回波信号能量最大值e
max
对应的回波信号，否则，取第个回波信号作为回波信号能量最大值e
max
对应的回波信号；其中，l为回波信号序列中第一个回波信号在100个回波信号中的序号数，n为回波信号序列中最后一个回波信号在100个回波信号中的序号数，c为回波信号序列中的回波信号总数。
[0036]
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0037]
1.本发明提供了一种目标位置信息探测系统，设置了章动扫描镜，以及发射跟踪镜和接收跟踪镜组成的双fsm，通过控制器采集章动扫描镜的位置信息和桶探测器的回波信号，控制发射跟踪镜、章动扫描镜和接收跟踪镜的工作状态，能够有效解决3d gisc lidar技术面向实际应用并进行成果转化中遇到的运动模糊、探测器脱靶量提取困难等问题。
[0038]
2.本发明中还设置有监控摄像机，可以对待测目标场景进行监测，另外，在待测目标场景距离较近时，也可以通过监控摄像机对待测目标场景成像。
[0039]
3.本发明中发射跟踪镜和接收跟踪镜采用音圈电机驱动，精度更高，行程量大且响应速度快。
[0040]
4.本发明提供的目标位置信息探测系统的控制方法，能够对远距离或能量较低的待测目标场景进行探测控制，根据章动扫描镜的位置信号和桶探测器的回波信号计算脱靶量，根据脱靶量控制发射跟踪镜，进而实现对探测系统的控制，大幅提高了3d gisc lidar对远距离高速动目标的探测能力。
附图说明
[0041]
图1为本发明一种目标位置信息探测系统实施例的示意图；
[0042]
图2为本发明实施例中章动扫描镜章动一圈内回波信号能量最大点唯一时脱靶量的计算原理示意图。
[0043]
其中：1-激光器、2-旋转毛玻璃、3-第一分束器、4-发射跟踪镜、5-准直光学系统、6-控制器、7-接收系统、701-主反射镜、702-接收跟踪镜、703-聚光镜、704-章动扫描镜、705-桶探测器、8-第二分束器、9-第一透镜、10-监控摄像机、11-第一反射镜、12-第二反射镜、13-参考镜、14-第二透镜、15-第三反射镜、16-第三透镜、17-第四反射镜、18-待测目标场景、19-次反射镜、20-第五反射镜、21-参考相机。
具体实施方式
[0044]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
[0045]
针对高分辨率成像对跟瞄控制系统高精度、快响应、抗干扰的需求。若目标光源能量不足，就无法通过可见光或者红外相机对其进行探测，也无法通过视频模块提取脱靶量。针对这种情况，本发明将复合轴跟瞄控制系统与3d gisc lidar的回波信号进行结合，研究了基于章动振镜扫描探测目标位置信息的方式进行高精度跟瞄成像。采用章动振镜高频扫描得到的回波信号作为调制信号，根据光电探测器(pin管)输出功率的变化来得到复合轴跟瞄目标过程中的脱靶量，并实时控制精跟踪fsm进行跟踪，最终实现与3dgisc lidar的回波信号结合的高精度复合轴跟瞄闭环控制。
[0046]
如图1所示，本发明提供了一种目标位置信息探测系统，包括沿光路依次设置的激光器1、旋转毛玻璃2、第一反射镜11和第一分束器3，激光器1发出的激光照射旋转毛玻璃2产生散斑场，散斑场经第一反射镜11后进入第一分束器3，透射光形成参考光路，经第二反射镜12和参考镜13后，被参考相机21采集，反射光经第二透镜14、第三反射镜15后进入第二分束器8，经第二分束器8反射后，先经过发射跟踪镜4，再经过第三透镜16、第四反射镜17、准直光学系统5后照射待测目标场景18。待测目标场景18被照射后会返回信号，进入接收系统。
[0047]
接收系统7包括主反射镜701、接收跟踪镜702、聚光镜703、章动扫描镜704和桶探测器705。测目标场景18返回的信号输入至主反射镜701、次反射镜19，再经主反射镜701压缩光路视场后，输出平行光，依次经过接收跟踪镜702、第五反射镜20、聚光镜703、章动扫描镜704后进入桶探测器705，桶探测器705能够产生回波信号，桶探测器705可以采用光子倍增管。
[0048]
探测系统还设置有控制器6，能够采集章动扫描镜704的位置信息和桶探测器705的回波信号，还能够根据脱靶量控制发射跟踪镜4、章动扫描镜704和接收跟踪镜702。
[0049]
具体的控制方法，基于章动扫描镜704进行扫描位置轨迹规划，首先分析章动扫描镜704的扫描频率与目标抖动频率的关系、脱靶量精确度的影响因素，得到章动频率、章动幅度、以及章动周期内所需回波信号的采样点数，最后通过对算法建模的理论，得到脱靶量的计算流程。章动扫描镜704的x轴输入幅值为a，频率为f的正弦信号，章动扫描镜704的y轴输入幅值为a，频率为f的余弦信号。因此，章动扫描镜704采用压电陶瓷驱动的fsm，会依照幅度1mrad，频率1k的圆形运动。考虑到频率和幅度需求，章动扫描镜704采用压电陶瓷进行驱动。章动扫描镜704的x轴和y轴给定位置的起始点与3d gisc lidar的回波信号采用同步的方式，回波信号提取频率为100khz，因此，每章动一圈会依次得到100个回波信号能量，记作e
0-e
99
，每一个回波信号点对应的位置如下所示；
[0050][0051]
[0052]
m的取值为0,1,2
…
99，表示100个回波信号能量e
0-e
99
的下标。
[0053]
以下的m，表示表示章动扫描镜704每章动一圈，回波信号能量最大值对应的回波信号序号数：如图2，对m/100进行如下判断，其中，图2中的a表示第一象限轨迹的圆心：
[0054]
1)0＜m/100＜1/4
[0055]
此时，章动圆点在相对目标圆点的第三象限：
[0056][0057]
x表示脱靶量的横向分量，y表示脱靶量的纵向分量。
[0058]
2)1/4＜m/100≤1/2
[0059]
此时，章动圆点在相对目标圆点的第四象限
[0060][0061]
3)1/2＜m/100≤3/4
[0062]
此时，章动圆点在相对目标圆点的第一象限
[0063][0064]
4)3/4＜m/100≤1
[0065]
此时，章动圆点在相对目标圆点的第二象限
[0066][0067]
上述的r，表示探测到章动圆心与目标点的绝对距离。由于回波信号能量与静态角偏差、随机抖动为单调递减函数，可以通过每个周期探测100次回波信号能量值的平均值计算偏移距离r。进而带入上面公式计算出脱靶量。
[0068]
综上，无论章动圆心在第几象限，圆心位置的脱靶量坐标均可采用如下公式计算：
[0069][0070]
(1)若回波信号能量最大点唯一，可直接确定m；
[0071]
(2)若回波信号能量最大点不唯一
[0072]
假设回波信号能量最大点包括：e
l
……en
(l..n＜100)，回波信号能量最大点总数
量为c。
[0073]
如果：且为正整数，则取做为回波信号能量最大点。
[0074]
否则：取第个点，即为回波信号能量最大点，对应的m等于l为回波信号序列中第一个回波信号在100个回波信号中的序号数，n为回波信号序列中最后一个回波信号在100个回波信号中的序号数。
[0075]
r值的获取方法如下所示：
[0076]
由于回波能量e的大小与r值呈现正态分布的关系，首先当目标在坐标中心时，对回波能量e进行归一化处理：
[0077]
因此，可以定义其中，μ＝0，σ＝1，这是正态分布的标准计算公式。
[0078]
通过以上两个公式可以得到r值。
[0079]
另外，本发明的探测系统中还设置有监控光路，若待测目标场景18距离较近，待测目标场景18被照射后，经准直光学系统5、第四反射镜17、第三透镜16后，经第二分束器8透射后，经第一透镜9被监控摄像机10采集。也可以在探测系统探测的同时对待测目标场景18进行监测。
[0080]
上述实施例中的各反射镜，和上述实施例中系统的设置位置相关，是出于系统布局进行的设置，在本发明的其他实施例中，反射镜的数量、具体位置还可以根据实际需要进行调整。
[0081]
摆镜以其精密定位的特点，快速响应的能力，在空间科学和通信领域占据了越来越重要的位置，是目前的顶尖技术之一。摆镜作为精跟踪执行机构是高速镜面偏转机构，也称为快速反射镜(fast steering mirror，fsm)，主要有压电陶瓷驱动和音圈电机驱动两种。压电陶瓷驱动的快速反射镜具有精度高，响应速度快等优点，但驱动行程只有几十微米，而音圈电机驱动的快速反射镜具有精度高，行程量大，响应速度快以及驱动电压小等优点，被广泛用于大幅值的光束抖动抑制，其输出精度决定光束抖动系统的控制精度。因此，本发明中发射跟踪镜4和接收跟踪镜702均采用音圈电机驱动，章动扫描镜704采用压电陶瓷驱动。
[0082]
本发明提出了基于章动扫描镜704和双fsm跟踪模式的运动目标激光三维关联成像雷达系统的方案。系统由发射和接收两部分组成。关联成像雷达装置采用1064nm的工作波长，以平行光的形式入射到发射fsm上实现光路耦合。受限于fsm的有效面积，发射和接收均采用了扩束准直的设计方案以分别满足成像分辨率/探测信噪比方面的需求。具体地说：发射中，固体脉冲激光(中心波长l＝1064nm，脉冲宽度10ns，重复频率2khz)照射旋转毛玻璃2后形成散斑场,散斑场经过第一分束器3后分成两路，一路被本地的参考相机21记录，另一路通过发射跟踪镜4后经扩束准直系统辐照待测目标场景18，同时，经过良好光路装配的主动跟踪模块借助扩束准直系统和发射fsm对目标区域成像。主动跟踪模块采用章动扫描
镜704结合3dgisclidar回波信号探测目标位置信息的方法，并经过坐标变换得到脱靶量，注入控制器进行目标稳定跟踪。进而通过章动扫描镜+双fsm跟瞄实现激光三维关联实时成像。
[0083]
对于接收部分，来自待测目标场景18的回波信号被卡式接收准直镜(主反射镜701和次反射镜19)收集后经接收跟踪镜702和章动扫描镜704最终辐照于桶探测器705(pmt)上，其中，接收跟踪镜702的偏转角度可以通过发射部分的发射跟踪镜4和控制器6主动跟踪模块根据光学放大倍率计算得到，接收跟踪镜702的给定目标角度和发射跟踪镜4的计算目标角度成倍率关系，比例系数和光路设置有关，在本实施例中，作为一种优选方案，可以设置为两倍。在聚光镜703后采用章动扫描镜704进行1khz圆形扫描后发射到pmt，通过章动扫描镜704的实时位置与回波信号的实时能量相对应的控制算法获得目标脱靶量。最终，通过发射跟踪镜4和接收跟踪镜702的协同配合，实现对运动目标的稳定跟踪与激光三维关联成像。跟瞄的稳定度决定激光三维关联成像的分辨率。
[0084]
由于3d gisc lidar属于一种多次测量的凝视成像方法，其数据采集时间较长并且无法达到实时成像。本发明针对现有位置探测器具有抗干扰能力弱，对目标能量特性要求高等缺点。提出了一种章动振镜结合3dgisclidar回波信号探测目标位置信息的方法，解决了3d gisc lidar技术面向实际应用并进行成果转化过程中需要重点解决远距离高速运动目标高分辨成像问题。通过发明的方法可以提高跟踪精度的同时，降低3d gisc lidar成像的运动模糊问题。本发明中的章动扫描频率和采样次数可以适应性的调整。章动扫描镜704的口径大小或扫描圆形轨迹的方向也可以适当改变。
[0085]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。