CN111007527B - 一种红外激光复合快速成像跟踪装置 - Google Patents

一种红外激光复合快速成像跟踪装置 Download PDF

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Abstract

本发明的红外激光复合快速成像跟踪装置，包括搭载在经纬仪上的二维扫描反射镜、光学反射镜、红外激光分光元件、第一激光反射镜，二维扫描反射镜与光学反射镜平行且相互偏移，光学反射镜与红外激光分光元件垂直，红外激光分光元件与第一激光反射镜平行且相互偏移；红外激光分光元件的透光面设有红外传感器，红外激光分光元件透出的红外线透射到红外传感器的光敏面上；靠近第一激光反射镜设置有非扫描激光快速成像传感器，非扫描激光快速成像传感器包括APD阵列传感器以及高重频脉冲激光器，第一激光反射镜的入射激光投射到APD阵列传感器的光敏面，高重频脉冲激光器发出的激光经第一激光反射镜射出。该装置结构简单，便于目标的识别及威胁分析。

Description

一种红外激光复合快速成像跟踪装置
技术领域
本发明涉及涉及成像探测及跟踪技术领域，尤其涉及基于轻量化的二维扫描反射镜、面阵盖革APD阵列及红外探测器的复合快速成像跟踪技术领域，具体涉及一种红外激光复合快速成像跟踪装置。
背景技术
随着光电技术的发展以及国防需求的提升，国内外对目标的成像和跟踪有着巨大需求和广阔的发展前景，特别是在国防和民航领域有着重要的应用。利用光电传感器建立空间目标的监视、跟踪***，在第一时间内探测、识别目标并对威胁目标实现高精度跟踪，同时准确给出目标的方位、距离、热辐射、深度等多维度特性，能够给予最大的信息保障，便于己方人员作出正确的决策。
然而任何一种单一的探测模式都有其不足和应用局限，红外成像探测具有较远的作用距离，较大的搜索视场，但只能探测到目标的角度-角度的二维信息，图像缺少目标距离信息；而激光主动探测具有较强的大气穿透能力，空间分辨率高，跟踪精度高，可测得目标三维深度距离信息，但存在探测视场一般较小，搜索效率偏低等不足。采用红外激光复合成像探测的模式，可以综合不同传感器的优点，能够捕获目标的空间、深度、强度、热辐射等多维度、多谱段信息特征，通过多源传感器协同探测、信息融合，可以有效提高在复杂环境下对目标的检测、定位和识别能力，为威胁分析、辅助决策等提供准确的信息。在装置中同时使用红外被动、激光主动的探测模式，有利于使***具备良好的适应能力和生存能力，以适应目标对象的日趋多样化、背景环境的复杂多变化。
一些现有技术采用了红外与激光复合探测实现对空间点目标的探测和定位。现有技术方案中，都是采用扫描的方式实现对目标的单点激光测距，获取目标的距离信息。而要实现对目标的激光成像，则需要连续不断的对目标进行持续扫描，不利于实现对空间移动目标的快速成像。针对目标的快速激光成像上，基于APD阵列的非扫描式的激光成像方式，省去了机械扫描装置，具有较大的视场、成像分辨率高、体积小、结构简单等优点。同时探测器采用盖革模式的APD阵列，由于其光子级的探测响应能力，三维激光成像的作用距离可以进一步提升。而在对目标的精确跟踪技术上，一般的复合探测***采用二维转动云台实现对目标的搜索、跟踪，该方式存在体积重量大、控制精度不高、频率响应低等不足。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种红外激光复合快速成像跟踪装置，该装置结构简单，具有对目标的红外成像、三维激光快速成像及高精度跟踪等功能，同时可获取目标的空间、深度、强度、热辐射等多维度信息，便于目标的识别及威胁分析等。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种红外激光复合快速成像跟踪装置，包括搭载在经纬仪上的二维扫描反射镜、光学反射镜、红外激光分光元件、第一激光反射镜，所述二维扫描反射镜的反射面与所述光学反射镜的反射面平行且相互偏移设置，所述光学反射镜的反射面与所述红外激光分光元件的反射面垂直设置，所述红外激光分光元件的反射面与所述第一激光反射镜的反射面平行且相互偏移设置；所述红外激光分光元件的透光面设有红外传感器，所述红外激光分光元件透出的红外线透射到所述红外传感器的光敏面上；靠近所述第一激光反射镜的反射面设置有非扫描激光快速成像传感器，所述非扫描激光快速成像传感器包括APD阵列传感器以及高重频脉冲激光器，所述第一激光反射镜的入射激光投射到所述APD阵列传感器的光敏面，所述高重频脉冲激光器发出的激光依次经所述第一激光反射镜、所述红外激光分光元件、所述光学反射镜、所述二维扫描反射镜射出。
进一步，还包括图像采集单元与上位机，所述图像采集单元的信号输入端分别连接所述红外传感器与所述非扫描激光快速成像传感器，所述图像采集单元的信号输出端连接所述上位机。
进一步，还包括经纬仪控制单元，所述经纬仪控制单元与所述上位机通信连接。
进一步，所述经纬仪控制单元包括方位驱动机构、俯仰驱动机构、测角模块，所述方位驱动机构用于驱动所述经纬仪进行横向旋转，所述俯仰驱动机构用于驱动所述经纬仪进行俯仰旋转，所述测角模块用于测量所述经纬仪的旋转角度。
进一步，所述红外传感器包括红外光学***以及红外焦平面，所述红外光学***用于接收所述红外激光分光元件透射的红外线，所述红外焦平面用于将红外线转换为电信号输出。
进一步，所述非扫描激光快速成像传感器还包括激光接收光学***，所述激光接收光学***设置在所述第一激光反射镜与所述APD阵列传感器之间，用于接收第一激光反射镜反射的激光信号并传递到所述APD阵列传感器的光敏面。
进一步，所述高重频脉冲激光器与所述第一激光反射镜之间还设置有第二激光反射镜与第三激光反射镜，所述第一激光反射镜、所述第二激光反射镜与所述第三激光反射镜平行设置且相互偏移，所述高重频脉冲激光器发出的激光依次经所述第三激光反射镜、所述第二激光反射镜、所述第一激光反射镜反射。
进一步，所述红外传感器为近红外传感器、中波红外传感器或长波红外传感器中的任意一种。
进一步，所述APD阵列传感器为面阵盖革模式I nGaAs APD阵列探测器。
本发明的有益效果是：本发明提供的红外激光复合快速成像跟踪装置，该装置结构简单，具有对目标的红外成像、三维激光快速成像及高精度跟踪等功能，同时可获取目标的空间、深度、强度、热辐射等多维度信息，便于目标的识别及威胁分析等。本装置主要优点如下：
1.红外被动成像与激光主动探测能够充分发挥两种探测体制的优势，获取目标的多维度信息；
2.红外探测和激光发射接收采用共窗口同轴设计，通过分光元件进行分光探测，实现目标的精确复合定位；
3.基于面阵盖革模式APD阵列传感器实现远距离目标的三维激光快速成像；
4.二维扫描反射镜采用经纬仪结构代替传统的云台结构，实现轻量化、高精度的目标快速跟踪；
5.结构简单、精度高、易于操作维护、利于融合识别。
附图说明
图1为本发明结构组成示意图；
图2为本发明成像部分结构组成框图；
图3为本发明红外激光复合快速成像效果图；
图4为本发明红外激光复合快速成像跟踪效果图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、二维扫描反射镜，2、光学反射镜，3、红外激光分光元件，4、红外传感器，4.1、红外光学***，4.2、红外焦平面，5、第一激光反射镜，6、非扫描激光快速成像传感器，6.1、APD阵列传感器，6.2、高重频脉冲激光器，6.3、第二激光反射镜，6.4、第三激光反射镜，6.5、激光接收光学***，7、图像采集单元，8、上位机，9、经纬仪控制单元，10、经纬仪。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示的一种红外激光复合快速成像跟踪装置，包括搭载在经纬仪10上的二维扫描反射镜1、光学反射镜2、红外激光分光元件3、第一激光反射镜5，所述二维扫描反射镜1的反射面与所述光学反射镜2的反射面平行且相互偏移设置，所述光学反射镜2的反射面与所述红外激光分光元件3的反射面垂直设置，所述红外激光分光元件3的反射面与所述第一激光反射镜5的反射面平行且相互偏移设置；所述红外激光分光元件3的透光面设有红外传感器4，所述红外激光分光元件3透出的红外线透射到所述红外传感器4的光敏面上；靠近所述第一激光反射镜5的反射面设置有非扫描激光快速成像传感器6，所述非扫描激光快速成像传感器6包括APD阵列传感器6.1以及高重频脉冲激光器6.2，所述第一激光反射镜5的入射激光投射到所述APD阵列传感器6.1的光敏面，所述高重频脉冲激光器6.2发出的激光依次经所述第一激光反射镜5、所述红外激光分光元件3、所述光学反射镜2、所述二维扫描反射镜1射出。所述二维扫描反射镜1反射红外辐射光、激光出射及回波，其数据更新率可达到1kHz以上。本实施例中所述红外激光分光元件3实现红外与激光的共轴共窗口设计，利于目标多源信息获取。
本实施例中，还包括图像采集单元7与上位机8，所述图像采集单元7的信号输入端分别连接所述红外传感器4与所述非扫描激光快速成像传感器6，所述图像采集单元7的信号输出端连接所述上位机8。
本实施例中，本装置还包括经纬仪控制单元9，所述经纬仪控制单元9与所述上位机8通信连接。所述经纬仪10包括方位座、俯仰轴系，所述经纬仪控制单元9设置在所述经纬仪10上，用于对经纬仪10的姿态进行调整以及检测。所述经纬仪控制单元9包括方位驱动机构、俯仰驱动机构、测角模块，所述方位驱动机构用于驱动所述经纬仪10进行横向旋转，所述俯仰驱动机构用于驱动所述经纬仪10进行俯仰旋转，所述测角模块用于测量所述经纬仪10的旋转角度。
本实施例中，所述红外传感器4包括红外光学***4.1以及红外焦平面4.2，所述红外光学***4.1用于接收所述红外激光分光元件3透射的红外线，所述红外焦平面4.2用于将红外线转换为电信号输出。
本实施例中，所述非扫描激光快速成像传感器6还包括激光接收光学***6.5，所述激光接收光学***6.5设置在所述第一激光反射镜5与所述APD阵列传感器6.1之间，用于接收第一激光反射镜5反射的激光信号并传递到所述APD阵列传感器6.1的光敏面。
本实施例中，所述高重频脉冲激光器6.2可以出射高重复频率、高峰值功率的脉冲激光，波长可选用1.06um、1.5X um或者1.6X um等。所述高重频脉冲激光器6.2与所述第一激光反射镜5之间还设置有第二激光反射镜6.3与第三激光反射镜6.4，所述第一激光反射镜5、所述第二激光反射镜6.3与所述第三激光反射镜6.4平行设置且相互偏移，所述高重频脉冲激光器6.2发出的激光依次经所述第三激光反射镜6.4、所述第二激光反射镜6.3、所述第一激光反射镜5反射，然后依次经过红外激光分光元件3、光学反射镜2、二维扫描反射镜1反射到目标物上。
本实施例中，所述红外传感器4为近红外传感器、中波红外传感器或长波红外传感器中的任意一种，成像帧频可达到50Hz以上。
本实施例中，所述APD阵列传感器6.1为面阵盖革模式I nGaAs APD阵列探测器，利用其高灵敏度实现远距离的非扫描快速三维激光成像，经数据处理后成像帧频可达到20Hz以上。
工作原理：
如图2所示，为本装置的成像部分结构组成框图。
二维扫描反射镜1对空间区域进行大范围搜索探测，目标的红外辐射光经二维扫描反射镜1向光学反射镜2反射，再经过光学反射镜2、分光元件后进入红外光学***4.1，被红外传感器4探测接收。红外传感器4发现目标后停止搜索模式，红外图像视场中心对准目标后触发高重频脉冲激光器6.2发射激光脉冲。被目标漫反射回的脉冲激光经红外激光分光元件3、激光接收光学***6.5后到达面阵盖革模式APD阵列传感器6.1形成目标的三维激光图像，经数据处理后送入上位机8进行红外、激光图像的显示。同时目标的方位、俯仰数据实时发送给搭载二维扫描反射镜1的经纬仪10，实现对目标的高精度跟踪。
更具体的，二维扫描反射镜1在大范围自由空间内搜索目标，图像采集单元7搜集包含有目标的红外图像后，采用红外图像处理算法检测目标，同时送入上位机8进行显示。红外图像处理算法采用现有技术。上位机8计算出威胁目标的质心位置，输出目标在图像中的二维位置信息，并传输给经纬仪控制单元9，以控制经纬仪10以及搭载在经纬仪10上的二维扫描反射镜1进行角度调整。经纬仪控制单元9接收到目标的位置信息后，结合目标运动偏移量解算出偏转角度，驱动二维扫描反射镜1对准威胁目标。上位机8触发高重频脉冲激光器6.2发射激光脉冲对目标进行主动探测，APD阵列传感器6.1接收激光主、回波，通过现有技术的相关激光图像滤波算法，获取目标的三维深度及强度信息，同时送入上位机8进行激光图像显示。上位机8实时计算目标的偏移量，驱动二维扫描反射镜1对空间目标实现高精度成像、跟踪。
图3～图4是红外激光复合快速成像跟踪结果图，分别是对远距离的建筑塔吊及结构体的复合成像探测。
红外激光复合快速成像跟踪装置综合应用红外成像、非扫描激光快速成像、高精度跟踪等技术，实现了对目标的主被动复合测量，具有精度高、信息维度高、稳定性高等优点，可实现对目标多源信息的获取，以进一步提高目标的成像、探测、跟踪与识别能力。
本实施例提供的红外激光复合快速成像跟踪装置，结构简单，具有对目标的红外成像、三维激光快速成像及高精度跟踪等功能，同时可获取目标的空间、深度、强度、热辐射等多维度信息，便于目标的识别及威胁分析等。
本实施例主要优点如下：
1.红外被动成像与激光主动探测能够充分发挥两种探测体制的优势，获取目标的多维度信息；
2.红外探测和激光发射接收采用共窗口同轴设计，通过分光元件进行分光探测，实现目标的精确复合定位；
3.基于面阵盖革模式APD阵列传感器6.1实现远距离目标的三维激光快速成像；
4.二维扫描反射镜1采用经纬仪10结构代替传统的云台结构，实现轻量化、高精度的目标快速跟踪；
5.结构简单、精度高、易于操作维护、利于融合识别。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，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。

Claims (9)

1.一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，包括搭载在经纬仪(10)上的二维扫描反射镜(1)、光学反射镜(2)、红外激光分光元件(3)、第一激光反射镜(5)，所述二维扫描反射镜(1)的反射面与所述光学反射镜(2)的反射面平行且相互偏移设置，所述光学反射镜(2)的反射面与所述红外激光分光元件(3)的反射面垂直设置，所述红外激光分光元件(3)的反射面与所述第一激光反射镜(5)的反射面平行且相互偏移设置；所述红外激光分光元件(3)的透光面设有红外传感器(4)，所述红外激光分光元件(3)透出的红外线透射到所述红外传感器(4)的光敏面上；靠近所述第一激光反射镜(5)的反射面设置有非扫描激光快速成像传感器(6)，所述非扫描激光快速成像传感器(6)包括APD阵列传感器(6.1)、高重频脉冲激光器(6.2)以及激光接收光学***(6.5)，所述第一激光反射镜(5)的入射激光经激光接收光学***(6.5)投射到所述APD阵列传感器(6.1)的光敏面，所述高重频脉冲激光器(6.2)发出的激光依次经所述第一激光反射镜(5)、所述红外激光分光元件(3)、所述光学反射镜(2)、所述二维扫描反射镜(1)射出；
所述装置采用以下方法实现红外激光复合快速成像跟踪：
二维扫描反射镜(1)对空间区域进行大范围搜索探测，目标的红外辐射光经二维扫描反射镜(1)向光学反射镜(2)反射，再经过光学反射镜(2)、红外激光分光元件(3)后，被红外传感器(4)探测接收；
红外传感器(4)发现目标后停止搜索模式，红外图像视场中心对准目标后触发高重频脉冲激光器(6.2)发射激光脉冲；
被目标漫反射回的脉冲激光经红外激光分光元件(3)、激光接收光学***(6.5)后到达面阵盖革模式APD阵列传感器(6.1)形成目标的三维激光图像，经数据处理后送入上位机(8)进行红外、激光图像的显示；同时目标的方位、俯仰数据实时发送给搭载二维扫描反射镜(1)的经纬仪(10)，实现对目标的高精度跟踪。
2.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，还包括图像采集单元(7)与上位机(8)，所述图像采集单元(7)的信号输入端分别连接所述红外传感器(4)与所述非扫描激光快速成像传感器(6)，所述图像采集单元(7)的信号输出端连接所述上位机(8)。
3.根据权利要求2所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，还包括经纬仪控制单元(9)，所述经纬仪控制单元(9)与所述上位机(8)通信连接。
4.根据权利要求3所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述经纬仪控制单元(9)包括方位驱动机构、俯仰驱动机构、测角模块，所述方位驱动机构用于驱动所述经纬仪(10)进行横向旋转，所述俯仰驱动机构用于驱动所述经纬仪(10)进行俯仰旋转，所述测角模块用于测量所述经纬仪(10)的旋转角度。
5.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述红外传感器(4)包括红外光学***(4.1)以及红外焦平面(4.2)，所述红外光学***(4.1)用于接收所述红外激光分光元件(3)透射的红外线，所述红外焦平面(4.2)用于将红外线转换为电信号输出。
6.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述激光接收光学***(6.5)设置在所述第一激光反射镜(5)与所述APD阵列传感器(6.1)之间，用于接收第一激光反射镜(5)反射的激光信号并传递到所述APD阵列传感器(6.1)的光敏面。
7.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述高重频脉冲激光器(6.2)与所述第一激光反射镜(5)之间还设置有第二激光反射镜(6.3)与第三激光反射镜(6.4)，所述第一激光反射镜(5)、所述第二激光反射镜(6.3)与所述第三激光反射镜(6.4)平行设置且相互偏移，所述高重频脉冲激光器(6.2)发出的激光依次经所述第三激光反射镜(6.4)、所述第二激光反射镜(6.3)、所述第一激光反射镜(5)反射。
8.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述红外传感器(4)为近红外传感器、中波红外传感器或长波红外传感器中的任意一种。
9.根据权利要求1所述一种红外激光复合快速成像跟踪装置，其特征在于，所述APD阵列传感器(6.1)为面阵盖革模式InGaAs APD阵列探测器。
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