一种共孔径光束二维定位跟踪方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种共孔径光束二维定位跟踪方法及装置。利用单液晶空间光调制器，在实现光束二维准连续偏转控制的基础上，结合共孔径发射接收的理念，实现光束高精度跟踪瞄准。装置，包括激光器、起偏器、扩束器、分束器Ⅰ、液晶空间光调制器、分束器Ⅱ、角锥棱镜、透镜、图像传感器、计算机，起偏器位于扩束器之前用于产生偏振平行于液晶分子长轴的发射光；图像传感器和透镜位于分束器Ⅱ之后；角锥棱镜和分束器Ⅱ组合实现共孔径，分束器Ⅱ提供发射光位置信息。计算机和图像传感器实时采集分析发射光和角反射目标回光信息，反馈调节液晶空间光调制器。本方法克服了传统光束跟踪瞄准方法中惯性大、能耗高、结构庞杂等问题，能够有效实现激光目标的定位跟踪瞄准。
【专利说明】一种共孔径光束二维定位跟踪方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种共孔径光束二维定位跟踪方法及装置，适用于二维空间内动态目 标的光学定位跟踪，尤其适用于近距离、小角度范围内光束的高精度定位，可广泛应用于近 距离激光雷达、激光通信、目标跟踪等领域。
【背景技术】
[0002]传统捕获跟踪瞄准技术是通过旋转轴系和快速反射镜实现的，快速倾斜镜或者声 光调制器等作为其核心器件，可以使光束能够实现小角度的跟踪瞄准，但是这种通过改变 光轴方向实现光束跟踪瞄准的装置，结构复杂、精度偏低、能耗高，性能受到很大制约。1996 年,Paul F.McManamon提出了一种新型的光束控制方法-光学相控阵，目前广泛使用的相 位型液晶空间光调制器就是该方法的核心器件。液晶相控阵的相位调制过程本质上是单孔 衍射调制的多孔干涉，其远场光强分布是单孔衍射包络下的多孔干涉。通过对相位型液晶 空间光调制器连续施加由多孔干涉的原理计算得到的相位，可在一定视场范围内实现光束 二维连续扫描。
[0003]分离孔径、共孔径的概念来源于自适应光学。分离孔径发射接收装置容易实现，但 是主要存在三方面影响:一是结构不紧凑；二是质量大；三是易引入视差。采用发射光和接 收光共孔径的理念则可以很好解决上述三个问题。
[0004]目前，在液晶相控阵光束偏转效率、偏转角度、响应时间、控制优化算法等方面，国 内外各单位均以取得了较大的研究进展。但是，液晶空间光调制器在激光通信等领域未得 到广泛的应用。另一方面，共孔径多是作为一种手段用于自适应光学中的波前探测，共孔径 和其他领域相结合的技术也少有报道。此外，目前尚无液晶空间光调制器结合共孔径理念 实现对非合作目标的光束跟踪瞄准的方法见于报道。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术实现光束精密跟踪以及目标定位存在的问题，本发明提供了一 种基于单液晶空间光调制器光束准连续偏转控制和共孔径理念相结合，从而实现光束精密 跟踪以及目标空间定位的方法及装置。本发明利用单液晶空间光调制器，在实现光束二维 准连续偏转控制的基础上，结合共孔径发射接收的理念，实现光束高精度跟踪瞄准(如图1 所示)。
[0006]本发明的技术解决方案是:
一种共孔径光束二维定位跟踪装置，包括激光器1，起偏器2，扩束器3，分束器I 4，液 晶空间光调制器5，分束器II 6，角锥棱镜7，透镜8，图像传感器9，计算机10，其中，起偏器 2位于激光器I之后，用于产生偏振平行于液晶分子长轴的发射光；扩束器3位于起偏器2 之后；分束器I 4位于扩束器3之后；液晶空间光调制器5位于分束器I 4 一端，用于实现 光束定向发射；分束器II 6位于分束器I 4另一端，摆放位置与液晶空间光调制器5位置呈 180度角；角锥棱镜7位于分束器II 6的一端；透镜8位于分束器II 6的另一端，摆放位置与角锥棱镜7呈90度角；角反射目标11放置在分束器II 6的一端，与透镜8呈180度角； 图像传感器9及计算机10位于透镜8之后，用于实时采集分析角反射目标11的回光以及发射光束的位置信息，控制液晶空间光调制器实现光束定向。
[0007]在本发明中的图像传感器9以及计算机10作回光探测接收器件不可缺少，同时控制液晶空间光调制器5实现光束定向偏转。分束器II 6和角锥棱镜7作为实现共孔径的基本组件不可缺少，角锥棱镜能够原路反射发射光，可为整个系统提供发射光位置信息。
[0008]本发明涉及到一种共孔径光束二维定位跟踪方法，该方法包括下列步骤:
①、激光器I发射的激光经过起偏器2 (偏振方向平行于液晶分子长轴方向)后，经扩束器实现光束扩束，垂直入射到未加载电压的液晶空间光调制器5。图像传感器9和计算机10组成的成像系统同时采集分析发射光斑初始位置和目标回光信息:部分发射光经分束器II 6后，照到角反射目标11产生回光信息；部分发射光经分束器II 6后，通过角锥棱镜 7后在图像传感器上形成初始发射光位置信息。
[0009]②、图像数据处理，由于图像传感器上获得的可能是两个大小不同，强度不同的光斑，通过滤波和阈值的方法，分别得到发射光斑和接收光斑的质心位置信息。质心计算方法如下式所示:
【权利要求】
1.一种共孔径光束二维定位跟踪装置，包括激光器(I)、起偏器(2)、扩束器(3)、分束器I (4)、液晶空间光调制器(5)、分束器II (6)、角锥棱镜(7)、透镜(8)、图像传感器(9)、 计算机(10)，其特征在于，起偏器(2)位于激光器(I)之后，用于产生偏振平行于液晶分子长轴的发射光；扩束器(3)位于起偏器(2)之后；分束器I (4)位于扩束器(3)之后；液晶空间光调制器(5)位于分束器I (4) 一端，用于实现光束定向发射；分束器II (6)位于分束器 I (4)另一端，摆放位置与液晶空间光调制器(5)位置呈180度角；角锥棱镜(7)位于分束器II (6)的一端；透镜(8)位于分束器II的另一端，摆放位置与角锥棱镜呈90度角；角反射目标(11)放置在分束器II的一端，与透镜(8)呈180度角；图像传感器(9)及计算机(10) 位于透镜(8)之后，用于实时采集分析角反射目标(11)的回光以及发射光束的位置信息， 控制液晶空间光调制器实现光束定向。
2.一种共孔径光束二维定位跟踪方法，其特征在于，包括下列步骤:①、激光器(I)发射的激光经过起偏器(2)后，经扩束器(3 )实现光束扩束，垂直入射到未加载电压的液晶空间光调制器(5)，图像传感器(9)和计算机(10)组成的成像系统同时采集分析发射光斑初始位置和目标回光信息:部分发射光经分束器II (6)后，照到角反射目标(11)产生回光信息；部分发射光经分束器II (6)后，通过角锥棱镜(7)后在图像传感器上形成初始发射光位置信息；②、图像数据处理，由于图像传感器上获得的可能是两个大小不同，强度不同的光斑， 通过滤波和阈值的方法，分别得到发射光斑和接收光斑的质心位置信息，质心计算方法如下式所示:
3.根据权利要求2所述的一种共孔径光束二维定位跟踪方法，其特征在于，所述基于光强优化的方法可以采用两种，一种是通过对相位进行修正实现目标的最终定位，还有一种是通过随机并行梯度算法实现目标最终定位。
4.根据权利要求3所述的一种共孔径光束二维定位跟踪方法，其特征在于，所述通过对相位进行修正的方法，具体为:当目标产生回光时，通过阈值滤波计算得到此时目标的角位置信息(a/，)，通过设定的角度范围f和角扫描步长，在,范围内进行光束二维扫描，记录每一次图像处理器上滤波后的目标回光信息，得到目标回光光强，其中最大光强所对应的角位置信息即为最终的目标角位置信息
5.根据权利要求3所述的一种共孔径光束二维定位跟踪方法，其特征在于，所述通过随机并行梯度下降算法实现目标最终定位，具体为:以光束波前相位作为控制信号，以性能评价函数作为控制依据，相位校正器上的控制信号为控制参量，然后利用控制参量并行施加正向和负向的微小扰动，分别获得相应的性能评价函数，之后利用两次扰动大小和评价函数值的变化对控制对象进行梯度估计，之后利用梯度估计根据一定的方式更新控制参量，并反复迭代，直至控制对象达到最优，从而实现优化控制，选取液晶空间光调制器作为相位控制器，然后只产生倾斜相位扰动，选择环绕能量作为评价函数，最终，当评价函数满足收敛时，通过此时目标回光信息计算得到最终的目标角位置信息)o
【文档编号】G02B23/00GK103592756SQ201310603816
【公开日】2014年2月19日 申请日期:2013年11月26日 优先权日:2013年11月26日
【发明者】师宇斌, 司磊, 马浩统, 马阎星, 陶汝茂, 周朴, 许晓军, 陈金宝, 刘泽金 申请人:中国人民解放军国防科学技术大学