光学定位系统及方法

1.本发明涉及光电技术领域，尤其涉及一种光学定位系统及方法。


背景技术：

2.目标定位技术在军事、体育、安全和交通等领域有着广泛的应用前景。现有的目标定位方法之一是基于成像分析进行定位，基于成像分析进行定位需要依靠光电检测技术采集监控场景的图像序列。由于传统光学望远镜利用光波的折射和反射来产生图像，因此为了提高光学系统的空间分辨率，需要增大光学系统的孔径，但同时望远镜系统的体积、质量和能量消耗也会随之增加，因此在生产应用中，基于成像分析的定位系统集成性差，投入生产使用难度大。


技术实现要素：

3.本发明提供一种光学定位系统及方法，用以解决现有技术中基于成像定位分析系统集成性差的缺陷，实现基于非成像定位分析，提高系统集成性。
4.第一方面，本发明提供一种光学定位系统，包括：光子集成电路和信息处理模块；所述光子集成电路与所述信息处理模块相连接；
5.所述光子集成电路包括微透镜阵列和信号传输模块；所述微透镜阵列与所述信号传输模块相连接；所述微透镜阵列由一排水平方向的微透镜和一排竖直方向的微透镜组成；
6.所述微透镜阵列用于接收待定位目标的光信号；
7.所述信号传输模块用于将所述光信号输入至所述信息处理模块；
8.所述信息处理模块用于获得所述光信号的空间频谱切片，所述空间频谱切片用于获得所述待定位目标的位置信息。
9.可选的，所述光学定位系统还包括切片计算模块；所述切片计算模块与所述信息处理模块相连接；所述切片计算模块用于对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息。
10.可选的，所述切片计算模块包括投影计算单元和位置获得单元；所述投影计算单元与所述位置获得单元相连接；
11.所述投影计算单元用于对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的投影切片；
12.所述位置获得单元用于基于所述投影切片获得所述待定位目标的位置信息。
13.可选的，所述信号传输模块包括集成光波导阵列、阵列波导光栅和相位调制器；
14.所述集成光波导阵列用于基于两两配对规则获取所述微透镜阵列中的多对微透镜收集的光信号；所述集成光波导阵列还用于将所述微透镜收集的光信号发送至所述阵列波导光栅；
15.所述阵列波导光栅用于对所述多对光信号进行光分离获得多对分离光信号；
16.所述相位调制器用于对所述多对分离光信号进行相位调制，获得多对调制光信号；所述相位调制器还用于将所述多对调制光信号发送至所述信息处理模块。
17.可选的，所述信息处理模块包括正交检测器和数字信号处理模块；
18.所述正交检测器用于接收所述多对调制光信号；所述正交检测器还用于基于互强度公式获得每对调制光信号的光互强度和基于预设位置公式获得每对调制光信号的空间频谱坐标；
19.所述数字信号处理模块用于基于所述每对调制光信号的光互强度和所述每对调制光信号的空间频谱坐标获得所述光信号的空间频谱；所述数字信号处理模块还用于对所述空间频谱进行傅里叶切片，获得所述空间频谱正交方向上的频谱切片。
20.可选的，所述互强度公式为：
[0021][0022][0023]
其中，q1为所述每对微透镜中的第一微透镜；(x1，y1)为q1的位置；q2为所述每对微透镜中的第二微透镜；(x2，y2)为q2的位置； j(q1；q2)为q1和q2之间的光的互强度；i为所述待定位目标；(ξ,η)为所述待定位目标的位置；λ为所述待定位目标发出的光的平均波长；k 是归一化常数；z为所述待定位目标与所述微透镜阵列之间的距离。
[0024]
可选的，所述预设位置公式为：
[0025][0026][0027]
其中，u为所述每对调制光信号的空间频谱u轴坐标；δx为所述每对微透镜之间在x轴上距离；δy为所述每对微透镜之间在y轴上距离；λ为其发出的光的平均波长；z为所述待定位目标与所述微透镜阵列之间的距离。
[0028]
第二方面，本发明实施例提供一种基于上述任一种光学定位系统进行光学定位的方法，包括：
[0029]
基于所述微透镜阵列接收所述待定位目标的光信号；
[0030]
基于所述信号传输模块将所述光信号输入至所述信息处理模块，获得所述信息处理模块输出的所述光信号的空间频谱切片，所述空间频谱切片用于获得所述待定位目标的位置信息。
[0031]
可选的，所述方法还包括：
[0032]
对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息。
[0033]
可选的，所述对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息，包括：
[0034]
对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的投影切片；
[0035]
基于所述投影切片获得所述待定位目标的位置信息。
[0036]
本发明实施例提供的光学定位系统，通过正交排列的微透镜阵列接收光信号，得到待定位目标的空间频谱切片，空间频谱切片可以用于获得所述待定位目标的位置信息。
本发明实施例中的光学定位系统是基于光子集成芯片的无图像定位系统，无需成像，需要的透镜数目比基于图像的目标定位系统少，采用正交排布的微透镜阵列，降低系统体积有利于系统集成，实现对待定位目标的定位。
附图说明
[0037]
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0038]
图1是本发明实施例提供的光学定位系统的结构示意图之一；
[0039]
图2是本发明实施例提供的微透镜阵列结构示意图之一；
[0040]
图3是本发明实施例提供的微透镜阵列结构示意图之二；
[0041]
图4是本发明实施例提供的光学定位系统的结构示意图之二；
[0042]
图5是本发明实施例提供的信息处理模块的结构示意图；
[0043]
图6是本发明实施例提供的信号空间传输过程示意图；
[0044]
图7是本发明实施例提供的光学定位方法的流程示意图；
[0045]
图8是本发明实施例提供的切片计算示意图之一；
[0046]
图9是本发明实施例提供的切片计算示意图之二。
[0047]
附图标记：
[0048]
1121：集成光波导阵列；1122：阵列波导光栅；
[0049]
1123：相位调制器。
具体实施方式
[0050]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0051]
现有技术中，以光子集成干涉成像作为核心技术的分块式平面光电探测成像系统(segmented planar imaging detector forelectro-optical reconnaissance，spider)，采用微纳光子集成电路 (photonic integrated circuit，pic)和合成孔径技术相结合，光子集成干涉成像技术以光学干涉信息为目标传感形式,以光子集成芯片为干涉信息获取的关键技术与器件支撑，通过微透镜阵列获取目标光学信息，在光子集成芯片(photonic integrated circuit，pic)中进行光波的调控及干涉。通过在输出端对干涉信息进行采集、处理及重构，获得高分辨率图像。但是基于成像分析进行定位，为提升待定位目标光源的重构质量，对透镜阵列的数目要求很高，造成pic的集成加工难度极大，使得该技术难以实现工程化。
[0052]
本发明实施例提出了一种光学定位系统，该系统不需要对目标进行成像，即可获得目标的位置区域，提高了系统的集成性。
[0053]
下面结合图1-图6描述本发明提供的光学定位系统。
[0054]
图1是本发明实施例提供的光学定位系统的结构示意图之一，如图1所示，本发明实施例提供的光学定位系统包括：光子集成电路 110和信息处理模块120；所述光子集成电路110与所述信息处理模块120相连接；
[0055]
所述光子集成电路110包括微透镜阵列111和信号传输模块112；所述微透镜阵列111与所述信号传输模块112相连接；所述微透镜阵列111由一排水平方向的微透镜和一排竖直方向的微透镜组成；
[0056]
所述微透镜阵列111用于接收待定位目标的光信号；
[0057]
所述信号传输模块112用于将所述光信号输入至所述信息处理模块120；
[0058]
所述信息处理模块用120于获得所述光信号的空间频谱切片，所述空间频谱切片用于获得所述待定位目标的位置信息。
[0059]
图2是本发明实施例提供的微透镜阵列结构示意图之一，微透镜阵列111在三维空间中的排列方式如图2所示，图3是本发明实施例提供的微透镜阵列结构示意图之二，微透镜阵列111在二维空间中的排列方式如图2所示，微透镜阵列111是多个微透镜所组成的二维阵列，本发明实施例提供的微透镜阵列111呈正交排布，由一排水平方向的微透镜和一排竖直方向的微透镜组成，每一排微透镜的数量根据所需分辨率布置，微透镜的数量越多，分辨率越高，定位越准确。微透镜阵列11用于接收空间中待定位目标的光信号，并将信号耦合到光子集成电路上。
[0060]
光信号的空间频谱切片是在光信号的空间频谱f(u,v)的u轴方向上和v轴方向上分别进行切片，得到u轴方向空间频谱切片f(u,0) 和v轴方向空间频谱切片f(0,v)。通过对正交排布的微透镜阵列111 接收的光信号进行处理，得到的待定位目标的空间频谱切片。根据傅里叶切片定理，射线沿y轴方向穿透物体薄片对x轴投影的傅立叶变换与物体薄片的频域函数f(u,v)沿u轴的切片相等。因此，待定位目标的空间频谱切片与待定位目标在视场中的投影相关，可以用于获得所述待定位目标的位置信息。
[0061]
本发明实施例提供的光学定位系统，通过正交排列的微透镜阵列接收光信号，得到待定位目标的空间频谱切片，空间频谱切片可以用于获得所述待定位目标的位置信息。本发明实施例中的光学定位系统是基于光子集成芯片的无图像定位系统，无需成像，需要的透镜数目比基于图像的目标定位系统少，采用正交排布的微透镜阵列，降低系统体积有利于系统集成，实现对待定位目标的定位。
[0062]
可选的，图4是本发明实施例提供的光学定位系统的结构示意图之二，如图4所示，所述信号传输模块112包括集成光波导阵列1121、阵列波导光栅1122和相位调制器1123。
[0063]
所述集成光波导阵列1121用于基于两两配对规则获取所述微透镜阵列中的多对微透镜收集的光信号；所述集成光波导阵列还用于将所述微透镜收集的光信号发送至所述阵列波导光栅1122。
[0064]
具体的，集成光波导阵列1121用于引导光信号传输。集成光波导阵列1121基于两两配对规则获取所述微透镜阵列中的多对微透镜收集的光信号，将每对微透镜收集的光信号发送至所述阵列波导光栅 1122；经阵列波导光栅1122分离不同波长的光信号后，集成光波导阵列1121将成对的分离光信号发送至相位调制器1123。
[0065]
两两配对规则是指，在同一个方向上的微透镜中，选择其中两个微透镜成对。如在竖直方向上的微透镜中，第一个和第二个微透镜成对，第三个和第四个微透镜成对。可选
的，首尾配对规则是指在同一方向上的微透镜，首位微透镜和末位微透镜成对，顺序第二个微透镜和倒序第二个微透镜成对，并以此类推。
[0066]
一个实施例中，微透镜阵列111水平方向上有微透镜1、微透镜 2、微透镜3和微透镜4，竖直方向上有微透镜5、微透镜6、微透镜7和微透镜8，集成光波导阵列1121将微透镜1和微透镜4收集的光信号作为一对光信号进行收集；将微透镜2和微透镜3收集的光信号作为一对光信号进行收集；将微透镜5和微透镜8收集的光信号作为一对光信号进行收集；将微透镜6和微透镜7收集的光信号作为一对光信号进行收集。
[0067]
所述阵列波导光栅1122用于对所述多对光信号进行光分离获得多对分离光信号。阵列波导光栅1122可以对光信号进行波长的合波或分离，分离出所需波长的光信号。分离光信号是指经过波长分离后的光信号。
[0068]
所述相位调制器1123用于对所述多对分离光信号进行相位调制，获得多对调制光信号；所述相位调制器还用于将所述多对调制光信号发送至所述信息处理模块。相位调制器1123对两束光信号进行相位调制，使其满足干涉条件，然后将调制后的光信号输入到信息处理模块。示例性的，如图4所示，λ表示光信号，λ1和λ2代表不同波长的光信号；在干涉时，需要保证对波长相同的光信号进行干涉，即对λ1和λ1干涉，对λ2和λ2干涉。
[0069]
可选的，图5是本发明实施例提供的信息处理模块的结构示意图，如图5所示，所述信息处理模块120包括正交检测器121和数字信号处理单元122；
[0070]
所述正交检测器用于接收所述多对调制光信号；所述正交检测器还用于基于互强度公式获得每对调制光信号的光互强度和基于预设位置公式获得每对调制光信号的空间频谱坐标。
[0071]
系统通过微透镜阵列111将光耦合进光波导，互强度谱j(q1；q2) 上的离散点与微透镜相对位置成一一对应关系，因此微透镜的排布配对方式直接影响到所采集的光信号的光互强度，由于本实施例中微透镜阵列呈正交排布，互强度谱也因此呈正交排布，因此正交检测器根据正交排布的光互强度谱可以得到每对微透镜的光互强度。
[0072]
如图5所示，相位调制器1123通过光波导将调制后的光信号输入正交检测器121后，正交检测器121光电转换后，可以得到j(q1；q2) 的实部和虚部，分别表示为i和q。
[0073]
一个实施例中，有微透镜q1、微透镜q2、微透镜q3和微透镜q4，其中微透镜q1和微透镜q4为一对微透镜，微透镜q2和微透镜q3为一对微透镜，正交检测器可以获得微透镜q1和微透镜q4对应的空间频谱坐标(u1,v1)和光互强度j(q1；q4)；获得微透镜q2和微透镜q3对应的空间频谱坐标(u2,v2)和光互强度j(q2；q3)。调制光信号的光互强度与空间频谱坐标相关，可以理解的是，空间频谱中坐标(u1,v1) 处的值为j(q1；q4)，坐标(u2,v2)处的值为j(q2；q3)。
[0074]
图6是本发明实施例提供的信号空间传输过程示意图，如图6所示，待定位目标位于物面，水平方向物面坐标轴为ξ轴，竖直方向物面坐标轴为η轴；微透镜阵列111位于接收面，水平方向接收面坐标轴为x轴，竖直方向接收面坐标轴为y轴；空间频谱中水平方向坐标轴为u轴，竖直方向坐标轴为v轴。
[0075]
可选的，所述互强度公式为：
[0076]
[0077][0078]
其中，q1为所述每对微透镜中的第一微透镜；(x1，y1)为q1的位置；q2为所述每对微透镜中的第二微透镜；(x2，y2)为q2的位置； j(q1；q2)为q1和q2之间的光的互强度；i为所述待定位目标；(ξ,η)为所述待定位目标的位置；λ为所述待定位目标发出的光的平均波长；k 是归一化常数；z为所述待定位目标与所述微透镜阵列之间的距离。
[0079]
可选的，所述预设位置公式为：
[0080][0081][0082]
其中，u为所述每对调制光信号的空间频谱u轴坐标；δx为所述每对微透镜之间在x轴上距离，δx＝x
1-x2；δy为所述每对微透镜之间在y轴上距离，δy＝y
1-y2；λ为其发出的光的平均波长；z为所述待定位目标与所述微透镜阵列之间的距离。
[0083]
可选地，所述光学定位系统还包括切片计算模块130；所述切片计算模块130与所述信息处理模块120相连接；所述切片计算模块 130用于对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息。
[0084]
所述切片计算模块130用于基于所述每对调制光信号的光互强度和所述每对调制光信号的空间频谱坐标获得所述光信号的空间频谱；所述切片计算模块130还用于对所述空间频谱进行傅里叶切片，获得所述空间频谱正交方向上的频谱切片。
[0085]
如图5中介绍的实施例中，切片计算模块130通过坐标(u1,v1)、光互强度j(q1；q4)和坐标(u2,v2)、光互强度j(q2；q3)可以获得空间频谱f(u,v)，可以理解的是，空间频谱中坐标(u1,v1)处的值为 j(q1；q4)，坐标(u2,v2)处的值为j(q2；q3)。数字信号处理单元130 还可以对空间频谱f(u,v)沿u轴进行切片到空间频谱切片f(u,0)；对空间频谱f(u,v)沿v轴进行切片到空间频谱切片f(0,v)。
[0086]
利用二维傅立叶变换的旋转性质可知，如果围绕物体薄片，改变θ角得到多个投影，就可以获得该物体薄片在频域上相应各个方向的频谱切片，从而了解到该薄片的整个频谱。通过傅立叶反变换就能得到物体薄片在空间域中的图像。可以理解的是，待定位目标视场投影的一维傅里叶变换就是待定位目标空间频谱切片，因此分别对待定位目标空间频谱切片f(u,0)和f(0,v)进行一维傅里叶逆变换，可以得到待定位目标是在视场x轴方向的投影位置p(x)和在视场y轴方向的投影位置p(y)。
[0087]
可选地，所述切片计算模块130包括投影计算单元131和位置获得单元132；所述投影计算单元131与所述位置获得单元132相连接；
[0088]
所述投影计算单元131用于对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的投影切片；
[0089]
所述位置获得单元132用于基于所述投影切片获得所述待定位目标的位置信息。
[0090]
如上述实施例中介绍，投影计算单元131可以得到待定位目标是在视场x轴方向的投影位置p(x)和在视场y轴方向的投影位置p(y)。
[0091]
位置获得单元132基于投影p(x)计算出待定位目标f(x,y)在视场 x轴方向的投影范围为[x1，x2]，基于投影p(y)计算出在y轴方向的投影范围为[y1，y2]。
[0092]
本发明实施例提供的光学定位系统，通过正交排列的微透镜阵列 111接收光信号，得到待定位目标的空间频谱切片120，投影计算单元131对空间频谱切片进行傅里叶反变换可以获得所述待定位目标的相对位置。本发明实施例中的光学定位系统是基于光子集成芯片的无图像定位系统，无需成像，需要的透镜数目比基于图像的目标定位系统少，采用正交排布的微透镜阵列，无需大量微透镜阵列即可完成目标的定位，大大降低了pic的加工难度，有利于系统集成，使用 pic干涉技术，使得系统具有轻便性的同时，实现了对待定位目标的定位。
[0093]
下面对本发明提供的光学定位方法进行描述，下文描述的光学定位方法与上文描述的光学定位系统可相互对应参照。
[0094]
图7是本发明实施例提供的光学定位方法的流程示意图，如图7 所示，本发明实施例提供一种基于上述光学定位系统进行光学定位的方法，包括：
[0095]
步骤710，基于所述微透镜阵列接收所述待定位目标的光信号；
[0096]
步骤720，基于所述信号传输模块将所述光信号输入至所述信息处理模块，获得所述信息处理模块输出的所述光信号的空间频谱切片，所述空间频谱切片用于获得所述待定位目标的位置信息。
[0097]
一个实施例中，待定位目标的光源入射至光学定位系统中，获取由光学定位系统输出的空间频谱切片，根据傅里叶切片定理，射线沿 y轴方向穿透物体薄片对x轴投影的傅立叶变换与物体薄片的频域函数f(u,v)沿u轴的切片相等。因此，待定位目标的空间频谱切片与待定位目标在视场中的投影相关，可以用于获得所述待定位目标的位置信息。
[0098]
本发明实施例提供的光学定位方法，通过光学定位系统得到待定位目标的空间频谱切片。本发明实施例中的光学定位方法是基于光子集成芯片的无图像定位方法，无需成像即可实现对待定位目标的定位。
[0099]
可选的，对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息。
[0100]
一个实施例中，图8是本发明实施例提供的切片计算示意图之一，如图8所示，待定位目标f(x,y)在视场x轴方向的投影为p(x)，在视场y轴方向的投影为p(y)，可以理解的是，根据视场投影可以确定待定位目标在视场中的相对位置。ift为一维傅里叶反变换，f(u,v)为待定位目标的空间频谱，待定位目标的空间频谱为待定位目标的二维傅里叶系数，f(u,0)和f(0,v)为待定位目标的空间频谱切片，即待定位目标的傅里叶系数的切片。得到f(u,0)和f(0,v)后，物体投影的一维傅里叶变换就是物体二维傅里叶变换沿投影方向的切片，数字信号处理单元分别对它们进行一维傅里叶逆变换得到p(x)和p(y)。p(x)和 p(y)满足下式：
[0101]
p(x)＝ift[f(u,0)]；
[0102]
p(y)＝ift[f(0,v)]。
[0103]
可选的，所述对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的位置信息，包括：
[0104]
对所述空间频谱切片进行一维傅里叶反变换，获得所述待定位目标的投影切片；
[0105]
基于所述投影切片获得所述待定位目标的位置信息。
[0106]
如图8中介绍的实施例，在获得投影p(x)和p(y)后，待定位目标的边缘可由p(x)与
p(y)在视场中的相对位置计算得出：待定位目标 f(x,y)在视场x轴方向的投影范围为[x1，x2]，在y轴方向的投影范围为[y1，y2]。
[0107]
一个实施例中，图9是本发明实施例提供的切片计算示意图之二，如图9所示，使用一幅图像作为目标进行仿真模拟，需要对图像中条纹标定的图案部分进行定位，无需成像。场景图像分辨率为512
×
512。通过光学定位系统对空间频率切片f(0,v)和f(u,0)进行采样，得到结果分别为图9(c)和图9(e)。经过一维傅里叶反变换后，投影p(x)和 p(y)如图9(d)和图9(b)所示。待定位目标的边缘范围为：141≤x≤ 369，146≤y≤351。
[0108]
本发明实施例提供的光学定位方法，通过光学定位系统得到待定位目标的空间频谱切片，通过对空间频谱切片计算可以获得待定位目标在视场中的位置信息。本发明实施例中的光学定位方法是基于光子集成芯片的无图像定位方法，无需成像即可实现对待定位目标的定位。
[0109]
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
[0110]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到各实施方式可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件。基于这样的理解，上述技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在计算机可读存储介质中，如rom/ram、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。
[0111]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。