本發(fā)明屬于激光技術領域，是一種以激光角錐反射器為合作目標、以波長為1550nm半導體激光器為光源的激光探測系統(tǒng)，適用于對移動目標的精確定位。

背景技術：

用于激光探測的合作目標，應具有較高的激光反射率并在反射時，對激光光束有較小的發(fā)散特性，激光角錐反射器是一種特殊的逆向反射器，它是由三個互相垂直的反射面和一個入（出）射面構成的四面體椎狀棱鏡，其主要光學性質是：在理想情況下，一束激光從角反射器的底面入射，經(jīng)過三個直角面的反射后，出射光線將與入射光線平行的方向反向射出，基于該特征，用于激光探測的合作目標可以用激光角錐反射器。

目前國內外探測移動目標主要采用圖像進行定位，移動目標距離較遠時，圖像跟蹤的定位精度可以滿足系統(tǒng)跟蹤要求，但當對移動目標上的某一部位進行精跟蹤時，受限于移動目標姿態(tài)和大氣條件對圖像跟蹤特征點影響較大，使得圖像跟蹤的定位精度已不能滿足系統(tǒng)的跟蹤要求。而移動目標上裝有激光角錐反射器后，移動目標在近距離時，入射到激光角錐反射器的激光會以很小的發(fā)散角，并和入射光保持平行反射到探測系統(tǒng)的接收光學系統(tǒng)中，探測器四個象限上接收到的光強不同而產生不同的電流信號，轉換成電壓信號后，通過比較四個電壓信號，判斷光信號的位置，定位精度可達0.1mrad—0.2mrad。

中國北京環(huán)境特性研究所在“圖像跟蹤系統(tǒng)及其圖像數(shù)據(jù)處理方法”專利（公開號 CN 103647937 A）中，提出了將采集的圖像數(shù)據(jù)進行灰度變換和中值變化后DSP根據(jù)變化的圖像數(shù)據(jù)進行目標搜索與跟蹤。中國沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司在“圖像跟蹤測量數(shù)據(jù)與雷達測量數(shù)據(jù)互補融合的實現(xiàn)方法”專利（公開號CN 104064057 A）提出了在遠距離采用雷達接收目標數(shù)據(jù)進行跟蹤目標，近距離采用圖像信息和激光測距儀輔助測距進行跟蹤。

上述幾種方案的不足在于：當目標距離在3公里外時，定位精度可以滿足系統(tǒng)的要求，目標距離較近時，利用上述圖像算法定位精度差，并且隨著目標背景復雜，圖像的識別效果會更差。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服上述存在的不足，本發(fā)明提供了一種有合作目標的激光探測跟蹤系統(tǒng)，具有探測定位精度高、重復頻率高、激光人眼安全性等特點。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，包括發(fā)射光學系統(tǒng)和半導體激光器，所述的發(fā)射光學系統(tǒng)包括柱面鏡和兩片透鏡組成的透鏡組，柱面鏡對半導體激光器慢軸方向進行壓縮，再采用透鏡組對快慢軸兩個方向進行壓縮；還包括調制驅動電路，控制半導體激光器的發(fā)射；接收光學系統(tǒng)，用于收集、匯聚信號光，由接收物鏡和窄帶濾光片組成；光電探測器，進行光電轉換；前端處理電路，將電流信號轉換成電壓信號；主放大電路，對電壓信號進行放大；帶通濾波電路，對放大后的信號進行濾波，以提高信噪比；A/D采樣電路，對放大后的四路電壓信號進行幅度采樣；微控制器處理電路（10），用于接收發(fā)射激光指令；激光高壓生成電路，為半導體激光器放電電容充滿高壓；比較電路，用于設定閾值；所述的發(fā)射光學系統(tǒng)、半導體激光器、調制驅動電路、激光高壓生成電路和微控制器處理電路順序連接后通過RS422總線連接計算機，所述的接收光學系統(tǒng)、光電探測器、前端處理電路、主放大電路、帶通濾波電路、A/D采樣電路和比較電路順序連接后再與微控制器處理電路連接；當四路信號放大濾波后，兩路信號幅度大于設定的閾值則響應，微控制器處理電路讀取四路采樣結果算出角度信息和距離信息給計算機。

所述的一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，其半導體激光器為脈沖半導體激光器。

所述的一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，其接收光學系統(tǒng)包括卡式鏡頭、窄帶濾光片和結構件。

所述的一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，其發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共窗口。

所述的一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，其光電探測器采用四象限探測器，根據(jù)接收到的光強不同而產生不同的電流信號，轉換成電壓信號后，比較四個電壓信號，判斷光信號的位置。

所述的一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，其發(fā)射光學系統(tǒng)由柱面鏡和擴束準直系統(tǒng)、第一卡式鏡頭透鏡、第二卡式鏡頭透鏡和小孔光闌和濾光片組成。

本發(fā)明的有益效果是：

1.采用銦鎵砷四象限探測器作為光電探測器，同時實現(xiàn)了距離探測器和定位探測器的功能。

2. 采用半導體激光器作為激光發(fā)射光源，體積下、效率高、工作穩(wěn)定、壽命長、發(fā)射峰值功率10W左右，激光器波長為1550nm，對人眼安全。

3. 采用發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共窗口，解決了近距離跟蹤盲區(qū)問題。

4.采用激光角反射器作為合作目標，探測距離遠，精度高，定位精度0.1mrad—0.2mrad，測距精度1米。

5.采用帶有合作目標的激光探測系統(tǒng)抗干擾能力強。

附圖說明

圖1是本發(fā)明系統(tǒng)的組成原理框圖；

圖2是本發(fā)明發(fā)射光學系統(tǒng)和接收光學系統(tǒng)共窗口的原理圖；

圖3是四象限探測器探測區(qū)域和激光光斑。

各附圖標記為：1—發(fā)射光學系統(tǒng)，2—半導體激光器，3—調制驅動電路，4—接收光學系統(tǒng)，5—光電探測器，6—前端處理電路，7—主放大電路，8—帶通濾波電路，9—A/D采樣電路，10—微控制器處理電路，11—計算機，12—RS422總線，13—激光高壓生成電路，14—比較電路，15—柱面鏡和擴束準直系統(tǒng)，16—第一卡式鏡頭透鏡，17—第二卡式鏡頭透鏡，18—小孔光闌和濾光片，19—探測器靶面，20—激光光斑。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

參照圖1所示，一種有合作目標的激光探測系統(tǒng)，包括發(fā)射光學系統(tǒng)1和半導體激光器2，所述的發(fā)射光學系統(tǒng)1包括柱面鏡和兩片透鏡組成的透鏡組，柱面鏡對半導體激光器2慢軸方向進行壓縮，再采用透鏡組對快慢軸兩個方向進行壓縮。

所述的半導體激光器2為脈沖半導體激光器，體積小、效率高、工作穩(wěn)定、壽命長、發(fā)射峰值功率10W左右，激光器波長為1550nm，對人眼安全，半導體激光器2準直后的發(fā)散角在3mrad左右。

還包括調制驅動電路3，控制半導體激光器2的發(fā)射。

還包括接收光學系統(tǒng)4，用于收集、匯聚信號光，由卡式鏡頭、窄帶濾光片和結構件組成。發(fā)射光學系統(tǒng)1和接收光學系統(tǒng)4共窗口，解決了近距離跟蹤盲區(qū)問題。

還包括光電探測器5，進行光電轉換，采用四象限探測器，根據(jù)接收到的光強不同而產生不同的電流信號，轉換成電壓信號后，比較四個電壓信號，判斷光信號的位置。

還包括前端處理電路6，將電流信號轉換成電壓信號。

還包括主放大電路7，對電壓信號進行放大。

還包括帶通濾波電路8，對放大后的信號進行濾波，以提高信噪比。

還包括A/D采樣電路9，對放大后的四路電壓信號進行幅度采樣。

還包括微控制器處理電路10，為整個系統(tǒng)的控制核心，用于接收發(fā)射激光指，與外部通信接口為RS422，進行數(shù)據(jù)信息的傳輸。

還包括激光高壓生成電路13，為半導體激光器2放電電容充滿高壓。

還包括比較電路14，用于設定閾值。

本系統(tǒng)由9—12V的直流電源供電。

所述的發(fā)射光學系統(tǒng)1、半導體激光器2、調制驅動電路3、激光高壓生成電路13和微控制器處理電路10順序連接后通過RS422總線12連接計算機11，所述的接收光學系統(tǒng)4、光電探測器5、前端處理電路6、主放大電路7、帶通濾波電路8、A/D采樣電路9和比較電路14順序連接后再與微控制器處理電路10連接；當四路信號放大濾波后，兩路信號幅度大于設定的閾值則響應，微控制器處理電路10讀取四路采樣結果算出角度信息和距離信息給計算機11。

參照圖2所示，所述的發(fā)射光學系統(tǒng)1由柱面鏡和擴束準直系統(tǒng)15、第一卡式鏡頭透鏡16、第二卡式鏡頭透鏡17和小孔光闌和濾光片18組成，柱面鏡和擴束系統(tǒng)15壓縮半導體激光器2發(fā)散角，第二卡式鏡頭透鏡17反射入射光到第一卡式鏡頭透鏡16，第一卡式鏡頭透鏡16將入射的激光發(fā)射到第二卡式鏡頭透鏡17中的小孔中并經(jīng)過小孔光闌和濾光片18聚焦在探測器靶面19上。

本發(fā)明系統(tǒng)的工作原理如下：

移動目標上裝有激光角錐反射器，半導體激光器2發(fā)射激光，經(jīng)過發(fā)射光學系統(tǒng)1整形后以固定的發(fā)散角發(fā)射激光信號，激光經(jīng)過大氣傳播后覆蓋到移動目標上，移動目標上的激光角錐反射器也被激光覆蓋，同時射入激光角錐反射器的激光經(jīng)過三個直角面的反射后，出射光線將與入射光線平行的方向反向射出；接收信號時，激光信號被接收光學系統(tǒng)4聚焦，聚焦光斑經(jīng)后離焦到四象限探測器進行光電轉換，四個象限根據(jù)接收到的光強不同而產生不同的電流信號，經(jīng)前端處理電路6和主放大電路7后送入A/D采樣電路9，四路不同的采樣結果送入微控制器處理電路10進行解算后輸出入射光束的偏角信息。

參照圖3所示，激光經(jīng)過角反射器反射后進入接收光學系統(tǒng)4聚焦，激光光斑20經(jīng)過離焦后到四象限探測器靶面19；假如激光光斑20位置如圖3中左所示，表明正好對準移動目標；假如激光光斑20位置如圖3中右所示，表明需要進行角度調整，根據(jù)四路采樣的結果計算出偏角信息輸出給計算機。

半導體激光器2可采用銦鎵砷脈沖半導體激光器，工作波長為1550nm，該波段人眼安全，出射光束的發(fā)散角為3mradx3mrad，光斑形狀為正方形，發(fā)射口徑為20mm，激光峰值功率為10W；接收光學系統(tǒng)4有效通光口徑為35mm，接收視場為3mrad，探測器為銦鎵砷材料的四象限探測器，光敏面直徑為3mm。

試驗結果表明：探測定位系統(tǒng)重復頻率為40Hz，探測視場為3mrad，探測定位角精度為0.1mrad—0.2mrad，探測距離范圍為：50米—3000米。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，以及部分運用的實施例，對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。