一种脉冲激光光斑综合测试系统及光斑测试方法技术方案

本发明专利技术公开了一种脉冲激光光斑综合测试系统及光斑测试方法，系统包括光学瞄准单元、四象限光电探测器、采集处理电路、CCD成像探测器、CCD处理单元和图像显示单元，激光器发出的脉冲激光照射至目标后，其反射光斑经过光学瞄准单元同步入射至四象限光电探测器和CCD成像探测器上，CCD处理单元对CCD成像探测器处理获取光斑图像；采集处理电路对四象限光电探测器的输出电信号采集处理后得到光斑质心坐标；所述的光斑图像和光斑质心坐标实时显示在图像显示单元上；本发明专利技术将四象限光电探测和CCD成像探测两种激光探测技术集成在一起，两种传感器各自所获得的数据和图像融合在一起，实现了激光光斑的综合测试。

A comprehensive testing system and method of pulsed laser spot

【技术实现步骤摘要】
一种脉冲激光光斑综合测试系统及光斑测试方法
本专利技术属于激光跟踪
，主要涉及一种基于四象限探测器和CCD图像传感器构成的脉冲激光光斑综合测试系统及测试方法。
技术介绍
在激光半主动制导武器中，需要对照射到目标上的激光光斑进行测量和精确跟踪，通常将激光光斑综合测试系统安装在直升机或固定翼飞机上，并引导武器进行打击，它为制导和非制导武器提供目标指示、重要目标威胁提示的视觉符号，为作战人员提供精确打击的指引系统，是激光精确打击协同战术非常重要的环节。激光光斑综合测试包括四象限探测器和CCD图像传感器，在实际应用中，受到大气湍流和折射率变化的影响，导致入射至四象限探测器和CCD图像传感器的光斑出现随大气抖动变化现象，因此需要精确测量光斑随时间的变化特性，才能给作战人员提供准确的发射指引信息。目前激光探测的核心是采集四象限光电探测器测量得到激光峰值信号，如“一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器(中国专利200910093364.8)”和“一种激光光斑及回波跟踪监测装置(中国专利201811336974.1)”，存在的问题是，采集捕捉的信号为脉宽10-20ns、重复频率10-20Hz的固体激光脉冲信号，目前基于光电探测器的脉冲激光光斑探测的方法主要有峰值保持和高速采集两种方式，其中峰值保持是将入射到探测器的纳秒脉冲信号展宽微秒级，然后采用低速数采进行采集，其存在的问题是这种展宽是根据脉冲的峰值强度进行展宽，降低了数据采集的难度，但不能保证数据采集的线性、动态范围，并不能反应激光光斑的真实参数。相比而言高速采集是一种精确的方案，但对于10ns的脉冲信号，采样系统的ADC采样率需要达到1GS/s以上，再加上图像传感器的大量数据，在数十秒至分钟级的连续工作中又给数据存储、实时显示和后台上传带来困难，最终影响到光斑跟踪的准确性和实时性。
技术实现思路
为克服现有光斑测试中存在的光电探测器和图像传感器采集数据量大，难以实时显示和上传的不足，本专利技术提出了一种光斑综合测试系统，通过对四象限探测器接收到光斑信号的触发后高速采集转换，只触发采集光脉冲时刻内的有效信号和光斑图像，从而实现了ns脉冲激光的光斑准确测量，并减小了电路和软件开销，满足了光斑实时测试及跟踪要求。本专利技术的技术方案如下：一种脉冲激光光斑综合测试系统，包括光学瞄准单元、四象限光电探测器、采集处理电路、CCD成像探测器、CCD处理单元和图像显示单元，激光器发出的脉冲激光照射至目标后，其反射光斑经过光学瞄准单元同步入射至四象限光电探测器和CCD成像探测器上，CCD处理单元对CCD成像探测器处理获取光斑图像；采集处理电路对四象限光电探测器的输出电信号采集处理后得到光斑质心坐标；所述的光斑图像和光斑质心坐标实时显示在图像显示单元上；所述的激光器输出重频脉冲激光；所述的采集处理电路包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元；核心控制单元包括处理器、存储器和若干端口；加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接；四只调理放大单元的输出端分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接；总信号AD单元的输出端和触发端、四只象限AD单元的输出端和触发端分别与核心控制单元的端口联接；核心控制单元的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元对前几个激光脉冲信号进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，根据处理结果设定触发时刻和触发时长，再同步触发CCD处理单元和四只象限AD单元进行采集转换，获取光斑和光斑质心坐标并显示在图像显示单元上；所述的触发时刻提前与脉冲到来的时刻，触发时长大于脉冲宽度。上述脉冲激光光斑综合测试系统中，光斑图像和质心坐标的显示频率与激光脉冲的频率一致。上述脉冲激光光斑综合测试系统中，激光输出脉宽为10-20ns、重复频率为1-50Hz。上述脉冲激光光斑综合测试系统中，光学瞄准单元和四象限光电探测器之间，以及光学瞄准单元和CCD成像探测器之间均设置有与激光波长相匹配的窄带滤光片。上述脉冲激光光斑综合测试系统中，总信号AD单元和四只象限AD单元的采样频率不小于1GS/s。上述脉冲激光光斑综合测试系统中，数据融合处理显示单元中光斑质心坐标上述脉冲激光光斑综合测试系统中，光学瞄准单元包括单透镜和其后设置的半透半反射镜，聚焦光束经过半透半反射镜，分成反射光和透射光两束；一束成像至四象限光电探测器，另一束成像至CCD成像探测器中。一种脉冲激光光斑综合测试方法，包括以下步骤：【1】系统加电，自检；【2】当测量系统接收到光斑探测开始指令后，核心控制单元发出触发指令至总信号AD单元的触发端，触发总信号AD单元进行AD转换，并对开始指令后的前n个激光脉冲数据进行处理，获得激光脉冲信号的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，并计算得到后续激光脉冲来临时刻；【3】在下一个脉冲来临之前，核心控制单元发出触发时刻提前于脉冲到来时刻的触发指令至四只象限AD单元和CCD处理单元的触发端，触发AD单元和CCD处理单元采集信号，其中四只象限的AD单元采集的时长设定大于步骤【2】计算得到的激光信号的脉冲宽度，数据采集完成后获取光斑和光斑质心坐标并显示在图像显示单元上；【4】重复步骤【3】，直到接收到光斑探测结束的指令。上述脉冲激光光斑测试方法中，步骤【3】中四只象限AD单元的触发时长为步骤【2】计算得到的激光脉冲宽度的1.2-1.5倍。上述脉冲激光光斑测试方法中，步骤【3】中四只象限AD单元的触发时刻比步骤【2】计算得到的激光脉冲来临时刻提前时间大于10ns。上述脉冲激光光斑测试方法中，步骤【2】中n为2至10。本专利技术具有的有益技术效果如下：1、本专利技术将四象限光电探测和CCD成像探测两种激光探测技术集成在一起，两种传感器各自所获得的数据和图像融合在一起，获得了激光光斑质心、信号的峰值功率和光斑图像，实现了激光光斑的综合测试，为半主动制导武器的精确打击提供了目标参数和决策依据参考。测试中先采用四象限探测器对照射激光的前几个脉冲进行全时段的采集处理，获取了重频激光在当时的大气条件下的光脉冲的起始时刻、脉宽和周期，计算得到了后续脉冲的达到时刻和脉冲宽度，并将其用于后续四象限探测器和图像传感器的同步触发，并特意设置触发脉冲的宽度略大于激光脉宽，时刻略有提前，确保后续的光脉冲只在有效的光脉冲内进行采集。对于脉宽10-20ns、重复频率1-50Hz的激光脉冲而言，有效的光脉冲信号占比很小，采集时长和数据量大大减少，这样就可以减小电路和存储器的开销，减小高速AD的工作发热，并利于后续对数据处理从而实时光斑显示。这种工作方式无需要求激光器提供同步触发信号，对不同激光的参数具有一定的适应范围，也满足了大气变化时对光脉冲参数影响下的光斑测试要求。二、本专利技术在获取光脉冲信号参数时，采用加法器将四象限的脉冲信号汇总后进行本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种脉冲激光光斑综合测试系统，其特征在于：包括光学瞄准单元(6)、四象限光电探测器(7)、采集处理电路(8)、CCD成像探测器(14)、CCD处理单元(15)和图像显示单元(9)，激光器(11)发出的脉冲激光照射至目标(3)后，其反射光斑(12)经过光学瞄准单元(6)同步入射至四象限光电探测器(7)和CCD成像探测器(14)上，CCD处理单元(15)对CCD成像探测器(14)处理获取光斑图像；采集处理电路(8)对四象限光电探测器(7)的输出电信号采集处理后得到光斑质心坐标；所述的光斑图像和光斑质心坐标实时显示在图像显示单元(9)上；所述的激光器(1)输出重频脉冲激光；/n所述的采集处理电路(8)包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器(7)四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元；核心控制单元包括处理器、存储器和若干端口；加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接；四只调理放大单元的输出端分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接；总信号AD单元的输出端和触发端、四只象限AD单元的输出端和触发端分别与核心控制单元的端口联接；/n核心控制单元的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元对前几个激光脉冲信号进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，根据处理结果设定触发时刻和触发时长，再同步触发CCD处理单元(15)和四只象限AD单元进行采集转换，获取光斑和光斑质心坐标并显示在图像显示单元(9)上；所述的触发时刻提前与脉冲到来的时刻，触发时长大于脉冲宽度。/n...

【技术特征摘要】
1.一种脉冲激光光斑综合测试系统，其特征在于：包括光学瞄准单元(6)、四象限光电探测器(7)、采集处理电路(8)、CCD成像探测器(14)、CCD处理单元(15)和图像显示单元(9)，激光器(11)发出的脉冲激光照射至目标(3)后，其反射光斑(12)经过光学瞄准单元(6)同步入射至四象限光电探测器(7)和CCD成像探测器(14)上，CCD处理单元(15)对CCD成像探测器(14)处理获取光斑图像；采集处理电路(8)对四象限光电探测器(7)的输出电信号采集处理后得到光斑质心坐标；所述的光斑图像和光斑质心坐标实时显示在图像显示单元(9)上；所述的激光器(1)输出重频脉冲激光；
所述的采集处理电路(8)包括核心控制单元、加法器、总信号AD单元，以及分别对应四象限光电探测器(7)四个象限的四只调理放大单元和四只象限AD单元；核心控制单元包括处理器、存储器和若干端口；加法器的输入端与四只调理放大单元的输出端联接，加法器的输出端与总信号AD单元的采样端联接；四只调理放大单元的输出端分别与对应的四只象限AD单元的采样端联接；总信号AD单元的输出端和触发端、四只象限AD单元的输出端和触发端分别与核心控制单元的端口联接；
核心控制单元的处理器接收到光斑跟踪开始指令后，首先触发总信号AD单元对前几个激光脉冲信号进行AD转换，并对转换数据进行处理，获得激光脉冲的前沿起始时刻、脉冲宽度和周期，根据处理结果设定触发时刻和触发时长，再同步触发CCD处理单元(15)和四只象限AD单元进行采集转换，获取光斑和光斑质心坐标并显示在图像显示单元(9)上；所述的触发时刻提前与脉冲到来的时刻，触发时长大于脉冲宽度。


2.根据权利要求1所述的脉冲激光光斑综合测试系统，其特征在于：光斑图像和质心坐标的显示频率与激光脉冲的频率一致。


3.根据权利要求1所述的脉冲激光光斑综合测试系统，其特征在于：激光输出脉宽为10～20ns、重复频率为1～50Hz。


4.根据权利要求1所述的脉冲激光光斑综合测试系统，其特征在于：总信号AD单元和四...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯建新，杜晋峰，王冰，
申请(专利权)人：航天金鹏科技装备北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11