專利名稱：一種基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于計算全息、激光束偏轉(zhuǎn)控制、目標(biāo)探測跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)跟蹤指示的技術(shù)。
背景技術(shù)：
近年來，光束偏轉(zhuǎn)控制在空間通信、遙感、導(dǎo)航以及目標(biāo)探測、跟蹤等領(lǐng)域的需求越來越明顯。而傳統(tǒng)的光學(xué)成像機械掃描控制系統(tǒng)存在體積大、重量大、能耗高、價格貴、響應(yīng)慢，以及機械諧振、機械間隙等諸多缺點，限制了其性能和應(yīng)用。光學(xué)相控陣技術(shù)是一種新型光束指向控制技術(shù)。其基本原理是通過調(diào)節(jié)從各個相控陣單元即光學(xué)移相器輻射出的光波之間的位相關(guān)系，使其在設(shè)定方向上彼此相同，產(chǎn)生相互加強的干涉，干涉的結(jié)果是在該方向上產(chǎn)生一束高強度光束，而在其他方向上從各相空單元射出的光波都不滿足彼此同相的條件，干涉的結(jié)果彼此相抵消。光學(xué)相控陣無需機械運動而實現(xiàn)光束掃描，具有掃描速度快、靈活，指向精度和空間分辨率很高的優(yōu)點。目前美國、以色列、歐洲等國家和地區(qū)均設(shè)立了非機械式光束方向控制和激光束整形研究課題，并評估液晶空間光調(diào)制器用于激光束控制的可行性。國外對于基于液晶的光束偏轉(zhuǎn)技術(shù)和空間光調(diào)制器的一系列基礎(chǔ)實驗研究表明液晶在光譜范圍、響應(yīng)時間、光損傷閾值、空間抗輻射能力等方面均能滿足軍事和空間的光束控制應(yīng)用要求。而國內(nèi)關(guān)于此方面的研究尚處于理論與實驗研究階段，尚無工程應(yīng)用。基于這種情況，本發(fā)明提供了一種基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)，具有實時、跟蹤速度快、跟蹤精度高、能耗低的特點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種非機械式的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)。關(guān)鍵技術(shù)在于系統(tǒng)中采用光學(xué)相控陣技術(shù)控制激光束偏轉(zhuǎn)、計算全息技術(shù)借助空間光調(diào)制器使入射單束激光束轉(zhuǎn)化為多束激光束輸出且多光束間相對位置由加載于空間光調(diào)制器的相息圖決定、目標(biāo)檢測定位技術(shù)計算目標(biāo)位置、系統(tǒng)跟蹤光束逆向通過成像光路跟蹤指示目標(biāo)。本發(fā)明的特征在于，借助光學(xué)相控陣實現(xiàn)無慣性活動部件的激光光束方向、尺寸的精密控制；巧妙應(yīng)用了三種基本的物理現(xiàn)象實現(xiàn)多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)物理現(xiàn)象一，成像光學(xué)系統(tǒng)像點發(fā)出的光線必然逆向匯集于該像點對應(yīng)的目標(biāo)點；物理現(xiàn)象二，改變光柵使光束產(chǎn)生不同方向的偏轉(zhuǎn)，即光學(xué)相控陣；物理現(xiàn)象三，一束光束通過相位空間光調(diào)制產(chǎn)生所需不同方向的多光束，即逆向光學(xué)。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點及突出性效果無機械運動實現(xiàn)光束控制逆向指向目標(biāo)，速度快，精度高?？蓪崿F(xiàn)整個成像視場的多目標(biāo)跟蹤指示，范圍大。


本發(fā)明基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)的附圖有3個。
圖1基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2光學(xué)相控陣光束偏轉(zhuǎn)控制方案圖。圖3 二維迭代傅立葉變換算法過程圖。圖1 圖3中，(I)-成像透鏡，(2)-透反鏡，(3)_(XD，(4)-目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)，(5)-激光器，(6)-擴束鏡，( 7)-空間光調(diào)制器LC0S，(8)-傅里葉透鏡，(9)-反射鏡，
(10)-成像位置,(11)-實像，(12)-相息圖，(13)-売斑圖成像,(14)-多個目標(biāo)，(15)-液晶空間光調(diào)制器面板，(16)-等效階梯型玻璃器件，(17)-閃耀光柵。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實例對本發(fā)明“基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)”做進一步描述。圖1為本發(fā)明提供的基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)的實施例，由成像透鏡、透反鏡、(XD、目標(biāo)定位系統(tǒng)、空間光調(diào)制器LC0S、反射鏡、激光器、擴束鏡、傅里葉透鏡組成。其工作過程為多目標(biāo)(14)成實像(11)在CXD像面上，圖像經(jīng)過目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)(4)后輸出多目標(biāo)坐標(biāo)，生成背景為黑、含多個覆蓋目標(biāo)坐標(biāo)的亮斑圖，由計算全息實時計算該生成圖像的相息圖，輸出純相位全息圖(12)，加裝于LCOS (7)，LCOS調(diào)制從激光器(5)發(fā)出并經(jīng)過擴束鏡(6)擴束的激光產(chǎn)生多光束，逆向通過成像光學(xué)系統(tǒng)射向相應(yīng)的目標(biāo)，達到跟蹤指示目標(biāo)的目的。透反鏡(2)對可見光透過率達95%，對激光器(5)出射的激光反射率達95%。目標(biāo)定位系統(tǒng)(4)，采用目標(biāo)檢測和定位算法計算目標(biāo)的位置，并生成一幅黑色背景、僅在在目標(biāo)位置上覆蓋亮斑的圖像，采用二維迭代傅立葉變換算法計算該生成圖像的相息圖?？臻g光調(diào)制器LCOS (7)，完成光束偏轉(zhuǎn)控制，原理如圖2。成像位置(10)、CXD(3)與透反鏡(2)的距離相等，且成像位置(10)的光斑圖成像
(13)與CCD(3)上的圖像(11)大小相等，從而保證逆向光線相當(dāng)于從CCD像面中目標(biāo)位置逆向發(fā)出。其中傅里葉透鏡(8)把遠場圖像拉進于成像位置(10)。圖2為采用液晶空間光調(diào)制器進行光束偏轉(zhuǎn)控制的原理圖。液晶空間光調(diào)制器面板(15)取連續(xù)的N個像素作為一個周期，遞增地施加電壓使光折射率遞減，在液晶層厚度相等的條件下等效光程差會遞減，N個像素等效于階梯型玻璃器件(16)。通過加周期性電壓把整個液晶光學(xué)相控陣分成多個階梯型玻璃器件，即模擬了階梯型閃耀光柵(17)。光束最大偏轉(zhuǎn)角度Θ表示為Θ = arcsin ( λ /IN)式中，λ為入射波長，I為每個像素的寬度，N為閃耀光柵一個周期內(nèi)的像素個數(shù)。調(diào)節(jié)加在光學(xué)相控陣上的電壓大小，等效于調(diào)整階梯閃耀光柵的臺階高度和周期大小，從而調(diào)整光束偏轉(zhuǎn)角度的大小。所述液晶空間光調(diào)制器進行光束偏轉(zhuǎn)控制方案用于多目標(biāo)跟蹤時，須靈活、快速地生成多條光束并進行控制，使多條激光束實時、準(zhǔn)確指向空間目標(biāo)。對空間光調(diào)制器而言，即根據(jù)期望的出射多條光束的分布計算出空間光調(diào)制器自身的相位分布，其核心問題即相息圖的計算算法。
圖3為二維迭代傅立葉變換算法過程圖。所述優(yōu)化算法假設(shè)需要得到目標(biāo)圖像即亮斑圖像(13)已知，通過多次傅里葉變換及其逆變換的迭代操作，獲得全息面(輸入面)的位相分布，使傅立葉變換面(再現(xiàn)像面)輸出所需的目標(biāo)圖像。所述迭代傅里葉變換算法過程如下首先在再現(xiàn)像面以目標(biāo)圖像加上隨機相位開始，傅里葉逆變換后在全息面加上平行光強度的幅值約束；傅里葉變換回物面，加上目標(biāo)圖像的幅值約束。同時，如果再現(xiàn)像與目標(biāo)圖像的相似程度達到要求，或者達到算法規(guī)定的最高迭代次數(shù)，則運算停止，輸出相位形成相息圖。再現(xiàn)時，用平行光照射相息圖，則在無窮遠處衍射成期望的目標(biāo)圖像?？傊ㄟ^在再現(xiàn)像面和全息面之間的不斷傅里葉變換和逆變換尋找最優(yōu)的相位解，并在每一個變換面都加入強制約束，這是該二維迭代傅里葉變換的基本過程。
權(quán)利要求
1.一種基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指不技術(shù)，其特征在于，至少含有成像透鏡(1)，透反鏡(2)，CCD(3)，目標(biāo)定位系統(tǒng)(4)，激光器(5)，擴束鏡(6)，空間光調(diào)制器LCOS (7)，傅里葉透鏡(8)，反射鏡(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)，其特征在于，所述透反鏡(2)對可見光透過率達95%，對激光器(5)出射的激光反射率達95%。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)，其特征在于，目標(biāo)定位系統(tǒng)(4)，采用目標(biāo)檢測和定位算法計算目標(biāo)的位置，并生成一幅背景為黑、僅在在目標(biāo)位置上覆蓋亮斑的圖像，采用計算全息算法計算該生成圖像的相息圖。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的計算全息算法，其特征在于，二維迭代傅立葉變換算法計算相息圖。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)，其特征在于，成像位置(10)、CCD(3)與透反鏡(2)的距離相等，且成像位置(10)上的光斑圖成像(13)與CXD(3)上的圖像(11)大小相等。
全文摘要
本發(fā)明屬于計算全息、激光束偏轉(zhuǎn)控制、目標(biāo)探測跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)，能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)跟蹤指示的技術(shù)。由成像透鏡、透反鏡、CCD、目標(biāo)定位系統(tǒng)、空間光調(diào)制器LCOS、反射鏡、激光器、擴束鏡、傅里葉透鏡組成。多目標(biāo)成實像于CCD像面上，圖像經(jīng)過目標(biāo)檢測定位系統(tǒng)，獲得多目標(biāo)的位置。生成一幅背景為黑、含多個覆蓋目標(biāo)坐標(biāo)的亮斑圖，再由計算全息計算該生成圖像的相息圖，加載于空間光調(diào)制器，從激光器發(fā)出并經(jīng)過擴束鏡擴束的激光經(jīng)過調(diào)制器后產(chǎn)生多光束，逆向通過成像光學(xué)系統(tǒng)射向相應(yīng)的目標(biāo)，達到跟蹤指示目標(biāo)的目的。當(dāng)目標(biāo)運動，加載于調(diào)制器上的相息圖亦改變，調(diào)制后的多激光束位置和偏轉(zhuǎn)方向隨之變換，由此達到實時跟蹤指示。本發(fā)明提出的基于光學(xué)相控陣與逆向光學(xué)的多目標(biāo)跟蹤指示技術(shù)，具有速度快、跟蹤精度高、能耗低的特點。
文檔編號G05D3/12GK103019258SQ201210516130
公開日2013年4月3日 申請日期2012年11月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月28日
發(fā)明者蔣曉瑜, 張桂敏, 李強, 陳卓, 閆興鵬, 汪熙, 張智詮, 裴闖 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院