CN114877857A - 一种三维绝对方向激光告警装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光告警装置技术领域，具体涉及一种三维绝对方向激光告警装置，包括光学系统、三维电子罗盘、测量和数据处理电路，所述光学系统与测量和数据处理电路电性连接，所述三维电子罗盘与测量和数据处理电路电性连接。本发明引入的三维电子罗盘由以下两部分组成，其中磁阻传感器用于测量激光告警装置相对于地磁场的航向角，与激光告警装置测得的方位角结合可以得到来袭激光的绝对方位角；而倾角传感器则用于测量激光告警装置本身相对于水平面的俯仰角和横滚角，测得的俯仰角和横滚角与激光告警装置测得的俯仰角数据相结合可以得到来袭激光的绝对俯仰角，有效解决了现有激光告警装置测算的方位角和俯仰角均相对于装置本身等问题。

Description

一种三维绝对方向激光告警装置

技术领域

本发明属于激光告警装置技术领域，具体涉及一种三维绝对方向激光告警装置。

背景技术

随着各国激光武器的迅猛发展，这些激光武器对我军的重要战略设施造成了严重的威胁，因此发展能够测量来犯激光的方位角、俯仰角以及波长的三维激光告警系统就显得尤为重要。三维激光告警系统中需要对来袭激光的方位角、俯仰角进行测算。现阶段的激光告警系统只能够测算相对于激光告警系统本身的方位角、俯仰角，并且不能结合横滚角进行绝对方向下方位角、俯仰角测算。在实际使用过程中，由于现有激光告警系统测算的方位角是基于来袭激光经过光栅后的衍射图像来确定的，即激光告警系统测算的方位角是相对于系统本身的，并不是相对于地磁场的，不利于对来袭激光的方位的判断；同时现实中也不能保证激光告警系统一定是处于水平状态下的，这种情况下测算得到的方位角也不是相对于水平面的，横滚角的存在也会影响到方位角和俯仰角的测算，也不利于对来袭激光俯仰角的判断。

发明内容

针对上述现阶段的激光告警系统只能够测算相对于激光告警系统本身的方位角、俯仰角，并且不能结合横滚角进行测算的技术问题，本发明提供了一种三维绝对方向激光告警装置，通过在激光告警装置中加入三维电子罗盘，进一步测量该激光告警装置本身相对于地磁方向的角度、俯仰角以及横滚角，通过与激光告警系统测算的俯仰角和方位角相结合，最终实现对来袭激光的绝对方位角、绝对俯仰角的测量。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三维绝对方向激光告警装置，包括光学系统、三维电子罗盘、测量和数据处理电路，所述光学系统与测量和数据处理电路电性连接，所述三维电子罗盘与测量和数据处理电路电性连接。

所述光学系统包括视场压缩系统、光栅、透镜、面阵探测器，所述视场压缩系统的光路方向上依次设置有光栅、透镜和面阵探测器，所述面阵探测器通过导线与测量和数据处理电路电性连接。

所述三维电子罗盘包括磁阻传感器、倾角传感器和MCU微控制单元，所述磁阻传感器、倾角传感器均通过导线电性连接在MCU微控制单元上，所述MCU微控制单元通过导线电性连接在测量和数据处理电路上。

一种三维绝对方向激光告警装置的测算方法，包括下列步骤

S1、来袭激光经过视场压缩系统；

S2、再经过光栅衍射后得到0级和±1级光谱，然后在面阵探测器上得到光斑，最后进入测量和数据处理电路；

S3、三维电子罗盘基于地磁向量测量角度理论和牛顿第二定律，测算激光告警装置在绝对方向上的方向角、俯仰角以及横滚角，最后进入测量和数据处理电路；

S4、测量和数据处理电路结合光学系统和三维电子罗盘的数据，得到来袭激光在绝对方向下的方向角以及俯仰角。

所述S3中测算激光告警装置在绝对方向上的方向角、俯仰角以及横滚角的方法为：包括下列步骤：

S3.1、规定参考坐标系为X₀轴指向北的水平坐标系，通过右手定则建立X₀Y₀Z₀空间直角坐标系，则激光告警装置位于北半球且与参考坐标系重合时，倾角传感器的初始加速度读数G₀为：

S3.2、设所述激光告警装置分别围绕X₀轴旋转

得到X₁轴、围绕Y₀轴旋转γ₁得到Y₁轴、围绕Z₀轴旋转α₁得到Z₁轴，则倾角传感器得到的加速度读数为：

上式中，

R_y(γ₁)、R_z(α₁)为：

S3.3、将

R_y(γ₁)、R_z(α₁)代入G_p中，解得激光告警装置相对于水平面的横滚角

和俯仰角γ₁为：

所述

R_y(γ₁)、R_z(α₁)分别代表将电子罗盘绕坐标系中三轴转动的转动矩阵，G_px、G_py、G_pz分别代表加速度计的三轴输出。

所述S4中得到来袭激光在绝对方向下的方向角以及俯仰角的方法为：包括下列步骤：

S4.1、设δ为地磁场矢量B与Z₀轴方向的夹角，则磁阻传感器初始磁力读数为B₀为：

则，磁力计读数B_p如下式：

所述B_px、B_py、B_pz分别代表磁力计的三轴输出；

S4.2、得到激光告警装置相对于地磁方向的航向角α₁为：

S4.3、设来袭激光波长为λ，来袭激光对激光告警装置的入射角为α₀，来袭激光对激光告警装置的俯仰角为γ₀，衍射得到的0级光谱位置x₀，+1级光谱位置x⁺¹，-1级光谱位置x^-1；其中，已知激光告警装置中光栅常数为d，光栅的闪耀角为θ，透镜组的焦距为f，则得出：

0级衍射角等于入射角α₀，±1级衍射角β⁺¹、β^-1分别满足下式：

面阵探测器置于焦距为f的透镜焦面处，采集衍射后的图像用于后续数据处理，其0、+1、-1级衍射的位置为：

求出来袭激光对激光告警装置的入射角α₀，则来袭激光对激光告警装置的俯仰角γ₀以及波长λ为：

得到来袭激光在绝对方向下的方向角α、俯仰角γ为：

α＝α₀+α₁

γ＝γ₀+γ₁。

本发明与现有技术相比，具有的有益效果是：

本发明引入了三维电子罗盘来解决原有激光告警装置存在的对来袭激光的方位角和俯仰角测算不是在绝对方向上的问题。本发明引入的三维电子罗盘由以下两部分组成，其中磁阻传感器用于测量激光告警装置相对于地磁场的航向角，与激光告警装置测得的方位角结合可以得到来袭激光的绝对方位角；而倾角传感器则用于测量激光告警装置本身相对于水平面的俯仰角和横滚角，测得的俯仰角和横滚角与激光告警装置测得的俯仰角数据相结合可以得到来袭激光的绝对俯仰角。相比较于现有技术，本发明突破传统激光告警的瓶颈，引入了三维电子罗盘，有效解决了现有激光告警装置测算的方位角和俯仰角均相对于装置本身等问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，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，还可以根据提供的附图引申获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内。

图1为本发明的激光方向图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为本发明三维电子罗盘的结构示意图。

其中：1为光学系统，2为三维电子罗盘，3为测量和数据处理电路，101为视场压缩系统，102为光栅，103为透镜，104为面阵探测器，201为磁阻传感器，202为倾角传感器，203为MCU微控制单元。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制；基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式做进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

如图1所示，被测激光设为OB，OB₁为OB在x₁Oz₁面的投影，且与z₁轴的夹角为α₀，即来袭激光相对于激光告警装置的方向角；OB₂为OB在y1Oz₁面的投影，且与z₁轴的夹角为γ₀，即来袭激光相对于激光告警装置的俯仰角。根据光栅的分光原理和光的衍射原理，可以求得方向角α₀、俯仰角γ₀以及波长λ。

如图2所示，来袭激光经过视场压缩系统，再经过光栅衍射后得到0级和±1级光谱，然后在面阵探测器上得到光斑，最后进入测量和数据处理电路；三维电子罗盘基于地磁向量测量角度理论和牛顿第二定律，测算激光告警装置在绝对方向上的方向角、俯仰角以及横滚角，最后进入测量和数据处理电路；测量和数据处理电路结合光学系统和三维电子罗盘的数据，得到来袭激光在绝对方向下的方向角以及俯仰角。

规定参考坐标系为X₀轴指向北的水平坐标系，则设备位于北半球且与参考坐标系重合时，倾角传感器的初始加速度读数G₀如下式：

设该激光告警装置分别围绕X₀轴旋转

得到、围绕Y₀轴旋转γ₁得到Y轴、围绕Z₀轴旋转α₁得到Z轴，则倾角传感器得到的加速度读数如下式：

上式中，

R_y(γ₁)、R_z(α₁)如下式：

将上式(3)、(4)、(5)代入式(2)，可解得激光告警装置相对于水平面的横滚角

和俯仰角γ₁，如下式：

设δ为地磁场矢量B与Z₀轴方向的夹角，则磁阻传感器初始磁力读数为B₀如下式：

则，磁力计读数B_p如下式：

所述B_px、B_py、B_pz分别代表磁力计的三轴输出；

可以得到激光告警装置相对于地磁方向的航向角α₁如下式：

设入射激光波长为λ，入射激光对激光告警装置的入射角为α₀，俯仰角为γ₀，衍射得到的0级光谱位置x₀，+1级光谱位置x⁺¹，-1级光谱位置x^-1；其中，已知激光告警装置中的光栅常数为d，光栅的闪耀角为θ，透镜组的焦距为f，则得出：

0级衍射角等于入射角α₀，±1级衍射角β⁺¹、β^-1分别满足下式：

面阵探测器置于焦距为f的透镜焦面处，采集衍射后的图像用于后续数据处理，其0、+1、-1级衍射的位置为：

故可求出入射角α₀，则俯仰角γ₀以及波长λ为：

综上所述，可以得到来袭激光在绝对方向下的方向角α、俯仰角γ如下式所示：

α＝α₀+α₁ (11)

γ＝γ₀+γ₁ (12)

上面仅对本发明的较佳实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化，各种变化均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种三维绝对方向激光告警装置，其特征在于：包括光学系统(1)、三维电子罗盘(2)、测量和数据处理电路(3)，所述光学系统(1)与测量和数据处理电路(3)电性连接，所述三维电子罗盘(2)与测量和数据处理电路(3)电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种三维绝对方向激光告警装置，其特征在于：所述光学系统(1)包括视场压缩系统(101)、光栅(102)、透镜(103)、面阵探测器(104)，所述视场压缩系统(101)的光路方向上依次设置有光栅(102)、透镜(103)和面阵探测器(104)，所述面阵探测器(104)通过导线与测量和数据处理电路(3)电性连接。

3.根据权利要求1所述的一种三维绝对方向激光告警装置，其特征在于：所述三维电子罗盘(2)包括磁阻传感器(201)、倾角传感器(202)和MCU微控制单元(203)，所述磁阻传感器(201)、倾角传感器(202)均通过导线电性连接在MCU微控制单元(203)上，所述MCU微控制单元(203)通过导线电性连接在测量和数据处理电路(3)上。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种三维绝对方向激光告警装置的测算方法，其特征在于：包括下列步骤

S1、来袭激光经过视场压缩系统；

S2、再经过光栅衍射后得到0级和±1级光谱，然后在面阵探测器上得到光斑，最后进入测量和数据处理电路；

S3、三维电子罗盘基于地磁向量测量角度理论和牛顿第二定律，测算激光告警装置在绝对方向上的方向角、俯仰角以及横滚角，最后进入测量和数据处理电路；

S4、测量和数据处理电路结合光学系统和三维电子罗盘的数据，得到来袭激光在绝对方向下的方向角以及俯仰角。

5.根据权利要求4所述的一种三维绝对方向激光告警装置的测量方法，其特征在于：所述S3中测算激光告警装置在绝对方向上的方向角、俯仰角以及横滚角的方法为：包括下列步骤：

S3.1、规定参考坐标系为X₀轴指向北的水平坐标系，通过右手定则建立X₀Y₀Z₀空间直角坐标系，则激光告警装置位于北半球且与参考坐标系重合时，倾角传感器的初始加速度读数G₀为：

S3.2、设所述激光告警装置分别围绕X₀轴旋转

得到X₁轴、围绕Y₀轴旋转γ₁得到Y₁轴、围绕Z₀轴旋转α₁得到Z₁轴，则倾角传感器得到的加速度读数为：

上式中，

R_y(γ₁)、R_z(α₁)为：

S3.3、将

R_y(γ₁)、R_z(α₁)代入G_p中，解得激光告警装置相对于水平面的横滚角

和俯仰角γ₁为：

所述

R_y(γ₁)、R_z(α₁)分别代表将电子罗盘绕坐标系中三轴转动的转动矩阵，G_px、G_py、G_pz分别代表加速度计的三轴输出。

6.根据权利要求4所述的一种三维绝对方向激光告警装置的测量方法，其特征在于：所述S4中得到来袭激光在绝对方向下的方向角以及俯仰角的方法为：包括下列步骤：

S4.1、设δ为地磁场矢量B与Z₀轴方向的夹角，则磁阻传感器初始磁力读数为B₀为：

则，磁力计读数B_p如下式：

所述B_px、B_py、B_pz分别代表磁力计的三轴输出；

S4.2、得到激光告警装置相对于地磁方向的航向角α₁为：

(-180°≤α₁≤180°)

S4.3、设来袭激光波长为λ，来袭激光对激光告警装置的入射角为α₀，来袭激光对激光告警装置的俯仰角为γ₀，衍射得到的0级光谱位置x₀，+1级光谱位置x⁺¹，-1级光谱位置x^-1；其中，已知激光告警装置中光栅常数为d，光栅的闪耀角为θ，透镜组的焦距为f，则得出：

0级衍射角等于入射角α₀，±1级衍射角β⁺¹、β^-1分别满足下式：

面阵探测器置于焦距为f的透镜焦面处，采集衍射后的图像用于后续数据处理，其0、+1、-1级衍射的位置为：

求出来袭激光对激光告警装置的入射角α₀，则来袭激光对激光告警装置的俯仰角γ₀以及波长λ为：

得到来袭激光在绝对方向下的方向角α、俯仰角γ为：

α＝α₀+α₁

γ＝γ₀+γ₁。

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