[发明专利]运动目标的差分式光电探测方法及其装置

说明书

本发明提出了一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置，该方法应用光学对称的两个或者两个以上的探测视场形成差分结构，通过探测所述两个或者两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻。本发明装置通过对称的探测视场设计与差分式探测电路配合，可以有效减弱甚至消除背景光波动和环境光干扰导致的可靠性问题，从根本上解决原有设计中灵敏度与探测精度之间的矛盾问题，有利于提高探测器的信噪比，从而可以在保证高度可靠的基础上实现更高的探测灵敏度。另外，本发明的输出信号时域特征更加明确，可以显著简化信号分析的算法，有利于通过硬件方式实现高精度的快速分析与处理。

技术领域

本发明属于光电测试领域，具体涉及一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置。

背景技术

在测试与控制工程领域中，很多情况下需要利用光电探测器探测运动目标到达预定空间位置的时刻。比如：生产线上的产品何时经过预定位置；升降梯门需要测试进出的人员何时最后离开危险区域；冲床的安全机构需要知道操作人员是否离开了危险区域,或者何时离开了危险区域；兵器测试中需要知道炮弹或者导弹何时离开发射装置，何时经过预定弹道上的某一位置等等。所有的这些光电探测器又被称为安全光幕、区截装置、天幕靶、光幕靶等。

其中，天幕靶就是一种兵器和工业靶场常见的光电探测仪器，经常被用来作为区截装置进行目标飞行速度的测试、弹箭发射或者着靶时刻的测量。天幕靶由光学组件、光电传感器、信号处理电路及支撑结构部件等组成。野外使用时，天幕靶常常以明亮天空为背景，其探测视场是具有一定厚度的扇形，目标穿越视场引起的光通量变化被转化成数字脉冲输出，用脉冲的边沿表示运动目标穿越视场扇面的时刻。

然而，基于目前技术所制造的天幕靶存在以下缺陷:1、由于光幕具有一定的厚度，弹丸有一定的长度，当被测目标穿过光幕时，从目标头部进入光幕到尾部飞离光幕，在产生的脉冲上会持续一段时间，该时间的长度取决于光幕的厚度，目标速度和目标的特征长度，短的会持续几微妙，长的有几百微秒甚至几百毫秒。从信号分析的角度出发，在输出信号脉冲上如何提取目标到达预定幕面的特征时刻点一直是一个难题。再者，由于被测试目标距离探测器的远近不一样，加上探测器光学对焦误差，以及光学系统的景深变化影响，被测目标成像的清晰范围也就存在差异，使得对应产生的电信号脉冲特征时刻的判定更加困难。3、灵敏度和精度矛盾：为了提高时刻的判定精度，原理上，减小狭缝宽度，使光幕更薄，产生的脉冲宽度更窄是可行的；但缝宽减少，探测灵敏度会显著降低。因此从改变光幕厚度出发提高时刻判定精度是不可行的。4、 环境光的干扰：现有技术的设备对于环境光的变化具有高度的敏感性，发射装置产生的火光、急剧的天空亮度变化、被测试目标曳光等极易导致仪器工作故障乃至失效。

发明内容

本发明的目的是提供一种运动目标的差分式光电探测方法及其装置，解决现有技术中光电探测器对运动目标的特征时刻识别立差、精度不高，环境适应力差等缺点。

本发明采用的技术方案是 ：

一种运动目标的差分式光电探测方法，应用光学对称的两个或者两个以上的探测视场形成差分结构，通过探测所述两个或者两个以上探测视场光通量的相对变化，计算被测运动目标达到预定空间位置的精确时刻。

进一步的，利用对称的双光幕结构，当被测运动目标先后通过两个光幕时，采用差分模式探测对称的两个幕面上光通量的变化，输出两个相位相反脉冲信号，这两个脉冲信号的过零点就是被测运动目标穿过探测视场的特征时刻。

一种差分式光电探测装置，包括探测器镜头，光阑狭缝，在光阑狭缝下沿所述探测器镜头的光轴对称布置两排或者两排以上完全一致的阵列光通量变化敏感器件。

进一步的，在每两排阵列光通量变化敏感器件之间设置有隔离盲区。

进一步的，所述的阵列光通量变化敏感器件为光电二极管差分阵列。

进一步的，所述的阵列光通量变化敏感器件为可以传输光的光纤阵列，光纤阵列两端连接两个独立的光电二极管。