專利名稱：基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，屬于光電信號檢 測領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在光信號檢測中，檢測性能的優(yōu)劣很大程度上取決于檢測時間的長短以及檢測準(zhǔn) 確度的大小。寬的視場角，能夠獲得大的檢測范圍，從而節(jié)省掃描時間，降低檢測時間的消 耗；但是同時，寬的視場范圍內(nèi)的噪聲也被引入，導(dǎo)致整體的檢測信噪比下降，檢測的準(zhǔn)確 度降低。因此，如何在獲得寬的檢測視場角的同時，并很好的去除復(fù)雜背景噪聲，在光信號 檢測中是至關(guān)重要的。但是，通常情況下，檢測時間與檢測準(zhǔn)確度是彼此矛盾的增加檢測 時間，能夠增加檢測的準(zhǔn)確度；而減少檢測時間，又會導(dǎo)致檢測準(zhǔn)確度的下降。在無線光通信領(lǐng)域，要進行數(shù)據(jù)的傳輸，最根本的要求是具有可靠的通信鏈路，其 首要條件是收發(fā)雙方的光束彼此對準(zhǔn)，并在整個通信過程中保持穩(wěn)定。然而，空間無線信道 極易受外界環(huán)境影響(雨、雪、霧、風(fēng)等)，而且激光光束很窄，傳輸距離又較長，激光信號衰 減嚴(yán)重，使激光的捕獲非常困難。目前，在無線光通信捕獲中，常采用的方案是基于普通小 視場鏡頭的掃描捕獲方式。這種情況下，為了對較大的空間范圍進行捕獲，必須進行較長時 間的掃描，這很大程度上影響了捕獲跟蹤的性能。近年來，單純的點對點無線光通信已經(jīng)開始向無線光網(wǎng)絡(luò)方向發(fā)展。對于點到多 點的星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于空間中的用戶節(jié)點可能在空間的任意位置與主節(jié)點建立光鏈 路，因此，如果主節(jié)點配置一個寬視場的光信號捕獲系統(tǒng)“凝視”捕獲周圍用戶節(jié)點的掃描 光信號，這樣就有利于實現(xiàn)空間任意用戶節(jié)點間與主節(jié)點間光鏈路的自動建立。為了達到 寬視場的捕獲光學(xué)系統(tǒng)，可以使用多個捕獲單元構(gòu)成寬視場，但是這樣會使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜， 成本增加，不利于網(wǎng)絡(luò)的擴展。因此使用寬視場的廣角鏡頭(比如魚眼鏡頭等)進行光信 號的捕獲是一個很好的選擇。但是，這樣做的話也會帶來大的背景噪聲，導(dǎo)致接收信噪比下 降，對用戶節(jié)點的捕獲準(zhǔn)確度下降，虛警概率增大。對于激光預(yù)警系統(tǒng)，主要包括本體、光感應(yīng)系統(tǒng)以及警示系統(tǒng)三個部分。其中光感 應(yīng)系統(tǒng)用來檢測空間中任意方向的入射激光信號，它對接受光信號的信噪比要求很高，而 且需要檢測很大的空間范圍。要得到寬的檢測范圍，可以使用掃描的方式，但是這樣就帶來 了檢測時間的增加。也可以使用寬視場的廣角鏡頭，但是這樣會帶來較大的背景噪聲，導(dǎo)致 接收信噪比下降，虛警概率增大，檢測準(zhǔn)確度受限。通常情況下，從成本和復(fù)雜性的角度考慮，為了降低掃描時間，可以使用寬視場角 的廣角鏡頭。但是，由此帶來的背景噪聲也大大提高了，而信號光強度卻非常微弱，接收信 噪比很低，從而導(dǎo)致準(zhǔn)確度受到很大的影響。為了抑制背景噪聲，傳統(tǒng)方案中采用干涉濾光 片作為濾光器來濾除背景噪聲。但是，干涉濾光片的視場角較小，只對近光軸的光線濾光效 果較好，而對偏離光軸光線的濾光性能下降，表現(xiàn)為濾光帶寬增加，透射率減小。因此，對 于寬視場的廣角鏡頭捕獲系統(tǒng)，由于廣角鏡頭的接收光線與濾光器光軸的夾角可以達到很大，干涉濾光片的濾光性能受限，影響了寬視場的捕獲性能。如何更好的處理檢測時間和檢測準(zhǔn)確度一直沒有較好的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有光信號檢測系統(tǒng)的不足，本發(fā)明提出了結(jié)合廣角鏡 頭和原子濾光器的光信號檢測方案，以實現(xiàn)在檢測微弱的光信號時，既有較大的視場范圍， 又能夠很好的消除噪聲，從而達到降低檢測時間和提高檢測準(zhǔn)確度的目的。本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案本發(fā)明包括沿光的傳播方向依次布置的廣角鏡頭、 原子濾光器和光電傳感器。所述廣角鏡頭為視場角達到60°以上的寬視場鏡頭或魚眼鏡頭。所述原子濾光器為法拉第型原子濾光器或佛克脫型原子濾光器。所述光電傳感器為CMOS或CCD圖像傳感器或通用光電傳感器。本發(fā)明結(jié)合廣角透鏡和原子濾光器，不僅能夠具有較大的檢測視場角，從而減少 檢測時間，同時還有效地減小系統(tǒng)的背景噪聲，達到了更高的檢測準(zhǔn)確度。相對于現(xiàn)有技術(shù)而言，本發(fā)明的效果和優(yōu)點是1)廣角鏡頭的視場角大，易于實現(xiàn)寬視場范圍的檢測，相對于傳統(tǒng)的空間掃描方 案，減少了系統(tǒng)捕獲的時間，并降低了軟硬件成本。2)原子濾光器具有濾波帶寬極窄的特點，可以有效抑制背景噪聲的影響，從而確 保檢測的準(zhǔn)確度不會由于視場角的增大而降低。3)現(xiàn)在的光電傳感器靈敏度越來越高，能夠有利實現(xiàn)快速的光信號檢測。4)整套方案復(fù)雜度小，結(jié)構(gòu)清晰，操作方便，減少了檢測時間，并且提高了檢測精度。


圖1為基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測結(jié)構(gòu)框圖；圖2為無線光通信中基于廣角透鏡和原子濾光器的光信號捕獲工作原理圖；圖中1、廣角鏡頭，2、原子濾光器，3、光電傳感器。
具體實施例方式為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實 施方式對本發(fā)明作進一步詳細的說明。本發(fā)明將廣角鏡頭和原子濾光器結(jié)合起來實現(xiàn)寬視場的快速光信號檢測，可在較 大的空間范圍內(nèi)搜索目標(biāo)，完成光信號的準(zhǔn)確檢測，同時還可在無線光通信中用于寬視場 的光電接收。在此發(fā)明中，利用廣角鏡頭的寬視場特性獲得較大的檢測范圍，從而省去掃描 時間，不僅簡化了系統(tǒng)軟硬件結(jié)構(gòu)，同時也減少了時間的花銷。但是廣角鏡頭的引入，勢必 會增加背景噪聲，為此，使用原子濾光器，利用其超窄帶寬特性濾除由寬視場引入的大背景 噪聲，使得在強的背景噪聲條件下，檢測系統(tǒng)仍能獲得較高的信噪比，保證了對弱的光信號 的準(zhǔn)確檢測。并且，隨著半導(dǎo)體工藝的提高，光電傳感器的靈敏度得到大大提高，可以提高 檢測精度以及降低檢測功耗。這些特性使得該發(fā)明能夠在寬的視場范圍內(nèi)有效地檢測弱的光信號。由圖1可知，本發(fā)明包括沿光的傳播方向依次布置的廣角鏡頭1、原子濾光器2和 光電傳感器三個部分。廣角鏡頭1可以是一般的寬視場鏡頭(一般60°以上)以及超寬 視場的魚眼鏡頭(一般180°以上)等，原子濾光器2可以為FADAOF(法拉第型原子濾光 器)、VAD0F (佛克脫型原子濾光器)等，光電傳感器3包括CM0S、(XD圖像傳感器以及通用 光電檢測傳感器。具體工作原理是寬視場范圍內(nèi)的信號光，由廣角鏡頭收集，然后經(jīng)過原 子濾光器后由光電傳感器接收轉(zhuǎn)化為電信號。這樣，既能實現(xiàn)寬視場范圍的檢測，又可以保 證較高的準(zhǔn)確度。圖2是以無光通信系統(tǒng)中光信號的捕獲為例說明此發(fā)明在五項光通信的光信號 捕獲中的工作原理，其中虛線部分是本發(fā)明的核心部分，整個捕獲過程，首先用戶節(jié)點向主 節(jié)點發(fā)射一束信標(biāo)光，接收方ATP系統(tǒng)將計算出傳感器上探測到的信標(biāo)光光斑的位置，然 后將得到的光斑位置轉(zhuǎn)化為空間角度，去控制伺服系統(tǒng)從而實現(xiàn)光鏈路的建立。具體工作 流程如下1)用戶發(fā)射信標(biāo)光；2)主節(jié)點利用廣角透鏡接收寬視場范圍內(nèi)的用戶信標(biāo)光以及背景噪聲等；3)接收到的信號經(jīng)過原子濾光器，進行濾光處理；4)通過濾光處理后的信號在圖像傳感器上成像；5)通過閾值比較，判斷是否有用戶信標(biāo)光到達。如果沒有，則繼續(xù)接收；如果有， 則進行進一步處理；6)在確定接收到用戶信標(biāo)光后，進行成像光斑定位，然后計算用戶節(jié)點的位置；7)伺服系統(tǒng)向用戶節(jié)點回饋激光信號，從而建立激光通信鏈路。在實際應(yīng)用中，廣角鏡頭的選擇由檢測范圍的要求決定，比如一般的廣角鏡頭視 場角都達到了 60°以上，而超寬視場的魚眼鏡頭更是達到180°，如果需要檢測視場范圍 很大，就可以選擇超寬視場的魚眼鏡頭。而原子濾光器也有FADAOF (法拉第型原子濾光器) 和VADOF(佛克脫型原子濾光器)等，彼此特性不同，比如FADOF由于超窄帶寬、高透射率、 透射波長無偏移等特點在濾波、穩(wěn)頻、鑒頻等方面應(yīng)用較多；而VADOF由于其具有高透過 率、窄帶寬和高噪聲抑制比等優(yōu)點目前被廣泛地應(yīng)用于激光雷達、空間及衛(wèi)星光通信等領(lǐng) 域。在光電傳感器的選擇中，隨著現(xiàn)在半導(dǎo)體工藝的提高，CCD和CMOS圖像傳感器都很好， 實際中可以按照對面陣大小，成像質(zhì)量，成像速度等方面進行選擇；通用的光電檢測傳感器 的靈敏度也越來越高，實際中可以根據(jù)檢測靈敏度的要求以及功耗等方面進行選擇。以上對本發(fā)明所提供的一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)進行 詳細介紹，本文中應(yīng)用了具體實施例對本發(fā)明的原理及實施方式進行了闡述，以上實施例 的說明只是用于幫助理解本發(fā)明的方法及其核心思想；同時，對于本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員， 依據(jù)本發(fā)明的思想，在具體實施方式
及應(yīng)用范圍上均會有改變之處。綜上所述，本說明書內(nèi) 容不應(yīng)理解為對本發(fā)明的限制。
權(quán)利要求
1.一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，其特征在于，包括沿光的傳播 方向依次布置的廣角鏡頭、原子濾光器和光電傳感器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述廣角鏡頭為視場角達到60°以上的寬視場鏡頭或魚眼鏡頭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述原子濾光器為法拉第型原子濾光器或佛克脫型原子濾光器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，其特征 在于，所述光電傳感器為CMOS或CCD圖像傳感器、或通用光電檢測傳感器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于廣角鏡頭和原子濾光器的光信號檢測系統(tǒng)，屬于光電信號檢測領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括沿光的傳播方向依次布置的廣角鏡頭、原子濾光器和光電傳感器。廣角鏡頭為視場角達到60°以上的寬視場鏡頭或魚眼鏡頭。原子濾光器為法拉第型原子濾光器或佛克脫型原子濾光器。光電傳感器為CMOS或CCD等高成像質(zhì)量圖像傳感器或常用光電檢測傳感器。本發(fā)明中的廣角鏡頭視場角大，易于實現(xiàn)寬視場范圍的檢測，減少了系統(tǒng)捕獲的時間，并降低了軟硬件成本。原子濾光器具有濾波帶寬極窄的特點，可以有效抑制背景噪聲的影響，從而確保檢測的準(zhǔn)確度不會由于視場角的增大而降低。本發(fā)明復(fù)雜度小，結(jié)構(gòu)清晰，操作方便，減少了檢測時間，提高了檢測精度。
文檔編號G01J1/04GK102142896SQ201110070220
公開日2011年8月3日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者劉璐, 周喆颋, 涂波 申請人:北京大學(xué)