便携式通信测距成像一体化光学装置及目标测距方法

1.本技术涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种便携式通信测距成像一体化光学装置及测距方法。


背景技术：

2.信息是人类活动和社会发展的载体，通信信息、位置信息、距离信息及图像信息作为最基本的信息，其获取、处理和传输极为重要。现有技术中存在通信定位终端和望远成像终端进行集成的技术，然而本质为无线电通信终端，其保密性不好，无法在无线电静默和电磁强干扰环境下使用；最为重要的是不具备可见光望远和成像功能，使用者无法通过双眼清晰的观察视线以外的目标感知、无法对目标成像，从而无法很好的完成态势感知。在便携式方面，当前大气激光通信为了实现对准，采用跟瞄终端，但该方式使得终端体积重量较大，无法实现手持式、穿戴式应用。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术中的至少一个不足，本技术提供一种便携式通信测距成像一体化光学装置及测距方法。
4.第一方面，提供一种便携式通信测距成像一体化光学装置，包括：可见光望远单元、红外发射单元、红外接收单元、信号处理单元和成像扩展组件；可见光望远单元用于实现可见光望远，红外发射单元用于实现红外光速的发射，红外接收单元用于实现红外光束的接收，信号处理单元用于实现目标的测距，成像扩展组件用于实现目标成像。
5.在一个实施例中，可见光望远单元包括第一望远镜筒单元和第二望远镜筒单元，第一望远镜筒单元包括第一镜筒，第一镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第一物镜组、第一二向色镜、第一棱镜组、分束镜和第一目镜组；第二望远镜筒单元包括第二镜筒，第二镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第二物镜组、第二二向色镜、第二棱镜组和第二目镜组。
6.在一个实施例中，红外发射单元包括信号调制单元、恒流驱动单元、光源、缩束镜、反射镜、第一二向色镜和第一物镜组，红外接收单元包括第二物镜组、第二二向色镜、热反镜、缩束镜、滤光片、探测器和信号接收电路。
7.在一个实施例中，信号处理单元包括信号处理器、采样模组、增益模组和gnss模组。
8.在一个实施例中，成像扩展组件包图像传感器、图像处理器及图像显示模组。
9.在一个实施例中，信号处理单元用于实现目标的测距，包括：
10.记录终端a向终端b首次发送光信号的gnss时间信息t1和脉冲计数；光信号中带有gnss时间信息t1和脉冲计数；
11.获取终端b向终端a发送的光信号中的gnss时间信息t1
′
和脉冲计数；
12.计算终端a首次发送光信号的gnss时间信息t1，与第n次接收到终端b发送的光信
号中的gnss时间信息tn
′
的差值，将差值与光速相乘再除以n，得到终端a和终端b之间的距离。
13.第二方面，提供一种目标测距方法，包括：
14.步骤1，终端a向终端b发射光信号，并记录首次发送光信号的gnss时间信息和脉冲计数；光信号中带有gnss时间信息t1和脉冲计数；
15.步骤2，终端b接收到终端a发送的光信号后，将接收到的光信号发送至终端a，发送的光信号中带有此时的gnss时间信息t1
′
和此时的脉冲计数，此时的脉冲计数在接收到的光信号的脉冲计数的基础上加1；
16.步骤3，重复n次步骤1～步骤2的过程，计算终端a首次发送光信号的gnss时间信息t1，与第n次接收到终端b发送的光信号中的gnss时间信息tn
′
的差值，将差值与光速相乘再除以n，得到终端a和终端b之间的距离。
17.相对于现有技术而言，本技术具有以下有益效果：
18.1、本技术填补了基于光载波的通信测距和可见光望远成像一体化系统的空白，实现了“看得见”的同时“通的上”、“测的准”。传统的通信设备、望远设备、成像设备相互独立，需要携带至少两套设备。本技术将多系统一体化集成，基于光机结构的合理设计、部组件合理复用、测距帧合理设计实现了对视距内和视距外目标的放大、通信、定位、测距、测速及成像，即可实时实现对目标图像获取、位置信息获取、实时通信和传输，特别适合单兵装备、户外探险、抢险救灾、准确位置实施精准打击、信息高保密传递等应用。
19.2、本技术决了终端轻量化、小型化问题。本技术省去了专门的瞄准终端、独立的信标光、测距所需专门的硬件，特别适合手持式、头戴式等便携式应用场景。另外，系统通过可见光发散角和红外发散角及探测器视场角的合理融合设计，基于可见光和红外光共前端光学系统方案将光机结构、物镜组、棱镜组、分光镜等复用，减少了所需元器件数量、减小了光学系统长度。最后，将测距信息帧填充到通信帧中，基于通信信号的多次往返传输实现测距，无需专门设置硬件电路和光电探测器。上述三个途径大幅缩减了系统体积和重量，将原本几十公斤的终端压缩到只有一公斤以内，可实现终端的便携式应用。
附图说明
20.本技术可以通过参考下文中结合附图所给出的描述而得到更好的理解，附图连同下面的详细说明一起包含在本说明书中并且形成本说明书的一部分。在附图中：
21.图1示出了根据本技术实施例的便携式通信测距成像一体化光学装置的结构示意图；
22.图2示出了根据本技术实施例的红外发射单元的结构示意图；
23.图3示出了根据本技术实施例的红外接收单元的结构示意图；
24.图4示出了根据本技术实施例的信号处理单元和接口单元的结构示意图。
具体实施方式
25.在下文中将结合附图对本技术的示例性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施例的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中可以做出很多特定于实施例的决定，以便实现开发人员的具体目标，并且这些决
定可能会随着实施例的不同而有所改变。
26.在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本技术，在附图中仅仅示出了与根据本技术的方案密切相关的装置结构，而省略了与本技术关系不大的其他细节。
27.应理解的是，本技术并不会由于如下参照附图的描述而只限于所描述的实施形式。在本文中，在可行的情况下，实施例可以相互组合、不同实施例之间的特征替换或借用、在一个实施例中省略一个或多个特征。
28.本技术提供一种便携式通信测距成像一体化光学装置，在多个观察者进行通信的过程中，每个观察者手持一个无线光通信装置，或者将无线光通信装置穿戴于头上，每两个观察者携带的两个无线光通信装置相互配对，相互配对的两个观察者相距一定距离(该距离可动态变化)在运动中实现信息的传输，可实现无线通信、测距以及可见光望远和成像。多个装置之间通过多址复用技术实现组网通信，多址复用技术可选择码分多址(cdma)、波分多址(wdma)、时分多址(tdma)中的一种和多种。
29.本技术所提及的便携式光学终端是集成了光通信、测距、望远及成像一体化的便携式终端，可实现业务数据的收发、语音通信、gnss信息、测距、测速及可视目标搜索。其在在抗灾救险、战场态势感知、电磁静默条件下保密通信、电磁干扰环境下高可靠通信、户外作业和探险等方面有着重要应用。其具体应用举例如下：
30.(1)抗灾抢险
31.在地震、塌方及台风等自然灾害条件下，灾害的现场图像、灾害面积、地理坐标及通信保障极为重要，这将为科学决策、快速救险提供重要支撑！传统的救险单兵装备(如对讲机、望远镜、光学测距仪及导航终端等)分别独立，对于上述场景无法提供全面高效的现场数据。以2008年汶川大地震为例，该便携式光学终端由现场人员或救灾人员在现场可拍摄现场照片并标记地理坐标和区域大小后，经过自带的无线光信号传输到后方指挥部，可有效打破震中灾区的“信息孤岛”。
32.(2)战场态势感知
33.战场中对于视距之外的态势信息的高准确获取和实时传输极为重要。该光学终端具有可见光望远和成像及数据传输功能，可保证对目标的目视和成像以及图像的传输，实现“可见即可拍可传”，为战场态势获取、数据传输、后方决策提供准确依据。
34.(3)电子战和特种电磁场景下可靠和保密通信
35.电子对抗主要发生再两个频段：通信频段(3khz～300ghz)和雷达频段(30mhz～300ghz)，而便携式光学终端基于光波进行数据收发，其光波频率远超该频段，电子战对光波频段无法造成有效干扰，从而实现了可靠通信。电磁静默条件下，无线电通信设备无法进行信号发送，传统的射频/微波通信将无法有效建通信链路，相对而言，该便携式光学终端的将不受电磁静默限制，可实现保密通信。
36.(4)户外作业和探险
37.再户外作业和探险等领域同样也有广泛的应用。可取代目前的对讲机、望远镜及定位设备等分散的设备。作业和探险人员只需要携带一具该设备，即可实现对作业和探险区域的远望以及成像，可实时掌控现场情况。
38.图1示出了根据本技术实施例的便携式通信测距成像一体化光学装置的结构示意
图，参见图1，装置包括：可见光望远单元、红外发射单元、红外接收单元、信号处理单元、成像扩展组件和接口单元。以下对各个模块的具体结构以及实现功能进行详细介绍。
39.可见光望远单元包括第一望远镜筒单元和第二望远镜筒单元，第一望远镜筒单元包括第一镜筒，第一镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第一物镜组、第一二向色镜、第一棱镜组、分束镜和第一目镜组；第二望远镜筒单元包括第二镜筒，第二镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第二物镜组、第二二向色镜、第二棱镜组和第二目镜组。
40.这里，第一望远镜筒单元与第二望远镜筒单元的结构区别在于设置了分束镜，目的在于将光线反射至成像扩展组件。物镜组、棱镜组和目镜组实现了观测目标一定倍数放大和系统视场角。该实施例中，实现了目标放大倍数为7倍，视场角为6
°
，信号光波长为1550nm。棱镜组中的棱镜采用别汗棱镜屋脊，实现影像的180
°
旋转，采用别汗棱镜屋脊使得结构紧凑，可缩短光学镜筒的长度，有助于小型化轻量化。二向色镜基于膜系设计，实现对波长小于1545nm的光信号全透射(效率≥90％)，第一二向色镜透射的光信号进入第一棱镜组、第一目镜组，第二二向色镜透射的光信号进入第二棱镜组、第二目镜组，实现了可见光望远；第二二向色镜对波长大于1545nm的光信号全反射(效率≥90％)，反射的光进入红外接收单元。分束镜将进入目镜组前的光束一分为二，以分别供可见光望远和成像，该单元实现可见光望远、可见光成像，并为红外信号提供接收通道。
41.图2示出了根据本技术实施例的红外发射单元的结构示意图，参见图2，红外发射单元包括信号调制单元、恒流驱动单元、光源、缩束镜、反射镜、第一二向色镜和第一物镜组，红外发射单元和第一望远镜筒单元共用第一物镜组。这里，红外发射单元用于实现电光转换和红外光信号的缩束和发射。
42.恒流驱动单元包括金氧半场效晶体管(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，mosfet)、驱动器和滤波电容；调制电路为mosfet开关电路，用于将信号处理器输出的业务数据信号调制到恒流驱动单元上，由业务数据信号实现对光源的“开关”控制。光源可以是发光二极管(led)或者激光二极管(ld)，考虑到人眼绝对安全、便携式终端续航等限制，其出瞳光功率被严格限制在10mw以下。第一物镜组和缩束镜实现红外光束整形和并按照一定的发散角发射到反射镜口径内，以充分利用光功率，该发散角的选取与光功率、最远通信距离等直接有关，可将红外光束发散角设计为1
°
～10
°
之间。反射镜将通信光信号反射到二向色镜，再经第一物镜发射，实现通信光束和望远光束的合束，合束后的光经由发射物镜缩小发散角后发射出去。红外发射单元安装在可见光离轴方向，不影响可见光望远和成像。
43.图3示出了根据本技术实施例的红外接收单元的结构示意图，参见图3，红外接收单元包括第二物镜组、第二二向色镜、热反镜、缩束镜、滤光片、探测器和信号接收电路。这里，红外接收单元实现了红外光束接收、缩束、光电转换、前置放大等功能。
44.光束经第二物镜组到达第二二向色镜，第二二向色镜对波长大于1545nm的光信号全反射(效率≥90％)，反射的光进入热反镜，在经过缩束镜、滤光片，被探测器接收。第二物镜组和缩束镜实现红外光束接收、整形，将接收的光斑直径缩束到1/2光敏面大小。为了提高信噪比，缩束镜上镀窄带滤光片，该窄带滤光片的中心波长为红外信号光波长，其带宽为
±
20nm。探测器可为红外波段的雪崩二极管(apd)探测器、光电探测器(pin)探测器，实现将接收到的红外光信号转换为微弱电信号，探测器光敏面尽可能的大以提高接收视场，本申
请选择了近红外波段的apd探测器，安装在可见光离轴方向，不影响可见光成像。信号接收电路包括跨阻放大器和环路补偿电路，跨阻放大器芯片选型为opa658，实现信号滤波和电流信号转换为电压信号并送入信号处理单元供下一步处理。
45.上述实施例中，红外接收单元和红外发射单元在物理空间上分别设置在第一望远镜筒单元与第二望远镜筒单元内，在物理空间上实现了收发隔离，保证了信噪比，可实现双向双工通信。
46.图4示出了根据本技术实施例的信号处理单元和接口单元的结构示意图，参见图4，信号处理单元包括信号处理器、采样模组、增益模组、gnss模组，信号处理器还包括存储模组，模数转换器等。
47.信号处理器可以选择xilinx公司的zynq7030，实现自适应放大、基带数据提取、地理位置信息获取、测距等；增益模组实现对放大器放大倍数自动调节，放大后的电信号送入采样模组(型号为ad9629)，实现了对模拟电信号的采集、自适应放大、均值提取及二值化处理，实现数据的“0”和“1”逻辑判断，以便信号处理器提取基带数据。信号处理单元中配置了gnss模组，以gnss模组(型号为um220)为例，可实现定位精度2m、测速精度0.1m/s；gnss模组输出经纬度和高程信息，信号处理单元对该信息进行数据处理，可获取速度信息、姿态信息提取。针对测距需求，在协议中增加测量信息帧，本地发送的测量信息帧中带有发送脉冲计数、接收脉冲计数、gnss时间信息经过n次的传递后，gnss插值即为光信号的飞行时间，可进一步算的通信两端的距离。存储模组用于存储信号处理器输出的业务数据、语音数据、地理位置信息等，实现数据的本地保存。另外，为了提升信噪比，提高通信距离，信号处理器的软件中设计了rs纠错码。
48.接口单元包括语音模块、网络模块、usb模块以及状态指示灯、太阳能电池、麦克/耳机。这里，语音模块可以采用wt2003hb01，集成了音频adc采集和dac播放以及耳机驱动，可实现对麦克语音信号采集、耳机播放。本实施例装置的外壳上装有太阳能电池，可实现对设备的供电，适合户外使用。本技术设计了人机接口以方便收发双方快速对准和通信，接收信号强度的变化趋势同时以蜂鸣音和指示灯闪烁频率进行提醒。网络模块可以采用ksz9031rnx芯片，该芯片兼容1000m/100m速率，mac部分由信号处理器内核完成，使得该终端可当作网络设备，实现以太网数据的收发，非常适合极端环境下无法布设网线、实时对讲等场景下使用，如抗险救灾、最后一公里通信等实现与其他通信设备并网或者离线的应用。
49.成像扩展组件包括图像传感器、图像处理器及图像显示模组等，第一望远镜筒单元中的分束镜为半反半透镜，安装在第一棱镜组和第一目镜组之间，其将光束一分为二，实现了望远镜光路与成像扩展组件的光路有机结合在一起。根据图像传感器探测器面积选取合适的聚光镜，使得望远镜视场与成像扩展组件的视场完全一致，实现了“所见即所拍”。望远镜与拍摄互不影响，可同时进行，望远镜与成像扩展组件自然联动，无需专门联动机构。
50.具体的，第一镜筒上留有c型接口或者cs接口，以便成像扩展组件的拆卸和安装。值得说明的是，该成像扩展组件亦可采用现有市面上常见的工业相机，实现对图像的采集处理及显示。示例中选择大恒图像mer2-507-23gc工业相机，其分辨率为2592
×
1944、帧频23fs。
51.综上，本技术的便携式通信测距成像一体化光学装置，可在1m～5km距离上自动实现语音通信、网络通信、测距、地理信息获取、测速及可见光望远和成像，无需使用人员携带
多个设备和额外操作。
52.当使用人员按下便携式通信测距成像一体化光学装置(也可称为终端)上的测距按键后，装置将工作在测距模式下，此时红外发射单元发射的光信号为频率固定的周期性脉冲，在测距模式下，光信号的协议帧格式中带有测量信息，测量信息包括gnss时间信息、发射脉冲计数、接收脉冲计数等。具体测距方法，包括以下步骤：
53.步骤1，终端a向终端b发射光信号，并记录首次发送光信号的gnss时间信息和脉冲计数；光信号中带有gnss时间信息t1和脉冲计数。这里，为防止接收端收不到信号，终端a将持续将包含gnss时间信息记录和脉冲计数的协议帧发送出去。
54.步骤2，终端b接收到终端a发送的光信号后，将接收到的光信号发送至终端a，发送的光信号中带有此时的gnss时间信息t1
′
和此时的脉冲计数，此时的脉冲计数在接收到的光信号的脉冲计数的基础上加1；
55.步骤3，重复n次步骤1～步骤2的过程，计算终端a首次发送光信号的gnss时间信息t1，与第n次接收到终端b发送的光信号中的gnss时间信息tn
′
的差值，将差值与光速相乘再除以n，得到终端a和终端b之间的距离。这里，终端a根据脉冲计数确定光信号的发送次数，根据接收到的光信号中的脉冲计数确定光信号的接收次数。
56.综上，本技术具有以下技术效果：
57.1、本技术将可见光望远、可见光成像、光通信和测距一体化集成，可作为普通望远镜使用，实现可见光望远；可当数码相机使用，实现对拍摄图形显示和存储；可作为通信和测距设备使用，实现看到目标的同时进行高保密通信和测距。
58.2、本技术无频谱资源使用限制，光波载体带宽大，能容纳更多的信道，且不受电磁频谱限制，无需申请即可使用；
59.3、本技术抗干扰能力强，光波载体频段远高于电磁干扰频段，特别适合复杂电磁环境下的数据传输和无线电静默条件下高保密通信。
60.4、本技术通信、导航、遥感一体化集成，具有光通信、可见光望远成像、位置和距离及速度信息获取等功能，能提供空间多维信息，非常适合用在态势感知、特种通信等领域。
61.以上所述，仅为本技术的各种实施方式，但本技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本技术揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本技术的保护范围之内。因此，本技术的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

技术特征：
1.一种便携式通信测距成像一体化光学装置，其特征在于，包括：可见光望远单元、红外发射单元、红外接收单元、信号处理单元和成像扩展组件；所述可见光望远单元用于实现可见光望远，所述红外发射单元用于实现红外光速的发射，所述红外接收单元用于实现红外光束的接收，所述信号处理单元用于实现目标的测距，所述成像扩展组件用于实现目标成像。2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述可见光望远单元包括第一望远镜筒单元和第二望远镜筒单元，所述第一望远镜筒单元包括第一镜筒，所述第一镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第一物镜组、第一二向色镜、第一棱镜组、分束镜和第一目镜组；所述第二望远镜筒单元包括第二镜筒，所述第二镜筒内沿可见光传播方向依次设置有第二物镜组、第二二向色镜、第二棱镜组和第二目镜组。3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述红外发射单元包括信号调制单元、恒流驱动单元、光源、缩束镜、反射镜、第一二向色镜和第一物镜组，所述红外接收单元包括第二物镜组、第二二向色镜、热反镜、缩束镜、滤光片、探测器和信号接收电路。4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元包括信号处理器、采样模组、增益模组和gnss模组。5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述成像扩展组件包图像传感器、图像处理器及图像显示模组。6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号处理单元用于实现目标的测距，包括：记录终端a向终端b首次发送光信号的gnss时间信息t1和脉冲计数；所述光信号中带有gnss时间信息t1和脉冲计数；获取终端b向终端a发送的光信号中的gnss时间信息t1
′
和脉冲计数；计算终端a首次发送光信号的gnss时间信息t1，与第n次接收到终端b发送的光信号中的gnss时间信息tn
′
的差值，将所述差值与光速相乘再除以n，得到终端a和终端b之间的距离。7.一种目标测距方法，其特征在于，包括：步骤1，终端a向终端b发射光信号，并记录首次发送光信号的gnss时间信息和脉冲计数；所述光信号中带有gnss时间信息t1和脉冲计数；步骤2，终端b接收到终端a发送的光信号后，将接收到的光信号发送至终端a，发送的光信号中带有此时的gnss时间信息t1
′
和此时的脉冲计数，所述此时的脉冲计数在接收到的光信号的脉冲计数的基础上加1；步骤3，重复n次步骤1～步骤2的过程，计算终端a首次发送光信号的gnss时间信息t1，与第n次接收到终端b发送的光信号中的gnss时间信息tn
′
的差值，将所述差值与光速相乘再除以n，得到终端a和终端b之间的距离。

技术总结
本申请涉及一种便携式通信测距成像一体化光学装置及目标测距方法，装置包括：可见光望远单元、红外发射单元、红外接收单元、信号处理单元和成像扩展组件；所述可见光望远单元用于实现可见光望远，所述红外发射单元用于实现红外光速的发射，所述红外接收单元用于实现红外光束的接收，所述信号处理单元用于实现目标的测距，所述成像扩展组件用于实现目标成像。本申请通信、导航、遥感一体化集成，具有光通信、可见光望远成像、位置和距离及速度信息获取等功能，能提供空间多维信息，非常适合用在态势感知、特种通信等领域。特种通信等领域。特种通信等领域。


技术研发人员：郑运强 汪伟 贺元晨 聂文超 魏森涛 李鹏 白兆峰 谢小平
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20