專利名稱：輻射性事件的光學檢測的制作方法
輻射性事件的光學檢測
背景技術(shù)：
能夠檢測和跟蹤輻射性事件，例如炮火、火箭推進式榴彈(RPG)以及來自人造拋光表面太陽反光的光學傳感器封裝被廣泛用于軍事。帶有這種能力的光學傳感器封裝也具有民用用途。當前的傳感器封裝使用平的焦平面陣列跟蹤輻射性事件。焦平面陣列按照直角坐標描述輻射性事件。不過輻射性事件最好按照球坐標描述。當前傳感器封裝未能有效地捕捉按照球坐標的輻射性事·件。當前傳感器封裝也使用掃描裝置，來獲得寬范圍視野和寬范圍仰角。由于孔徑尺寸和云臺單元需要移動傳感器來搜索感興趣區(qū)域，這些傳感器封裝大且笨重。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本文的實施例，一種方法包括利用相干光纖陣列來光學檢測輻射性事件。相干光纖陣列具有圓頂狀檢測表面和平面輸出表面。來自輻射性事件的光能在圓頂狀檢測表面被檢測到并被傳輸?shù)捷敵霰砻?。當將來自圓頂狀檢測表面的光能傳輸?shù)狡矫孑敵霰砻鏁r，相干光纖陣列保持輻射性事件的方向性。根據(jù)本文的另一個實施例，光學檢測系統(tǒng)包括相干光纖陣列(CFA)，具有圓頂狀檢測表面和平面輸出表面。該CFA包括用于在檢測表面聚集光能和將聚集的光能傳輸?shù)捷敵霰砻娴亩喔饫w。該系統(tǒng)進一步包括用于創(chuàng)建CFA輸出表面圖像的焦平面陣列，以及用于處理圖像的處理器，所述處理圖像包括確定輻射性事件的形心。根據(jù)本文的另一個實施例，系統(tǒng)包括平臺，平臺包括頭盔、三腳架以及炮架中的一個；以及安裝到平臺上的光學探測器。光學探測器包括具有圓頂狀檢測表面和平面輸出表面的相干光纖陣列(CFA)。該CFA包括用于在檢測表面聚集光能并將聚集的光能傳輸?shù)捷敵霰砻娴亩喔鈱W纖維。該探測器進一步包括用于創(chuàng)建CFA輸出表面圖像的焦平面陣列。該系統(tǒng)也可以包括用于處理圖像的處理器，所述處理圖像包括確定輻射性事件形心的處理器。該系統(tǒng)也可以包括具有與特定類型福射性事件的標志特征(signature)相關(guān)的通帶的帶通濾光器。


圖I示出輻射性事件的視圖。圖2示出檢測輻射性事件的方法視圖。圖3示出相干光纖陣列的視圖。圖4示出包括相干光纖陣列和焦平面陣列的系統(tǒng)視圖。圖5示出跟蹤輻射性事件的方法視圖。圖6a和圖6b示出檢測輻射性事件的系統(tǒng)視圖。
具體實施方式
參考圖1，其示出輻射性事件100。輻射性事件100特征在于光能。其特征還在于輻射測量(與圖像分辨率形成對照)。作為一個例子，輻射性事件100可以是物體的發(fā)射，例如拋射物的發(fā)射。發(fā)射發(fā)生在起點，在那里產(chǎn)生輻射光能。在發(fā)射后，拋射物遵照軌道飛向目標。當拋射物朝其目標移動時，其繼續(xù)生成輻射光能。因此，輻射性事件100穿過目標空間移動。輻射性事件100的移動可以按照球坐標描述方位角(Θ )，仰角(Φ)和半徑(P )。半徑(P )是從起點到輻射性事件100在曲率中心或COC平面上的投影(C0C是定義球面的半徑參考的點)。仰角(Φ)是從固定天頂方向(Z)測量的角度，并且方位角(Θ )是投影在穿過起點的平面上的角度并從垂直于天頂(Z)的軸(X)測量?，F(xiàn)參考圖2，其示出光學檢測輻射性事件的方法視圖。在方框210，具有圓頂狀檢測表面的相干光纖陣列(CFA)用于檢測事件(參見圖3和圖4關(guān)于CFA的視圖)。在圓頂狀檢測表面檢測的光能被傳輸?shù)紺FA的平面輸出表面。 申請人:已經(jīng)意識到當將球面參考的光能傳輸?shù)狡矫孑敵霰砻鏁r，CFA保持輻射性事件的方向性(不像透鏡，CFA不向外傳播信息)。申請人還意識到，因為保持了方向性，特征，例如起點和輻射性事件的軌道能夠由焦平面陣列(FPA)確定。在方框220，焦平面陣列用于在CFA輸出表面創(chuàng)建光能圖像。焦平面陣列的每個像素被映射到相干光纖陣列的至少一根光纖(這允許方向性被保持)。在每根光纖視野FOV內(nèi)捕捉的光能被傳輸?shù)紽PA的一個像素。在方框230，處理圖像。該處理可以包括輻射性事件起點的確定。當輻射性事件在目標空間中移動時，該處理也可以包括跟蹤輻射性事件。跟蹤數(shù)據(jù)不僅可以包括輻射性事件的方位角和仰角，而且還可以包括速度和加速度。圖2的方法可以用于檢測不同類型的輻射性事件。三個例子，包括但不限于武器開火的檢測，火箭推進式槽彈(rocket-propelled grenade,即RPG)的檢測，以及來自人造拋光表面的太陽反光。圖2的方法可以用于檢測全部三個例子的起點。圖2的例子可以用于跟蹤RPG的移動和跟蹤目標空間中的拋光表面。跟在小拋射物后面的槍口閃光僅揭示槍口閃光。這樣的輻射性事件不會穿過目標空間移動。但是，RPG使用具有能夠穿過目標空間被跟蹤的福射測量標志特征的火箭推進劑。迫擊炮彈(mortar round)可以具有可探測出的紅外(IR)標志特征。從偏僻位置發(fā)射的導彈具有能夠被檢測和跟蹤的發(fā)射、推進以及燃燒的標志特征。另外參考圖3，其示出包括多個光纖束320的CFA 310示意圖。CFA 310具有被提取形成圓頂狀檢測表面340的圓柱狀芯330。該芯逐漸減小到平坦輸出表面350。在光纖束320 —端的平坦表面末端垂直于檢測表面340。在光纖束320另一端的平坦表面末端垂直于輸出表面350。作為結(jié)果,光纖束320被彎曲以便垂直于其各自的表面340和350。在檢測表面340上終結(jié)的每個光纖束320具有有限元數(shù)值孔徑(NA)，該有限元數(shù)值孔徑(finite numerical aperture)與光纖束320中芯和光纖的覆層之間的折射率差值相關(guān)。每個光纖束320的數(shù)值孔徑確定其自己的凝視視野(F0V)。凝視視野由角度α表示，其是仰角FOV的函數(shù)。在沒有使用任何萬向節(jié)系統(tǒng)或其它掃描裝置的情況下，光纖束320共同地提供寬方位角FOV (例如，360度方位角F0V)以及寬仰角FOV (例如，90到120度仰角 F0V)。
在圓頂狀檢測表面340和輸出表面350之間的尖錐形是顯而易見的。尖錐形長度也影響瞬時FOV (IFOV)的NA或?qū)ο蛄Ⅲw角(subtended solid angle),隨著尖錐形長度增加，變得越來越窄。在輸出表面350，數(shù)值孔徑基本上是統(tǒng)一的。在檢測表面340的光纖孔徑優(yōu)選地大于在輸出表面350的光纖孔徑。通過按比例縮小從檢測表面到輸出表面的光纖，許多光纖可以相互關(guān)聯(lián)到單一的FPA單元?？s放程度基于多根光纖/像素之間的權(quán)衡，該權(quán)衡根據(jù)每根光纖的IFOV而增加信號與角分辨率的比值(signal versus angularresolution)。在圖3中，僅示出五個光纖束320。不過在實踐中，CFA 310可以具有通常密集地捆扎成相同排列(例如，圓形)的數(shù)千個光纖束320。一般來說，CFA能夠采用很多種不同形式且其長度是數(shù)十米。不過對于本文的傳感器封裝，CFA 310長度可以僅是數(shù)十厘米。CFA 310不像透鏡那樣起作用且不聚焦能量到焦平面陣列上。更確切些，CFA 310的首要功能是傳輸能量，同時進行放大或不放大。
現(xiàn)參考圖4，其示出包括CFA 420和平坦焦平面陣列430的系統(tǒng)410。例如下面的例子，CFA 420具有以下尺寸檢測表面直徑是C=25. 64mm ;曲率半徑是R=18. 13mm ;以及從曲率中心到檢測表面440基線之間的軸距是D=12. 82mm。焦平面陣列430的每個像素被映射到CFA 420的至少一根光纖。在實踐中，可以有49或50根光纖映射到單一 FPA像素。由于每個FPA像素是數(shù)據(jù)從其提取以確定方位角和仰角的檢測裝置，所以每個FPA像素確定最小檢測角度。若每根光纖具有一毫拉德(mrad)IF0V,以及49根光纖(7X 7)填充一個FPA像素，那么FPA在任意一個方向的最小可辨別角度是7彖拉德。再一次參考圖I。CFA 420在檢測表面422上檢測輻射性事件100。CFA 420上的每根光纖傳輸光能到FPA的一個像素。讓X和y代表在FPA上的x方向和y方向的參考像素，讓Cx和Cy代表輻射性事件100的形心，以及讓dt代表巾貞速率(其是FPA生成并處理圖像的速度)?，F(xiàn)定義dx=Cx-x ；以及dy=Cy_y。福射性事件的方位角和仰角可以計算為方位角( )= tan | ^-1;以及
/ \仰角(Φ)=COS1 ,..........................j.................................-- O
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、如-+r +D- J 輻射性事件100的運動可以計算為
在X方向的速度=I;
dy
在y方向的速度=字；
dt在X方向的加速度似及
dt*在y方向的加速度=
權(quán)利要求
1.一種檢測輻射性事件的方法，所述方法包括利用具有圓頂狀檢測表面和平面輸出表面的相干光纖陣列光學檢測來自輻射性事件的光能，電磁輻射在圓頂狀檢測表面被檢測到并被傳輸?shù)狡矫孑敵霰砻?；其中當來自圓頂狀檢測表面的光能傳輸?shù)狡矫孑敵霰砻鏁r，相干光纖陣列保持輻射性事件的方向性。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其進一步包括利用焦平面陣列創(chuàng)建相干光纖陣列輸出表面的圖像；以及處理圖像來測量事件的球坐標。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述處理包括確定輻射性事件的形心。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述焦平面陣列的每個像素被映射到相干光纖陣列的至少一根光纖上。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中所述球坐標包括方位角(Θ)和仰角(Φ )。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其進一步包括在所述圓頂狀檢測表面和所述輸出表面中的一個過濾光能。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的方法，其中所述過濾被量身定做用于輻射性事件，所述事件是槍炮射擊、火箭推進式榴彈或來自拋光的人造表面的太陽反光之中的一個。
8.一種光學檢測系統(tǒng)，其包括 具有圓頂狀檢測表面和平坦輸出表面的相干光纖陣列(CFA)，所述CFA包括用于在檢測表面聚集光能并將聚集的光能傳輸?shù)捷敵霰砻娴亩喔饫w； 用于創(chuàng)建所述CFA輸出表面圖像的焦平面陣列；以及 用于處理圖像的處理器，所述處理圖像包括確定輻射性事件的形心。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述焦平面陣列的每個像素被映射到相干光纖陣列的至少一根光纖上。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述光纖的平坦表面末端垂直于檢測表面，所述每根光纖具有有限元數(shù)值孔徑，所述光纖共同提供360度方位角視野。
11.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，所述處理器計算輻射性事件的方位角(O)和仰角(Φ)。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述CFA的輸出表面粘合到焦平面陣列。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其中所述CFA的輸出表面通過微透鏡陣列光學耦合到焦平面陣列。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其進一步包括沉積在微透鏡陣列上的濾光器或沉積在檢測表面上的濾光器；其中所述濾光器被量身定做用于輻射性事件；所述事件從包括槍炮射擊、火箭推進式榴彈或來自拋光表面的太陽反光的組中選擇。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的系統(tǒng)，其進一步包括第二CFA，其中第一和第二 CFA用于檢測對具體輻射性事件是唯一的第一和第二頻帶，并且其中所述處理器處理在頻帶內(nèi)光能的圖像以確定具體輻射性事件的標志特征。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于光學檢測輻射性事件的相干光纖陣列。該相干光纖陣列具有圓頂狀檢測表面和平面輸出表面。來自輻射性事件的光能在圓頂狀檢測表面被檢測到并被傳輸?shù)捷敵霰砻?。當傳輸來自圓頂狀檢測的光能時，相干光纖陣列保持輻射性事件的方向性。
文檔編號G01C1/00GK102889877SQ201210249440
公開日2013年1月23日 申請日期2012年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月19日
發(fā)明者D·K·墨佛得, R·A·史密斯 申請人:波音公司