激光阵列高速空间跟踪系统技术方案

本发明专利技术涉及激光阵列高速空间跟踪系统，包括光束复合模块，在其后侧设有一只A波长的准直激光器，沿其周向均匀设有3只以上B波长的准直激光器，在其前侧设有分光比为50％的第一分光片；第一分光片与光束复合模块前端面间的夹角为45°，在第一分光片右侧设有分光比为50％的第二分光片，第二分光片平行于第一分光片，在第二分光片右侧设有第一光电检测模组，在第二分光片后侧设有第二光电检测模组，在第一分光片前侧设有二维扫描头。本发明专利技术所述的跟踪系统，体积小，架设方便，实现成本低廉，系统可以单站测量，能在较大范围内高精度地对无源反射型靶球(单个或多个)进行捕获，并高重复频率地得到其空间坐标信息，跟踪定位精度高，重复频率高。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及高速空间跟踪定位
，具体说是激光阵列高速空间跟踪系统。
技术介绍
现有高精度的空间跟踪系统主要有激光跟踪仪和多目运动捕获系统。现有的激光跟踪仪，其工作原理是：以单点准直激光照射具有回归反射特性的靶球，然后利用二维PSD单元来检测靶球反射的返回光束，根据返回光束的光斑中心偏差驱动伺服云台转动，使激光跟踪仪保持对靶球中心的照射，与此同时利用激光干涉法测距，由球坐标得到目标的空间位置。该方案存在以下缺点：第一，由于利用二维PSD单元跟踪靶球反射的返回光束，因此对返回光束的光斑精度要求高，从而导致靶球制作工艺复杂、成本高，而且在跟踪过程中要求以特定角度朝向激光跟踪仪，无法做到全向可测。第二，由于伺服云台转速低，作为被跟踪对象的靶球的运动速度一般要求低于30cm/s，无法适用于高速目标的跟踪测量。现有的多目运动捕获系统，利用多颗大功率红外LED对视场补光，由架设在跟踪范围周边的多台高速相机对场景进行连续拍摄，并基于计算机视觉技术处理，检测出所有靶球在图像中的位置，利用多目立体视觉测量技术，即可得到靶球的空间位置。该方案存在以下缺点：第一，大功率红外LED的补光距离较短，高速相机的有效拍摄距离较短，使得本技术的测量范围有限。第二，多目运动捕获系统要使用多台造价高昂的高速高分辨率相机，且因图像信号处理复杂度高，一般需要架设专用的有线传输网络和数据处理工作站，造成系统成本高、架设复杂、便携性低。本专利技术所述回归/逆反射：是反射光线从靠近入射光线的反方向，向光源返回的反射。本专利技术所述二维PSD单元：位置敏感器件，可用来探测照射在表面的光斑中心位置。本专利技术所述二维扫描头：两套振镜正交放置的矢量扫描器件，通过控制振镜电机的偏转，可调节出射光线的空间指向。本专利技术所述APD光电检测单元：利用雪崩光电二极管来探测照射在光敏面上光强的器件。本专利技术所述的PIN光电检测单元：利用PIN二极管来探测照射在光敏面上光强的器件。本专利技术所述的PMT光电检测单元：利用光电倍增管来探测照射在光敏面上光强的器件。本专利技术所述多目立体视觉测量：多个相机从不同位置角度(已知)拍摄到同一物体，利用该物体在不同成像画面上的偏移量，可计算出其空间坐标。
技术实现思路
针对现有技术中存在的缺陷，本专利技术的目的在于提供激光阵列高速空间跟踪系统，以克服现有空间跟踪系统在跟踪速度、测量范围、便携性、架设难易度、实现成本上的不足。为达到以上目的，本专利技术采取的技术方案是：激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于，包括：光束复合模块109，在光束复合模块109后侧设有一只A波长的准直激光器100，沿光束复合模块109周向均匀设有3只以上B波长的准直激光
器，在光束复合模块109前侧设有第一分光片110，第一分光片110的分光比为50％，第一分光片110与光束复合模块109前端面间的夹角为45°，在第一分光片110右侧设有第二分光片111，第二分光片111的分光比为50％，第二分光片111平行于第一分光片110，在第二分光片111右侧设有第一光电检测模组，在第二分光片111后侧设有第二光电检测模组，在第一分光片110前侧设有二维扫描头。在上述技术方案的基础上，所述第一光电检测模组包括：中心波长为B的带通型窄带滤光片112，第一光电检测单元116通过第一聚光透镜组114与中心波长为B的带通型窄带滤光片112连接，或中心波长为B的带通型窄带滤光片112位于第一光电检测单元116和第一聚光透镜组114之间，所述第二光电检测模组包括：中心波长为A的带通型窄带滤光片113，第二光电检测单元117通过第二聚光透镜组115与中心波长为A的带通型窄带滤光片113连接，或中心波长为A的带通型窄带滤光片113位于第二光电检测单元117和第二聚光透镜组115之间。在上述技术方案的基础上，所述光电检测单元是APD光电检测单元或PMT光电检测单元或PIN光电检测单元。在上述技术方案的基础上，光束复合模块109由若干面45度反射镜组成。在上述技术方案的基础上，光束复合模块109由8面45度反射镜组成，沿光束复合模块109周向设有8只B波长的准直激光器101～108。在上述技术方案的基础上，所述二维扫描头为二维振镜扫描头。在上述技术方案的基础上，所述A、B波长不同。在上述技术方案的基础上，其跟踪方法包括以下步骤：步骤1，形成阵列光束：各B波长的准直激光器的发射光束201，利用光束复合模块109的反射，形成向前照射的、同向圆形分布的光束阵列，A波长的准直激光器的发射光束202，直接穿过光束复合模块109中心的空隙，处于光束阵列的中心；各发射光束201和1条发射光束202构成阵列光束，步骤2，向自由空间射出阵列光束：阵列光束透射过第一分光片110，再依次经旋转轴正交放置的第二振镜119和第一振镜118反射，向自由空间射出；步骤3，得到光斑分布：当中央的发射光束202恰好指向空间中一靶球的球心时，阵列光束在靶球投影面410上得到光斑分布，步骤4，靶球产生反射光束：被靶球反射的反射光束依次由第一振镜118、第二振镜119、第一分光片110反射，然后再在第二分光片111上发生反射和透射分为两个部分；对应于A波长的发射光束202的反射光束透射过中心波长为A的带通型窄带滤光片113，再由第二聚光透镜组115会聚在第二光电检测单元117的光敏面上；对应于B波长的发射光束201的反射光束透射过中心波长为B的带通型窄带滤光片112，再由第一聚光透镜组114会聚在第一光电检测单元116的光敏面上；通过光电检测单元，测量得到某点激光光束照射在靶球上反射回的光强，从而可计算出其是否照射在靶球上，以及相对靶球中心的距离关系。在上述技术方案的基础上，根据靶球投影面410的逆反射能力分布曲线411，预设一阈值412，该阀值412对应于靶球上的有效反射区域409，所述有效反射区域409为一圆形区域，当某点激光照射在有效反射区域409以内时，其反射回的光功率高于阈值，判定为在靶点；当某点激光照射在有效反射区域409以外时，其反射回的光功率低于阈值，判定为丢失点。在上述技术方案的基础上，当阵列光束的中心指向靶球中心时，外圈圆形分布的各个B波长激光光束201在靶球投影面上恰好落在有效反射区域409内，均为在靶点；当靶球发生切向移动时，部分光斑会移出有效反射区域409，从而产生丢失点501；通过检测丢失点与在靶点的分布情况，得到靶球的切向移动方向502，从而据此控制第一振镜118和第二振镜119偏转，做出补偿，使阵列光束的中心保持指向靶球中心。本专利技术所述的激光阵列高速空间跟踪系统，体积小，架设方便，实现成本低廉，系统可以单站测量，能在较大范围内高精度的对无源反射型靶球(单个或多个)进行捕获，并高重复频率地得到其空间坐标信息，跟踪定位精度高，重复频率高。附图说明本专利技术有如下附图：图1 本专利技术的系统结构图；图2 激光阵列发射光路示意图；图3 靶球反射光接收光路示意图；图4 锁定状态光斑分布示意图；图5 切向移动检测示意图；图6 各激光调制波形示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术作进一步详细说明。如图1～6所示，本专利技术所述的激光阵列高速空间跟踪系统，可用于对一个或多个表面均匀覆盖逆反射材料的靶球进行跟踪定位，系统的本文档来自技高网...

【技术保护点】
激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于，包括：光束复合模块(109)，在光束复合模块(109)后侧设有一只A波长的准直激光器(100)，沿光束复合模块(109)周向均匀设有3只以上B波长的准直激光器，在光束复合模块(109)前侧设有第一分光片(110)，第一分光片(110)的分光比为50％，第一分光片(110)与光束复合模块(109)前端面间的夹角为45°，在第一分光片(110)右侧设有第二分光片(111)，第二分光片(111)的分光比为50％，第二分光片(111)平行于第一分光片(110)，在第二分光片(111)右侧设有第一光电检测模组，在第二分光片(111)后侧设有第二光电检测模组，在第一分光片(110)前侧设有二维扫描头。

【技术特征摘要】
1.激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于，包括：光束复合模块(109)，在光束复合模块(109)后侧设有一只A波长的准直激光器(100)，沿光束复合模块(109)周向均匀设有3只以上B波长的准直激光器，在光束复合模块(109)前侧设有第一分光片(110)，第一分光片(110)的分光比为50％，第一分光片(110)与光束复合模块(109)前端面间的夹角为45°，在第一分光片(110)右侧设有第二分光片(111)，第二分光片(111)的分光比为50％，第二分光片(111)平行于第一分光片(110)，在第二分光片(111)右侧设有第一光电检测模组，在第二分光片(111)后侧设有第二光电检测模组，在第一分光片(110)前侧设有二维扫描头。2.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：所述第一光电检测模组包括：中心波长为B的带通型窄带滤光片(112)，第一光电检测单元(116)通过第一聚光透镜组(114)与中心波长为B的带通型窄带滤光片(112)连接，或中心波长为B的带通型窄带滤光片(112)位于第一光电检测单元(116)和第一聚光透镜组(114)之间，所述第二光电检测模组包括：中心波长为A的带通型窄带滤光片(113)，第二光电检测单元(117)通过第二聚光透镜组(115)与中心波长为A的带通型窄带滤光片(113)连接，或中心波长为A的带通型窄带滤光片(113)位于第二光电检测单元(117)和第二聚光透镜组(115)之间。3.如权利要求2所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在
\t于：所述光电检测单元是APD光电检测单元或PMT光电检测单元或PIN光电检测单元。4.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：光束复合模块(109)由若干面45度反射镜组成。5.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：光束复合模块(109)由8面45度反射镜组成，沿光束复合模块(109)周向设有8只B波长的准直激光器(101～108)。6.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：所述二维扫描头为二维振镜扫描头。7.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：所述A、B波长不同。8.如权利要求1所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于，其跟踪方法包括以下步骤：步骤1，形成阵列光束：各B波长的准直激光器的发射光束(2...

【专利技术属性】
技术研发人员：周彦钊，
申请(专利权)人：北京交通大学，
类型：发明
国别省市：北京;11