一种基于分离腔的跟踪定位系统技术方案

本发明专利技术涉及一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机和跟踪目标，跟踪主机包括全反射镜、增益模块、第一回复反射结构、光瞳投射单元、谐振适配单元、主控系统和分别与主控系统连接的转动电机、泵浦模块、位置敏感探测器、干涉测距单元、第一通信装置，转动电机控制整个跟踪主机转动，增益模块设置在全反射镜处并由泵浦模块提供泵浦能量；跟踪目标包括第二回复反射结构、第二通信装置，第二通信装置与第一通信装置连接。与现有技术相比，本发明专利技术采用带谐振适配单元的分离谐振腔长腔激光器结构，实现了0‑50米距离的激光跟踪定位，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，可提供跟踪目标的距离和相对位置信息，适用于智能穿戴设备应用。

A Tracking and Positioning System Based on Separating Cavity

【技术实现步骤摘要】
一种基于分离腔的跟踪定位系统
本专利技术涉及激光跟踪定位领域，尤其是涉及一种基于分离腔的跟踪定位系统。
技术介绍
国际上激光跟踪仪供应商主要有瑞士Leica、德国PImiCos、美国API和FARO等几家，其市场需求巨大，已广泛应用于航空航天、汽车船舶、轨道交通、智能制造、科学工程等领域。近年来随着消费电子技术的快速发展，激光跟踪技术又开始渗透到智能穿戴设备领域，如虚拟现实眼镜。激光跟踪仪是一种高端通用的光学精密测量仪器，不仅可测量静止目标的高精度三维坐标测量，还可以对运动目标实现跟踪，其技术发展可最早追溯到上世纪八十年代，由美国国家标准局研究人员R.Hocken和K.Lan提出，按原理通常分为单站式球坐标法、多站式多边法和两站式三角法等三种激光跟踪仪。国内也有相关科研机构对激光跟踪测量系统从事研究，但是目前主要还是处于原理性实验和试制阶段。比如，1997年天津大学的付继友等采用两路悬丝转镜干涉仪组成了平面坐标测量系统；2001年清华大学刘永东等设计了三站激光跟踪测量系统，在1米的距离范围内实现了一维平面内合作目标的跟踪测量实验；2003年天津大学的张国雄等基于多边法测量原理建立了四路激光跟踪干涉柔性测量系统，并在1000mm×1200mm×800mm范围内完成了跟踪测量实验；2010年隋修武等改进研究了单站式激光跟踪测量系统；2012年张亚娟进一步研究了单站式激光跟踪测量系统；2012年四川大学的杨艳等提出了粗精结合的两级双轴联动控制系统，开展了三维空间的目标跟踪实验；2016年中科院光电研究所、中科院线光机所等多家单位在国家重大仪器设备开发专项“新型飞秒激光跟踪仪研发”的基础上，公开了最远跟踪距离不低于41.7m，最大跟踪速度不低于2.0m/s的便携式、多功能精密激光跟踪测量系统。综上所述，首先，传统的激光跟踪测量系统均是采用谐振腔外的激光光束作为待测信号，由于安全原因(尤其在民用领域)，通常难以提高待测信号功率，从而对测量仪器的分辨能力提出了较高要求，并通常需要设计多个半导体激光器光源提高了系统成本。其次，传统的激光跟踪测量系统通常采用半导体激光器光源作为待测信号，其光束准直性较差，严重限制激光跟踪仪的跟踪测量范围和精度，通过准直光学组镜系统可以改善该问题，但是增加了系统复杂度。再次，传统的激光跟踪测量系统通常用角锥棱镜作为合作目标，当动态跟踪时待测光束与参考光束不易重合，会影响干涉法测距设备的位移测距性能。目前还没有基于分离谐振腔长腔激光器的激光跟踪系统研究。分离谐振腔的长腔激光器结构可以提供高功率密度的谐振腔内共振光束作为待测信号。该共振光束准直性高，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，易于在光学元件上形成干涉光斑。它作为待测信号既可提供跟踪目标相对位置信息，也可通过干涉法或光斑测量法提供跟踪目标的距离信息，还可为跟踪目标传输能量，其优点能很好的适用于当前的智能穿戴设备应用。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分离腔的跟踪定位系统。本专利技术的目的可以通过以下技术方案来实现：一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机和跟踪目标，所述跟踪主机包括全反射镜、增益模块、第一回复反射结构、光瞳投射单元、谐振适配单元、主控系统和分别与主控系统连接的转动电机、泵浦模块、位置敏感探测器、干涉测距单元、第一通信装置，所述转动电机控制整个跟踪主机转动，所述增益模块设置在全反射镜处并由泵浦模块提供泵浦能量；所述跟踪目标包括第二回复反射结构、第二通信装置，所述第二通信装置与第一通信装置连接；所述第一回复反射结构发出的共振光束依次经过全反射镜、光瞳投射单元和谐振适配单元到达第二回复反射结构，并在第一回复反射结构与第二回复反射结构之间振荡放大；所述谐振适配单元产生的泄漏光束进入干涉测距单元进行距离测量，所述第一回复反射结构产生的泄漏光束进入位置敏感探测器进行相对位置测量；所述主控系统分析处理位置敏感探测器与干涉测距单元所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标的空间坐标，并控制转动电机来跟随跟踪目标。优选的，所述谐振适配单元包括干涉分光镜和设置在干涉分光镜两侧的部分反射单元、全反射单元；所述干涉分光镜将第一回复反射结构发出的共振光束分为两束，一束经部分反射单位反射传输到干涉测距单元上，另一束经过第二回复反射结构后返回，返回达到谐振适配单元后的一部分共振光束经干涉分光镜后经全反射单元的反射，再经干涉分光镜与部分反射单元透射进入干涉测距仪，进行干涉法位移测量，另一部分返回到第一回复反射结构。优选的，所述光瞳投射单元将系统光瞳处的增益模块投射到干涉分光镜的中心，所述增益模块与干涉分光镜的中心均位于光瞳投射单元的两倍焦距位置。优选的，所述干涉测距仪采集干涉分光镜中心的干涉光斑信息，利用光斑测量法，通过光斑尺寸与第一回复反射结构和第二回复反射结构形成的长腔激光器的腔长的关系，测量跟踪主机与跟踪目标间距离。优选的，所述位置敏感探测器通过实时探测第一回复反射结构的泄漏光束偏离位置敏感探测器的光感中心情况，为主控系统提供位置跟踪信息。优选的，所述跟踪目标还包括设置在第二回复反射结构处的光电转换器，所述光电转换器通过电能转换器连接电池，所述电池为第二通信装置供电。优选的，所述第一回复反射结构和第二回复反射结构均为共线或近共线反射的部分回复反射器。优选的，所述位置敏感探测器包括红外滤光元件，用于过滤非红外信息。优选的，所所述增益模块为薄片增益介质。优选的，所述增益模块位于系统光瞳，其视场角不小于60°。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：1、采用带谐振适配单元的分离谐振腔长腔激光器结构，实现了0-50米距离的激光跟踪定位，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，可提供跟踪目标的距离和相对位置信息，适用于智能穿戴设备应用。2、待测信号为高功率密度的共振光束，准直性良好，降低了系统中位置敏感探测器的设计复杂度，保证了干涉测距仪的分辨精度要求。3、同时可实现远距离无线充电功能，能为跟踪目标端的智能穿戴设备提供跟踪定位信息的同时实现供电。4、干涉测距单元包括迈克尔逊干涉测距模块和光斑测距模块，提出光斑测量法，通过光斑尺寸与分离谐振腔长腔激光器腔长的关系曲线实现测距，可基于不同应用场景选择性提供高精度位移测距和低精度测距。5、采用共线或近共线反射的回复反射器，总能在干涉分光镜位置形成干涉光斑，避免了传统激光跟踪仪动态跟踪过程中待测光束与参考光束不易重合，干涉光斑不易形成的问题。附图说明图1为本专利技术系统的结构示意图；图2为本专利技术中位置敏感探测器工作原理图；图3为本专利技术中干涉位移测距模块工作原理图；图4为本专利技术中光斑尺寸与分离谐振腔长腔激光器的腔长关系曲线。图中标注：1、跟踪主机，2、跟踪目标，3、主控系统，4、转动电机，5、泵浦模块，6、全反射镜，7、增益模块，8、第一回复反射结构，9、位置敏感探测器，10、干涉测距单元，11、光瞳投射单元，12、部分反射单元，13、干涉分光镜，14、全反射单元，15、谐振适配单元，16、第一通信装置，17、第二回复反射结构，18、光电转换器，19、电能转换器，20、电池，21、第二通信装置。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细说明。本实施例以本专利技术技术方案为本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机(1)和跟踪目标(2)，其特征在于，所述跟踪主机(1)包括全反射镜(6)、增益模块(7)、第一回复反射结构(8)、光瞳投射单元(11)、谐振适配单元(15)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的转动电机(4)、泵浦模块(5)、位置敏感探测器(9)、干涉测距单元(10)、第一通信装置(16)，所述转动电机(4)控制整个跟踪主机(1)转动，所述增益模块(7)设置在全反射镜(6)处并由泵浦模块(5)提供泵浦能量；所述跟踪目标(2)包括第二回复反射结构(17)、第二通信装置(21)，所述第二通信装置(21)与第一通信装置(16)连接；所述第一回复反射结构(8)发出的共振光束依次经过全反射镜(6)、光瞳投射单元(11)和谐振适配单元(15)到达第二回复反射结构(17)，并在第一回复反射结构(8)与第二回复反射结构(17)之间振荡放大；所述谐振适配单元(15)产生的泄漏光束进入干涉测距单元(10)进行距离测量，所述第一回复反射结构(8)产生的泄漏光束进入位置敏感探测器(9)进行相对位置测量；所述主控系统(3)分析处理位置敏感探测器(9)与干涉测距单元(10)所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标(2)的空间坐标，并控制转动电机(4)来跟随跟踪目标(2)。...

【技术特征摘要】
1.一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机(1)和跟踪目标(2)，其特征在于，所述跟踪主机(1)包括全反射镜(6)、增益模块(7)、第一回复反射结构(8)、光瞳投射单元(11)、谐振适配单元(15)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的转动电机(4)、泵浦模块(5)、位置敏感探测器(9)、干涉测距单元(10)、第一通信装置(16)，所述转动电机(4)控制整个跟踪主机(1)转动，所述增益模块(7)设置在全反射镜(6)处并由泵浦模块(5)提供泵浦能量；所述跟踪目标(2)包括第二回复反射结构(17)、第二通信装置(21)，所述第二通信装置(21)与第一通信装置(16)连接；所述第一回复反射结构(8)发出的共振光束依次经过全反射镜(6)、光瞳投射单元(11)和谐振适配单元(15)到达第二回复反射结构(17)，并在第一回复反射结构(8)与第二回复反射结构(17)之间振荡放大；所述谐振适配单元(15)产生的泄漏光束进入干涉测距单元(10)进行距离测量，所述第一回复反射结构(8)产生的泄漏光束进入位置敏感探测器(9)进行相对位置测量；所述主控系统(3)分析处理位置敏感探测器(9)与干涉测距单元(10)所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标(2)的空间坐标，并控制转动电机(4)来跟随跟踪目标(2)。2.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述谐振适配单元(15)包括干涉分光镜(13)和设置在干涉分光镜(13)两侧的部分反射单元(12)、全反射单元(14)；所述干涉分光镜(13)将第一回复反射结构(8)发出的共振光束分为两束，一束经部分反射单位(12)反射传输到干涉测距单元(10)上，另一束经过第二回复反射结构(17)后返回，返回达到谐振适配单元(15)后的一部分共振光束经干涉分光镜(13)后经全反射单元(14)的反射，再经干涉分光镜(13)...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓浩，刘庆文，刘明清，方稳，黄卓仪，熊明亮，张清清，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：上海,31