CN105182991B - 用于水下潜器对接的激光导引与通信装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光导引与通信装置，具体涉及一种用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其包括超声波水声定位装置，固定安装在水下潜器上；潜器端激光收发装置，固定封装在水下潜器舱体正前方，包括位置解算及控制单元、对接激光器、对接光束准直镜头、潜器光电探测装置和电光调制器；以及平台端激光收发装置，用于与水下潜器的通信对接，包括云台和密封舱体。本发明采用了分别安装在潜器和对接平台上的两束激光作为对接的位置指示手段，采用四象限光电探测器或图像传感器和硅带放大光电探测器双探测器进行对接与通信，可提高对接的精度，并可实现水下的无线通信。该装置结构简单、使用灵活、降低了技术成本，且通用性强。

Description

用于水下潜器对接的激光导引与通信装置
技术领域
本发明涉及一种激光导引与通信装置，具体地说是一种用于水下潜器对接的激光导引与通信装置。
背景技术
随着海洋、江河的开发，人类水下活动的规模越来越大，水下潜器在军事侦察、武器投送、科学考察、海洋环境监测、水下反恐等领域有着重要而广泛的应用。受体积和质量限制，水下潜器所携带的能源往往十分有限，长时间作业时必须与对接平台建立连接以补充能量并读取信息。目前常用的水下对接方式有两种，一种是基于声纳的导航——导引——对接一体化方法，这种方法直接利用水下潜器自身的导航设备进行导引定位。虽然这种方法作用距离远，但声纳导引的精度较低，在近距离对接式需要复杂的机械结构来保证对接得可靠性。另一种是基于视觉伺服的导引对接方法，这种方法需要水下光电成像的图像处理技术，高精度数据测量算法等作为技术支撑，对相机水下成像质量要求较高，且系统结构复杂。
中国专利201110178669.6公开的“自主水下航行器与海底观测网对接装置”主要发明内容在于水下航行器与海底观测网络之间的电能和信号传输的对接装置，并未考虑对接前的水下航行器导引问题。中国专利201410150881.5公开的“一种用于水下机器人与水下工作平台对接的声纳检测装置及其检测方法”采用声纳导引实现水下机器人与水下工作平台的导引对接，需设计复杂的控制系统并在水下工作平台的对接群口周围安装引导系统，成本较高且较为复杂，难以灵活使用。中国专利200810064010.6公开的“一种面向水下运载器的实时双目视觉导引方法”提供了一种面向水下运载器的实时双目视觉导引方法，该方法采用金字塔归一化协方差双目视觉算法，所设计的算法较为复杂，且双目视觉系统不易实现小型化，不便于水下移动设备集成。
因此设计一种低成本、灵活、可靠的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置非常必要，有利于推动海洋开发和水下工程的发展。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，能够克服水下浪涌的影响，实现水下潜器与对接平台之间的导引并最终实现准确对接与通信。
本发明所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，包括：超声波水声定位装置，固定安装在水下潜器上；潜器端激光收发装置，固定封装在水下潜器舱体正前方，以及平台端激光收发装置，用于与水下潜器的通信对接。其中潜器端激光收发装置包括：位置解算及控制单元、对接激光器、对接光束准直镜头、潜器光电探测装置和电光调制器；对接激光器、电光调制器和对接光束准直镜头由内向外依次固定安装且共光轴；位置解算及控制单元用于控制对接激光器和电光调制器；潜器光电探测装置与对接激光器的光轴平行，用于将接收到的光斑信号传送到位置解算及控制单元；位置解算及控制单元将接收到的数据传送到潜器姿态控制系统。平台端激光收发装置包括：云台、导引捕捉激光器、导引捕捉光束准直镜头、中央控制器、平台光电探测装置和密封舱体，密封舱体固定安装在云台上，密封舱体内封装有导引捕捉激光器、导引捕捉光束准直镜头、中央控制器和平台光电探测装置；导引捕捉光束准直镜头固定安装在导引捕捉激光器的前方且共光轴；中央控制器输出信号完成对导引捕捉激光器和云台的控制；平台光电探测装置与导引捕捉激光器光轴平行，平台光电探测装置将接收到的光斑信号处理后传送到中央控制器进行处理并上传，云台处于初始位置时，密封舱体的轴线与对接平台群口处轴线平行。
优选地，潜器光电探测装置为四象限光电探测器，也可以是图像传感器。
优选地，平台光电探测装置为硅带放大光电探测器。
优选地，对接激光器为蓝光光源激光器，或绿光光源激光器中的一种；导引捕捉激光器为蓝光光源激光器或绿光光源激光器中的一种，从而降低水体对信号强度的影响。
优选地，对接光束准直镜头的视场角大于等于导引捕捉光束准直镜头的视场角，以保证平台光电探测装置接收到对接激光器后，导引捕捉激光器发出的信号能被潜器光电探测装置接收到。
本发明装置的工作过程为：当水下潜器需要与对接平台对接时，水下潜器通过超声波水声定位装置确定对接平台的大体水下位置，开启动力装置不断向对接平台靠近，当超声波定位装置检测到水下潜器进入激光导引对接区域时，潜器端激光收发装置使其沿航行方向开启激光告警信号，平台端激光收发装置按预定轨迹搜寻激光告警信号，当搜寻到时，导引捕捉激光器发出激光导引信号，潜器端激光收发装置将该信号进行处理后，传输到水下潜器姿态控制系统来控制潜器的姿态向激光导引信号逼近；与此同时，对接平台上的云台带动导引捕捉激光器和平台光电探测装置向其初始位置缓慢回位，水下潜器不断调整姿态来逼近激光导引信号，当云台回到初始位置时，水下潜器也被导引到对接平台群口处轴线方向上，水下潜器继续沿激光导引信号向前运动，直到进入对接平台实现对接。
位置解算及控制单元控制电光调制器对接激光器发出的激光信号调制为通信信号，开始通信，平台光电探测装置根据接收到的激光信号生成对应的电信号，中央控制器对该电信号进行处理后，得到水下潜器所发的通信内容，直到水下潜器通信内容发送完毕。根据情况的需要，通信功能可在对接过程中即开始进行，有效的缩短了总时间。故本发明可增强水下潜器对接的精度，并可实现水下的无线通信。
采用本发明的有益效果是，采用了分别安装在潜器和对接平台上的两束激光作为对接的位置指示手段，采用四象限光电探测器或图像传感器和硅带放大光电探测器双探测器进行对接与通信，可提高对接的精度，并可实现水下的无线通信。该装置结构简单、使用灵活、降低了技术成本，且通用性强，可适用于各种类型的水下潜器与母船、工作平台、坞站、载体平台的对接、导引通信功能，具有很好的推广应用价值。
附图说明
图1是本发明用于水下潜器对接的激光导引与通信装置的示意图。
图中：1、超声波水声定位装置；2、位置解算及控制单元；3、对接激光器；4、对接光束准直镜头；5、潜器光电探测装置；6、导引捕捉激光器；7、导引捕捉光束准直镜头；8、中央控制器；9、平台光电探测装置；10、密封舱体；11、云台；12、电光调制器。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
实施例1
在图1中，该装置由超声波水声定位装置1、位置解算及控制单元2、对接激光器3、对接光束准直镜头4、潜器光电探测装置5、导引捕捉激光器6、导引捕捉光束准直镜头7、中央控制器8、平台光电探测装置9、密封舱体10、云台11和电光调制器12组成；超声波水声定位装置1固定安装在水下潜器上，位置解算及控制单元2、对接激光器3、对接光束准直镜头4、潜器光电探测装置5和电光调制器12封装在水下潜器舱体的正前方，对接激光器3、电光调制器12和对接光束准直镜头4由内向外依次固定安装，各光轴在同一轴线上，且与潜器光电探测装置5的光轴平行，位置解算及控制单元2输出信号完成对对接激光器3和电光调制器12的控制，潜器光电探测装置5将接收到的光斑信号处理后传送到位置解算及控制单元2中进行数据解算，最终结果传送到潜器姿态控制系统，导引捕捉激光器6、导引捕捉光束准直镜头7、中央控制器8和平台光电探测装置9封装在密封舱体10中，导引捕捉光束准直镜头7固定安装在导引捕捉激光器6的前方并与其同轴，且与平台光电探测装置9的光轴平行，中央控制器8输出信号完成对导引捕捉激光器6和云台11的控制，平台光电探测装置9将接收到的光斑信号处理后传送到中央控制器8进行处理并上传，密封舱体10固定安装在云台11上，云台11固定安装在对接平台上，且在云台11处于初始位置时，密封舱体10的轴线与对接平台群口处轴线平行。
潜器光电探测装置5为四象限光电探测器。平台光电探测装置9为硅带放大光电探测器。对接激光器3和导引捕捉激光器6均为蓝光光源激光器。对接光束准直镜头4的视场角大于等于导引捕捉光束准直镜头7的视场角。
当水下潜器需要与对接平台对接时，水下潜器通过超声波水声定位装置1确定对接平台的大体水下位置，开启动力装置不断向对接平台靠近，当超声波定位装置1检测到水下潜器进入激光导引区域时，位置解算及控制单元2控制对接激光器3，使其沿航行方向开启激光告警信号，对接平台上的云台11在中央控制器8的控制下带动平台光电探测装置9按预定轨迹搜寻对接激光器3发出的激光告警信号，当搜寻到时，导引捕捉激光器6发出激光导引信号，由于对接光束准直镜头4的视场角大于等于导引捕捉光束准直镜头7的视场角，故潜器光电探测装置5一定可以接收到激光导引信号，潜器光电探测装置5可通过该信号在其成像面上的位置产生相对于该激光导引信号的偏离角度，位置解算及控制单元2对该信号进行处理后，传输到水下潜器姿态控制系统来控制潜器的姿态向激光导引信号逼近；与此同时，对接平台上的云台11在中央控制器8的控制下带动导引捕捉激光器6和平台光电探测装置9向其初始位置缓慢回位，水下潜器不断调整姿态来逼近激光导引信号，当云台11回到初始位置时，水下潜器也被导引到对接平台群口处轴线方向上，水下潜器继续沿激光导引信号向前运动，直到进入对接平台实现对接，位置解算及控制单元2控制电光调制器12将对接激光器3发出的激光信号调制为通信信号，开始通信，平台光电探测装置9可根据接收到的激光信号生成对应的电信号，中央控制器8对该电信号进行处理后，得到水下潜器所发的通信内容，直到水下潜器通信内容发送完毕。
须陈明，以上所述乃是本发明的较佳实施例，若以本发明的构想所作的改变，其产生的功能作用仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的范围内。

Claims (6)

1.一种用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，包括超声波水声定位装置(1)，所述超声波水声定位装置(1)固定安装在水下潜器上，用于定位对接平台的位置，其特征在于：还包括：
潜器端激光收发装置，固定封装在水下潜器舱体正前方，所述潜器端激光收发装置包括：位置解算及控制单元(2)、对接激光器(3)、对接光束准直镜头(4)、潜器光电探测装置(5)和电光调制器(12)；所述对接激光器(3)、电光调制器(12)和对接光束准直镜头(4)由内向外依次固定安装且共光轴；所述位置解算及控制单元(2)用于控制对接激光器(3)和电光调制器(12)；所述潜器光电探测装置(5)与对接激光器(3)的光轴平行，用于将接收到的光斑信号传送到位置解算及控制单元(2)；所述位置解算及控制单元(2)将接收到的数据传送到潜器姿态控制系统；以及，
平台端激光收发装置，用于与水下潜器的导引与通信，所述平台端激光收发装置包括：云台(11)、导引捕捉激光器(6)、导引捕捉光束准直镜头(7)、中央控制器(8)、平台光电探测装置(9)和密封舱体(10)，所述密封舱体(10)固定安装在云台(11)上，所述密封舱体(10)内封装有导引捕捉激光器(6)、导引捕捉光束准直镜头(7)、中央控制器(8)和平台光电探测装置(9)；所述导引捕捉光束准直镜头(7)固定安装在导引捕捉激光器(6)的前方且共光轴；所述中央控制器(8)控制导引捕捉激光器(6)和云台(11)；所述平台光电探测装置(9)与导引捕捉激光器(6)光轴平行，用于将接收到的光斑信号传送到中央控制器(8)。
2.根据权利要求1所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其特征在于：所述潜器光电探测装置(5)为四象限光电探测器或图像传感器中的一种。
3.根据权利要求1所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其特征在于：所述平台光电探测装置(9)为硅带放大光电探测器。
4.根据权利要求1所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其特征在于：所述对接激光器(3)为蓝光光源激光器或绿光光源激光器中的一种。
5.根据权利要求1所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其特征在于：所述导引捕捉激光器(6)为蓝光光源激光器或绿光光源激光器中的一种。
6.根据权利要求1所述的用于水下潜器对接的激光导引与通信装置，其特征在于：所述对接光束准直镜头(4)的视场角大于等于导引捕捉光束准直镜头(7)的视场角。
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