CN106154282B

CN106154282B - 激光阵列高速空间跟踪系统

Info

Publication number: CN106154282B
Application number: CN201510164333.2A
Authority: CN
Inventors: 周彦钊
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2015-04-09
Filing date: 2015-04-09
Publication date: 2019-02-12
Anticipated expiration: 2035-04-09
Also published as: CN106154282A

Abstract

本发明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。

Description

激光阵列高速空间跟踪系统

技术领域

本发明涉及高速空间跟踪定位技术领域，具体说是激光阵列高速空间跟踪系统。

背景技术

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。

本发明所述回归/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。

本发明所述二维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。

本发明所述二维扫描头：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。

本发明所述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。

本发明所述的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。

本发明所述的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。

本发明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。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明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，本发明采取的技术方案是：

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。

本发明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

本发明有如下附图：

图1 本发明的系统结构图；

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

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

如图1～6所示，本发明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，系统的核心元件包括：

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周向设有3只以上B波长的准直激光器(图1～6中以沿光束复合模块109周向设有8只B波长的准直激光器的情形为例)，各B波长的准直激光器等间隔均匀分布，

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。

所述A、B波长不同。

在上述技术方案的基础上，所述光电检测单元可以是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，反射镜数量与B波长的准直激光器数量相同。

本发明中，45度反射镜和B波长的准直激光器的数量相同，一只B波长激光器使用对应的一片反射镜来改变其光束方向，复合为圆形分布的阵列光束。

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，所述二维扫描头为市售的二维振镜扫描头，包括：第一振镜118和第二振镜119，第一振镜118为Y振镜，第二振镜119为X振镜，反之亦可，

第一振镜118位于第二振镜119上方，

第一振镜118和第二振镜119的旋转轴正交放置，

第二振镜119正对第一分光片110。

本发明所述的激光阵列高速空间跟踪系统，如图2、3、4所示，工作原理如下：

一、多点激光复合到阵列以及向自由空间发射所经过的光路

8只B波长的准直激光器101～108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100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；

8条发射光束201和1条发射光束202构成阵列光束，这9条激光束透射过第一分光片110，再依次经旋转轴正交放置的X振镜(第二振镜119)和Y振镜(第一振镜118)反射，向自由空间射出。

通过控制X、Y振镜的偏转角度可以控制阵列光束(8条发射光束201和1条发射光束202)的指向。

二、锁定状态下激光阵列在靶球投影面上的光斑分布以及靶球逆反射能力的分布关系

当中央的发射光束202恰好指向空间中一靶球的球心时，阵列光束的9条激光束在靶球投影面410上得到光斑分布，图4中，8条发射光束201对应光斑401～408，发射光束202对应光斑400。

三、靶球反射光被设备检测单元接收的光路

被靶球反射的9条反射光束依次由Y振镜(第一振镜118)、X振镜(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；

因而系统可以分别处理外圈B波长激光反射信号和中央A波长激光反射信号；

通过光电检测单元，可以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。

根据公知常识，受曲率影响，靶球投影面410上各处的逆反射能力不同，越靠近圆心(即靶球球心)处的反射材料与入射光束之间的夹角越接近90度，因而逆反射能力也就越强，因此如图4所示，可得到逆反射能力分布曲线411。

在上述技术方案的基础上，为提高系统探测的稳定性，根据靶球投影面410的逆反射能力分布曲线411，本发明预设一阈值412(该阀值为逆反射能力分布曲线411上的一个点值)，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，

通过合适的配置阈值、靶球直径、阵列光束直径(通过光束复合模块调节)，本发明所述系统可实现：

当阵列光束的中心(A波长激光光束202)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，如图5所示，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，可以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。

因为激光脉冲往返跟踪系统与靶球之间的时间，以及光电判断检测的时间均极短可以忽略，所以系统跟踪速度主要取决于振镜，而振镜电机对控制信号的响应时间大约为0.5ms，因此系统可以工作在2KHz的重复频率上。当使用直径为50mm的反射靶球时，目标切向运动速度要超过360km/h才能让系统丢失目标，这足以适用于绝大多数应用场景。

各点激光在一个周期内的调制波形如图6所示，A波长的准直激光器100的激光束、8只B波长的准直激光器101～108的激光束对应波形600～608。8点B波长激光依次产生脉冲波，通过光电检测单元检测得到其回波脉冲。一方面由回光脉冲幅度可判定当前点为在靶点或是丢失点，另一方面由高精度时间测量芯片(如TDC-GP2)检测回波的延时可得到从仪器到靶球的距离粗值，该值一般可达厘米级精度。

中央A波长激光以高频连续波600调制，通过光电检测单元接收回波信号，利用混频、数字相位测量，可由激光相位法得到距离精值，一般可达亚毫米级精度。通过粗值来消除中央A波长激光的相位模糊，即可得到高精度的最终距离值，再配合由X、Y振镜偏转角所确定的阵列光束空间朝向，即可确定靶球的空间位置。

在初始丢失靶球条件下，系统可驱动振镜进行视场内循环扫描，因为靶球反射能力要显著高于一般物体上的漫反射，因而系统扫描时不会错误的跟踪视场内的背景物体。一旦检测到靶球的有效回光，即可按照上述流程进行迭代跟踪测量。

当靶球的运动速度较低时，系统也可用于同时跟踪多个靶球目标，具体流程如下：

(1)，扫描全视场，得到多个靶球的分布位置；

(2)，驱动振镜使阵列光束指向靶球最后一次被探测到的位置，连续迭代直到所有B波长激光进入有效反射区域，此时A波长激光指向靶球球心，记录下其空间坐标；

(3)，依次对所有检测到的靶球执行步骤(2)。

本发明所述的激光阵列高速空间跟踪系统，带来以下的有益效果：

(1)可以单站完成测量，体积小，便携性强，易于架设。

(2)采用高速振镜系统实现随动，响应速率高，可跟踪高速运动目标。

(3)现有技术为克服距离带来的相位模糊，采用多调制频率的激光相位测距，频率切换导致测量周期较长。本发明利用外圈阵列产生激光脉冲可同时得到靶球切向运动状态和距离粗值，中心精测激光只需采用单一频率即可，因而能实现高重复频率的测量。

(4)激光能量大，指向性强，可实现远距离、大范围的探测。

(5)靶球无需供电，也无需加工高精度光学结构，轻便易用，制造成本低。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

附件：

网站资料

[1]激光跟踪测量系统：

http://www.gzjls.net/showart.asp？id＝230

[2]光学运动捕捉系统：

http://www.ou-lei.com/productdetail.aspx？id＝61

参考文献：

[1]高曰云.相位式激光测距系统设计[D].中北大学,2013.

[2]朱志忠.基于TDC-GP2的便携式脉冲激光测距仪研究[D].长春理工大学,2012.

[3]赵宇宸.激光跟踪测距系统研究[D].长春理工大学,2013.

[4]黄波士,陈福民,张金剑等.一种改进算法的光学运动捕捉系统[J].同济大学学报(自然科学版),

2005,33(10):1372-1376.DOI:10.3321/j.issn:0253-374X.2005.10.019.

[5]徐伟.高速运动下高精度激光测距关键技术研究[D].南京理工大学,2013.DOI:10.7666/d.Y2275201.

[6]Manakov,A.；Seidel,H.-P.&Ihrke,I.(2011),A Mathematical Model andCalibration Procedure for Galvanometric Laser Scanning Systems.,in PeterEisert；Joachim Hornegger&Konrad Polthier,ed.,'VMV',Eurographics Association,,pp.207-214.

Claims

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；

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。

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。

3.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。

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)。

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：所述二维扫描头为二维振镜扫描头。

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A、B波长不同。

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，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)和中央的发射光束(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；

8.如权利要求7所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：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)，该阈值(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。

9.如权利要求8所述的激光阵列高速空间跟踪系统，其特征在于：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。