CN106643689A - 一种多模共光路位姿测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多模共光路位姿测量装置，其包括发射望远镜、激光测距单元、成像相机、中继光路单元、信息处理单元、控制系统和指向控制机构，成像相机与信息处理单元、激光测距单元与信息处理单元、信息处理单元与控制系统、控制系统与指向控制机构均通过总线连接；指向控制机构、激光测距单元、和成像相机分别与中继光路单元通过总线连接。本装置既可以实现空间目标的特征部位、位置及姿态的准确测量，又可以兼顾大范围及远距离空间目标的测量。本装置具有紧凑、小型、精度高、空间操控准确性高的特点。

Description

一种多模共光路位姿测量装置

技术领域

本发明属于目标探测与识别技术领域，具体涉及一种适用于天基平台的多模共光路位姿测量装置。

背景技术

获取空间目标的相对位姿是实现对其进行检测、接近、交会对接及维修等操作的前提。太空环境的特殊性，需要空间目标测量克服空间环境的卫星振动、参照系误差、轨道预测误差和背景光噪声等因素对测量精度的影响，实现对空间目标的精密测量。

空间目标相对姿态参数的测量主要是利用装载在卫星(空间飞行器)上的各种摄影测量系统、光电传感器及光电跟踪设备完成，主要是包括相对距离、俯仰角、偏置角的测量。

目前单目视觉只能适用于合作目标测量，需地面事先标定好及先验信息；双目立体视觉受基线限制，测量距离有限；扫描式激光雷达重构目标特征粗糙，无法获取目标的详细图像信息；采用多种方式备份组合使用，体积、质量大，且测量信息不融合，测量精度低。

发明内容

本发明采用单目可见光立体视觉+激光测距多模共光路融合，构建出非合作目标所有特征的三维模型的前提下进行位姿测量，适用于非合作目标位姿测量，无需地面事先标定及先验信息，且共光路设计具有精度高、紧凑、小型等特点。

一种多模共光路位姿测量装置，包括发射望远镜、激光测距单元、成像相机、中继光路单元、信息处理单元、控制系统和指向控制机构，成像相机与信息处理单元、激光测距单元与信息处理单元、信息处理单元与控制系统、控制系统与指向控制机构均通过总线连接；指向控制机构、激光测距单元、和成像相机分别与中继光路单元通过总线连接。

所述发射望远镜采用卡塞格林望远镜结构，主镜采用凹面镜，次镜采用凸面镜，通过微调主镜和次镜间的距离实现焦距的连续可调。

所述激光测距单元与成像相机采用双波段共孔径。

所述指向控制机构采用摆镜。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明中的目标探测、跟踪、速度和图像特征参数，尤其具备对空间非合作目标相对运动参数的测量(相对距离、相对速度、高低角和方位角)，提高空间操控的准确性。

(2)本发明的多模共光路位姿测量装置集成探测与测距功能，精度高、体积质量小，能够实现空间非合作目标的精确位姿测量，该发明可应用于轨道救援、交会对接和在轨操控。

附图说明

图1是本发明的光路系统组成图；

图2是本发明的系统组成示意图。

其中：1-发射望远镜主镜，2-发射望远镜次镜，3-第一反射镜片，4-分光片，5-第二反射镜片，6-第一窄带滤光片，7-第一光束整形镜组，8-可见光探测CCD，9-1064nm激光发射斜劈，10-第二窄带滤光片，11-第二光束整形镜组，12-激光测距接收模块，13-1064nm测距激光器，14-指向控制机构。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案做进一步详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明要求保护的范围。

本发明提出了一种多模共光路位姿测量装置，采用目标探测与激光测距共光路设计思路，遵循小型化和集成化设计原则，具有以下功能：具备对空间目标的三维模型、距离、姿态、高低角、方位角的测量；具备对空间目标的特征部位的识别功能。

多模共光路位姿测量装置的组成如图2所示，由发射望远镜、激光测距单元、成像相机、中继光路单元、信息处理单元、控制系统和指向控制机构组成，成像相机与信息处理单元、激光测距单元与信息处理单元、信息处理单元与控制系统、控制系统与指向控制机构均通过总线连接；指向控制机构、激光测距单元、和成像相机分别与中继光路单元通过总线连接。

发射望远镜:采用卡塞格林型望远镜，用于对空间目标的探测、测距和光束的扩束聚焦；发射望远镜采用卡塞格林望远镜结构，主镜采用大口径凹面镜，次镜采用小尺寸凸面镜，通过微调卡塞格林望远镜主次镜间的距离实现焦距的连续可调；该发射望远镜为收发共用系统，利用收发可逆通路完成1064nm测距激光发射、1064nm测距信号接收和为探测相机提供可见光波段接收通路。

激光测距单元:通过激光测距单元对空间目标进行测距，得到空间目标与服务平台之间的相对距离；

成像相机：成像相机通过发射望远镜对空间目标进行成像；成像相机采用小视场大像元芯片，实现空间目标的三维模型和特征部位的识别；

中继光路单元：主要对1064nm测距激光及532nm-800nm可见光等不同波段的光进行分光、隔离，使各组件功能工作正常且互不干扰；

信息处理单元：对成像相机和测距激光信息进行融合获得空间目标的三维模型，解算空间目标的位置和姿态；并根据成像相机近场目标图像解算空间目标的高低角和方位角信息，将相对空间目标的位置、姿态、高低角、方位角发送至控制系统；

控制系统：根据目标的高低角和方位角信息计算出指向控制机构转动角度和角速度的调整量；当近场目标处于成像相机的视场中央，根据空间目标与服务平台之间的相对距离控制发射望远镜，调整主次镜之间的距离对空间目标清晰成像和激光点扫描。

指向控制机构：根据控制系统发出的转动角度和角速度调整量进行调整，指向控制机构使目标处于成像相机的视场中央，将激光测距单元发出的光束聚焦到空间目标上，实现点扫描。指向控制机构采用摆镜实现方位轴和俯仰轴高动态范围的调整；

激光测距单元和成像相机采用共孔径设计，能有效降低系统体积、重量。

多模共光路位姿测量装置光路系统设计时，首先将激光测距、探测成像两个支路分开，将激光测距的影响降到最低。如图1所示，发射望远镜主镜1采用凹面镜，发射望远镜次镜2采用凸面镜，通过微调卡塞格林发射望远镜主镜1和发射望远镜次镜2间的距离实现焦距的连续可调；第一反射镜片3、第二反射镜片5；分光片4对1064nm反射率大于97％，白光透过率大于97％；第一窄带滤光片6对白光透过率大于97％，1064nm透过率小于≤0.01％，第二窄带滤光片10对1064nm透过率大于97％，白光透过率小于≤0.01％；第一光束整形镜组7对白光透过率大于97％，1064nm透过率小于≤0.01％，第二光束整形镜组11对1064nm透过率大于97％，白光透过率小于≤0.01％；可见光探测CCD8，1064nm激光发射斜劈9，激光测距接收模块12，1064nm测距激光器13，指向控制机构14；可见光探测CCD8通过发射望远镜主镜1，发射望远镜次镜2，第一反射镜片3，分光片4，第二反射镜片5，第一窄带滤光片6，第一光束整形镜7，指向控制机构14，对空间目标成像，探测支路波段为可见光波段；测距激光器13，波长为1064nm，通过1064nm激光发射斜劈9、分光片4、第一反射镜片3、发射望远镜次镜2、指向控制机构14出射，调整发射望远镜次镜2使激光束在不同距离处聚焦；发射望远镜主次镜间距调整时，既可以保证可见光探测支路成像质量高，又可以保证测距支路信噪比高，发射聚焦到目标处的光斑直径小。

本发明的位姿测量工作原理如下：

(1)在远距离处，成像相机获取空间目标图像，发送到信息处理单元，信息处理单元结合测距信息解算获得空间目标相对服务平台的位置、高低角和方位角信息，将空间目标信息发送到控制系统，实现对目标的探测与识别；

(2)控制系统根据空间目标位置调整指向控制机构，使空间目标移动至成像相机视场中央；

(3)激光测距单元获取空间目标的距离信息，并结合指向控制机构获得空间目标的激光点云数据；

(4)随着与目标的距离越来越接近，成像相机调焦获取空间目标图像，利用图像信息和测距信息获取空间目标的三维图像；

(5)信息处理单元对空间目标进行识别，并获取空间目标操控部位的精确位置和姿态信息，信息处理单元将发送距离和位姿指令到控制系统；

(6)控制系统获取多模位姿测量装置的测量结果，将状态反馈给服务平台，完成对目标的维修与操控。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明范围的情况下，在其他实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽范围。

Claims (4)

1.一种多模共光路位姿测量装置，其特征在于，包括发射望远镜、激光测距单元、成像相机、中继光路单元、信息处理单元、控制系统和指向控制机构，成像相机与信息处理单元、激光测距单元与信息处理单元、信息处理单元与控制系统、控制系统与指向控制机构均通过总线连接；指向控制机构、激光测距单元、和成像相机分别与中继光路单元通过总线连接。

2.根据权利要求1所述的位姿测量装置，其特征在于，所述发射望远镜采用卡塞格林望远镜结构，主镜采用凹面镜，次镜采用凸面镜，通过微调主镜和次镜间的距离实现焦距的连续可调。

3.根据权利要求1所述的位姿测量装置，其特征在于，所述激光测距单元与成像相机采用双波段共孔径。

4.根据权利要求1所述的位姿测量装置，其特征在于，所述指向控制机构采用摆镜。