CN107144832B - 一种用激光对目标物进行定位的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用激光对目标物进行定位的装置及方法。该装置包括至少一组激光发射器、陀螺仪、激光接收器、距离计算模块和坐标计算模块。本发明首次利用激光分布函数的形式实现目标物的定位，且与利用传输时间或时间差的传统测量方法不同的是，仅仅利用激光传输的属性进行测量，并借助陀螺仪对目标的连接方向进行微调，使得测量的距离数据准确度高，且可以在激光传输的有效范围内，实现任意距离目标的定位，定位精度高，定位方便，成本低。

Description

一种用激光对目标物进行定位的装置及方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种用激光对目标物进行定位的装置及方法。

背景技术

当与水下目标进行通信的时候，可以采用激光通信以提高安全性。

激光通信的前提是要能够对水下目标进行定位。现有的一种对水下目标进行定位的装置及方法是采用将水下目标上浮至接近水面位置，然后释放由电缆或光纤连接的GPS接收器，使GPS接收器的天线浮出水面以接收GPS卫星信号，从而确定水下目标的位置。

上述的现有技术存在的主要问题是：定位的准确性不高。因为定位得到的实际上是水面GPS卫星信号接收器的位置，而不是水下目标的真实位置。

发明内容

针对于上述存在的技术问题，本发明的目的是提供一种用激光对目标物进行定位的装置及方法，以解决现有技术中水下目标定位难以实现且定位精度不高的问题。

本发明的一个实施例是提供一种用激光对目标物进行定位的装置，包括：

至少一组激光发射器，其位于水下或浮于水面，包括至少两个具有不同腰半径的激光源，所述激光发射器用于向所述目标物发射激光；

陀螺仪，与所述激光发射器相连接，用于测量所述激光发射器发射激光时的旋转角度；

激光接收器，其安装于所述目标物上，用于接收激光发射器发射的激光；

距离计算模块，其与激光接收器相连接，用于根据激光接收器接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算激光发射器与目标物之间的距离；以及

坐标计算模块，用于根据所述距离和所述旋转角度，计算所述目标物的坐标位置。

本发明的有益效果为：本发明首次利用激光分布函数实现目标物的定位，且与利用传输时间或时间差的传统测量方法不同的是仅仅利用激光传输的属性进行测量，并借助陀螺仪对目标的连接方向进行微调，使得测量的距离数据准确度高，且可以在激光传输的有效范围内，实现任意距离目标的定位，定位精度高，定位方便，成本低。

本发明的另一个实施例提供一种用激光对目标物进行定位的方法，包括以下步骤：

通过激光发射器从水面上或水面下向所述目标物发射至少两个波长相等、腰半径不等的激光；所述激光的传播途径全部位于水中；

获取激光发射器在发射激光时的旋转角度；

通过位于目标物上的激光接收器接收所述激光；

根据接收到的激光的理论分数函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算所述激光发射器与目标物之间的距离；以及

根据所述距离和所述旋转角度，计算目标物物的位置坐标。

本发明的有益效果为：本发明提供的用激光对目标物进行定位的装置及方法能够有效提高对目标物的定位精度，并且容易实现，成本低。

附图说明

图1示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置的一个实施例的总体结构图；

图2示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置中的距离计算模块的一个实施例的结构框图；

图3示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置中的距离计算模块的另一个实施例的结构框图；

图4示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的方法的一个实施例的流程图；

图5示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤的一个实施例的流程图。

图6示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤的另一个实施例的流程图。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明的一个实施例提供了一种用激光对目标物进行定位的装置。

参考图1，图1示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置100的一个实施例的总体结构图。如图1所示，装置100可以包括：至少一组激光发射器101，陀螺仪102，激光接收器103，距离计算模块104以及坐标计算模块105.

根据本发明的一个实施例，如图1所示，激光发射器，用于向所述水下目标发射激光，其可以浮于水面上，也可以位于水面下，在激光传输的有效范围内，在水上或水下的任意位置向其他方向的扫描均可以实现定位；激光发射器可以有一组，每组激光发射器可以包含两个激光源，该两个激光源的位置很接近，且近似为重叠；例如，同一组激光发射器的两个激光源可以贴在一起，该两个激光源发射的激光的波长可以相等但腰半径不同。

陀螺仪102，与两个激光源固定连接，用于测量激光发射器发射激光时的旋转角度。

激光接收器103可以安装于水下目标上，激光接收器103可以接收激光发射器发射的激光；

距离计算模块104可以与激光接收器通过有线或无线方式连接，其可以根据激光接收器接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算激光发射器与目标物之间的距离。

根据本发明的一个实施例，参考图2，距离计算模块104可以进一步包括功率测量模块201、实际分布函数值计算模块202、判断模块203和第一距离计算子模块204。其中，功率测量模块201用于测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；激光功率的测量可以采用任何现有的测量工具和/或测量方法得到。

实际分布函数值计算模块202，用于根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在所述激光接收器处的实际分布函数值；根据本发明的一个实施例，实际分布函数值可以是激光接收器上接收到的激光的功率与激光接收器的接收屏的面积的比值。

判断模块203，用于判断至少两个激光源发射的激光在激光接收器处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限值。

第一距离计算子模块204，用于当所述差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算所述距离；

BSF_1analy(r,z_rec)-BSF₁＝0

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

根据本发明的另一个实施例，参考图3，距离计算模块104还可以进一步包括功率测量模块201、实际分布函数值计算模块202和第二距离计算子模块205；

功率测量模块201，用于测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

实际分布函数值计算模块202，用于根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在所述激光接收器处的实际分布函数值；其中的第二距离计算子模块205用于可以根据如下方程组计算距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值,BSF_0analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个的理论分布函数，BSF₀为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

坐标计算模块105可以根据距离和旋转角度，计算目标物的位置坐标。

根据本申请的一个实施例，当具有一组激光发射器时，可以按照如下公式计算目标物的坐标位置：

x＝Z_rec*cos(θ₁)

y＝Z_rec*cos(θ₂)

z＝Z_rec*cos(θ₃)

其中，(x,y,z)为目标物的坐标位置；θ₁、θ₂和θ₃分别表示陀螺仪测量出的激光发射器发射激光时相对于x轴、y轴和z轴的旋转角度。

根据本发明的一个实施例，装置100可以采用硬件与软件相结合的方式来实现。也就是说，装置100中的一些组件可以用硬件方式实现，一些组件可以用软件方式实现。

具体来说，装置100中位于水面部分可以包括一组激光发射器101和与激光发射器相连接的水面控制器，水面控制器可以包括CPU、存储器和必要的输入输出接口。

坐标计算模块105可以通过软件方式实现，该软件的代码可以存放在水面控制器中的存储器内并被水上控制器中的CPU所执行以完成坐标位置的计算。

激光发射器101可以与水面控制器相连接，并在水面控制器的控制下按照预先设定的波长和腰半径发射相应的激光。由于一开始向激光接收器发射激光时，激光发射器并不知晓激光接收器的位置，因此，根据本发明的一个实施例，激光发射器可以在水面控制器的控制下转动地发射激光，并且激光发射器还可以在水面控制器的控制下在发射出的激光上携带定位消息，当激光组接收器接收到该定位消息以后，可以向水面控制器回复定位确认消息，当水面控制器接收到该定位确认消息以后，就可以停止转动。

类似地，装置100中位于目标物上的部分可以包括激光接收器103和与激光接收器103相连接的水下控制器。激光接收器103可以包括激光接收屏，水下控制器可以包括CPU、存储器和必要的输入输出接口。

距离计算模块104可以通过软件结合硬件的方式实现。例如，距离计算模块中的功率测量模块201可以采用硬件方式，即：功率测量模块201是用硬件方式实现的激光功率测量装置。相应地，功率测量模块201可以位于目标物上。

而实际分布函数值计算模块202、判断模块203、第一距离计算子模块204和第二距离计算子模块205则可以采用软件方式实现。根据本发明的一个实施例，这些模块的软件代码可以全部存于水下控制器中的存储器内并被水下控制器中的CPU所执行以完成每一个激光组发射器到目标物距离的计算。在此情况下，水下控制器还可以将计算得到的距离值发送给水面控制器，以使得水面控制器中的坐标计算模块可以根据距离值和旋转角度计算出目标物的位置坐标。

根据本发明的另一个实施例，这些模块中的某些模块的软件代码可以存于水下控制器的存储器内，而另一些模块的软件代码可以存于水面控制器的存储器内。

在实际使用本发明的装置时，可以在水面控制器的控制下，打开激光发射器，并计算出激光发射器到目标物的距离，根据陀螺仪测定的激光发射器发射激光时的旋转角度，从而根据这些距离和旋转角度最终计算出目标物的坐标位置。在定位过程中，如果判断模块的输出为“否”，则可以通知水面控制器调整该激光发射器的发射角度以便在激光接收屏上再次接收到激光，直至这些分布函数值的差异超过预先设定的门限值。

至此描述了根据本发明实施例的用对激光目标物进行定位的装置。该装置能够以安全的方式提高定位精度，并且容易实现，成本较低。

本发明还提供了用激光对目标物进行定位的方法。目标物浮于水面或位于水下。

参考图4，图4示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的方法400的一个实施例的流程图。如图4所示，方法400可以包括如下步骤401至405。

步骤401为激光发射步骤：通过位于水面的至少一组激光发射器发射激光，一组激光发射器包含至少两个激光源，其从水面上向水下目标发射至少两个波长相等、腰半径不等的激光；其中，激光的传播途径全部位于水中。

根据本发明的一个实施例，一组激光发射器包含两个具有不同腰半径的激光源，其从水面上向水下目标发射两个波长相等、腰半径不等的激光；这两个激光源的位置可以大致重叠，比如：这两个发射源可以相互贴合在一起。

根据本发明的一个实施例，由于在刚开始时激光发射器并不知道水下目标的位置，因此，激光组发射器可以转动地发射激光并在发射的激光中包含定位消息。

步骤402为获取旋转角度步骤：通过陀螺仪获取激光发射器在发射激光时的旋转角度；

步骤403为激光接收步骤：通过位于目标物上的激光接收器接收激光。

步骤404为距离计算步骤：根据接收到的激光的理论分数函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算所述激光发射器与目标物之间的距离。

根据本发明的一个实施例，图5示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤404的一个实施例的流程图。如图5所示，步骤404可以进一步包括如下子步骤501至504。

子步骤501为功率测量步骤，测量激光在激光接收器的接收屏上的功率。

根据本发明的一个实施例，可以采用任何现有的激光功率测试装置和/或方法来测量该功率。

子步骤502是实际分布函数值计算步骤：根据功率和接收屏的面积计算激光在激光组接收器处的实际分布函数值。

根据本发明的一个实施例，实际分布函数值可以是功率与激光组接收器的接收屏的面积的比值。

子步骤503为判断步骤：判断至少两个激光源发射的激光在激光接收器处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限；以及

根据本发明的一个实施例，预先设定的门限值可以为5dB。

当该差异超过了预先设定的门限值时，可以进入子步骤504，否则，可以返回步骤401，转动激光组发射器以改变发射角度并再次发射激光，直至该差异超过该门限值。

子步骤504为第一距离计算子步骤：当差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算激光发射器到目标物的距离：

BSF_1analy(r,z_rec)-BSF₁＝0

其中，其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

由于BSF_1analy(r,z_rec)和BSF₁都是r和距离的函数，当r＝0时，就可以求解出距离。

根据本发明的另一个实施例，参考图6，距离计算步骤404还可以包括子步骤601至603。其中的子步骤601至子步骤602与上述的子步骤501至502类似，这里不再赘述。

子步骤603为第二距离计算子步骤：根据如下方程组计算距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值,BSF_0analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个的理论分布函数，BSF₀为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

步骤405为坐标计算步骤，当计算出激光发射器与目标物之间的距离以及激光发射器发射激光的旋转角度时，可以按照如下公式计算水改成下目标的坐标位置：

x＝Z_rec*cos(θ₁)

y＝Z_rec*cos(θ₂)

z＝Z_rec*cos(θ₃)

其中，(x,y,z)为目标物的坐标位置；θ₁、θ₂和θ₃分别表示陀螺仪测量出的激光发射器发射激光时相对于x轴、y轴和z轴的旋转角度。

至此描述了根据本发明实施例的用激光对目标物进行定位的方法。该方法能够以安全的方式提高对目标物的定位精度，并且容易实现，成本较低。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用激光对目标物进行定位的装置，其特征在于，包括：

至少一组激光发射器，其位于水下或浮于水面，包括至少两个具有不同腰半径的激光源，所述激光发射器用于向水上或目标物发射激光；

陀螺仪，与所述激光发射器相连接，用于测量所述激光发射器发射激光时的旋转角度；

激光接收器，其安装于所述目标物上，用于接收激光发射器发射的激光；

距离计算模块，其与激光接收器相连接，用于根据激光接收器接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算激光发射器与目标物之间的距离；以及

坐标计算模块，用于根据所述距离和所述旋转角度，计算所述目标物的坐标位置，其中：

所述距离计算模块进一步包括：

功率测量模块，用于测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

实际分布函数值计算模块，用于根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在所述激光接收器处的实际分布函数值；

判断模块，用于判断所述至少两个激光源发射的激光在激光接收器处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限值；以及

第一距离计算子模块，用于当所述差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算所述距离；

BSF_1analy(r,z_rec)-BSF₁＝0

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离；

所述距离计算模块进一步包括：

功率测量模块，用于测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

实际分布函数值计算模块，用于根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在所述激光接收器处的实际分布函数值；

第二距离计算子模块，用于根据如下方程组计算所述距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值,BSF_0analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个的理论分布函数，BSF₀为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

2.根据权利要求1所述的用激光对目标物进行定位的装置，其特征在于，每组激光发射器包括两个激光源，所述两个激光源的位置大致重叠。

3.根据权利要求1所述的用激光对目标物进行定位的装置，其特征在于，所述激光发射器发射的激光包含定位信息，当所述激光接收器接收到所述定位信息时，所述激光接收器向所述激光发射器回复定位确认信息。

4.一种用激光对目标物进行定位的方法，其特征是，包括以下步骤：

通过激光发射器从水面上或水面下向所述目标物发射至少两个波长相等、腰半径不等的激光；所述激光的传播途径全部位于水中；

获取激光发射器在发射激光时的旋转角度；

通过位于目标物上的激光接收器接收所述激光；

根据接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算所述激光发射器与目标物之间的距离；以及

根据所述距离和所述旋转角度，计算目标物的位置坐标，其中：

所述根据接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算所述激光发射器与目标物之间的距离的步骤进一步包括：

测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在激光接收器处的实际分布函数值；

判断所述至少两个激光源发射的激光在激光接收器处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限值；以及

当所述差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算所述距离；

BSF_1analy(r,z_rec)-BSF₁＝0

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离；

所述根据接收到的激光的理论分布函数与激光在激光接收器处的实际分布函数值计算所述激光发射器与目标物之间的距离的步骤进一步包括：

测量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

根据所述功率和所述接收屏的面积计算所述激光在激光接收器处的实际分布函数值；以及根据如下方程组计算所述距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，BSF_1analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个的理论分布函数，BSF₁为所述至少两个激光源中腰半径最大的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值,BSF_0analy(r,z_rec)为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个的理论分布函数，BSF₀为所述至少两个激光源中腰半径最小的一个在所述激光接收器处的实际分布函数值，z_rec为所述距离。

5.根据权利要求4所述的用激光对目标物进行定位的方法，其特征是，所述根据所述距离和所述旋转角度，计算目标物的位置坐标的步骤进一步包括：

按照如下公式计算目标物的位置坐标：

x＝Z_rec*cos(θ₁)

y＝Z_rec*cos(θ₂)

z＝Z_rec*cos(θ₃)

其中，(x,y,z)为目标物的坐标位置；θ₁、θ₂和θ₃分别表示陀螺仪测量出的激光发射器发射激光时相对于x轴、y轴和z轴的旋转角度。

6.根据权利要求4所述的用激光对目标物进行定位的方法，其特征是，所述激光为窄束激光。

Images