CN109211223A - 一种集成化接近测量敏感器及系统 - Google Patents

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Abstract

一种集成化接近测量敏感器及系统，包括脉冲激光光源(1)、结构光激光光源(2)、激光发射光学系统(3)、收发同步二维扫描光路组件、激光接收光学系统(4)、分光镜(6)、APD激光探测器(7)、第一APS成像探测器(8)、可见光接收光学系统(9)、第二APS成像探测器(10)；通过减小瞬时视场能够最大程度克服阳光干扰，具备全天时工作能力，可以通过模式自主切换实现合作/非合作目标测量，以及光学、激光、结构光测量体制组合及数据融合，可以实现非合作目标三维重建和相对测量，融合光学信息后能够提高点云算法的鲁棒性。

Description

一种集成化接近测量敏感器及系统
技术领域
本发明涉及一种集成化接近测量敏感器及系统，属于空间探测技术领域。
背景技术
随着空间探测技术的不断发展，空间在轨服务、空间目标在轨操作已成为探索外太空必不可少的技术。通过这些技术有望实现卫星在轨维修、维护，大型探测设备在轨制造，空间目标自主打击与防御等等。其中对合作/非合作目标接近过程中各种运动信息(位置、姿态、速度等)的测量技术十分关键，是实现对合作/非合作目标进行接近、操作需解决的首要问题。
当前用于合作目标的接近测量技术比较成熟，通过在目标上设计装配靶镜或通讯设施等措施，在具有目标先验知识情况下，实现对目标位置、姿态、速度的测量。常用的技术有光学几何摄影测量法、GPS通讯定位法等。该技术多用于空间交会对接任务中，实现已方事先设计好的航天器之间的对接、燃料补给、货物运输等任务。
然而空间操作中，更多的目标是非合作的，事先无法获得目标的先验信息，如空间碎片、失效的卫星、敌对空间目标等等。通常这些目标的运动状态、形状、材质各异，这给目标运动信息的测量带来了极大挑战。目前，用于空间非合作目标位姿测量的技术方案，主要分为基于相机投影几何(立体视觉相机、结构光相机等)的方案和激光点云测距(扫描激光雷达、TOF闪光激光雷达)的方案两大类。在技术特点上，相机类方案近距离位姿测量精度高，对目标的形态、细节呈现丰富，缺点是容易受空间光照条件限制和杂光干扰；激光类方案工作距离可以由十几米覆盖到数十公里，测量的作用范围宽，测距精度高，不足之处为近距离(十米以内)测量精度较低，主要原因是近距离激光飞行时间极短，难以实现高精度的定时测量。
美国XSS-10任务用单目可见光相机作为非合作目标的测量手段，只能获取目标的方位和形态信息，而且相机只能在有光照条件下工作，且受杂光影响较大；XSS-11任务又增加了激光雷达设备，增加了非合作目标的测距功能，但是无法获取远距离目标的点云数据和姿态信息；SUMO任务中除了配置了单目、双目相机外还配置了结构光相机，可以实现对目标近距离的位姿测量和远距离方位测量，但是无法实现远距离目标的位置和姿态测量。
综上所述，现有技术主要存在的问题在于：成像类探测方式作用距离短，受光照条件限制，难以实现全天时工作，且易受杂光影响；激光类探测方式近距离测量精度低；多数飞行任务只是不同探测方案的简单组合，测量数据融合能力差，系统集成度低；测量算法对目标的适应性不强，无法有效稠密重构目标模型，在位姿ICP解算中容易陷入局部收敛导致位姿解算失败等等。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种集成化接近测量敏感器及系统，通过减小瞬时视场能够最大程度克服阳光干扰，具备全天时工作能力，可以通过模式自主切换实现合作/非合作目标测量，光学、激光、结构光测量体制组合及数据融合，可以实现非合作目标三维重建和相对测量，融合光学信息后能够提高点云算法的鲁棒性。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：
一种集成化接近测量敏感器，包括脉冲激光光源、结构光激光光源、激光发射光学系统、收发同步二维扫描光路组件、激光接收光学系统、分光镜、APD激光探测器、第一APS成像探测器、可见光接收光学系统、第二APS成像探测器；
所述脉冲激光光源发出的脉冲激光和所述结构光激光光源发出的结构光激光均依次经所述激光发射光学系统和收发同步二维扫描光路组件后出射，经被测目标反射后形成反射激光，所述反射激光由所述收发同步二维扫描光路组件接收并反射进入激光接收光学系统，所述激光接收光学系统通过分光镜将反射激光分成反射脉冲激光和反射结构光激光两路，其中脉冲激光进入所述APD激光探测器进行光电转换后用于TOF测量，结构光激光进入所述第一APS成像探测器进行光电转换后用于结构光测量；所述可见光接收光学系统将视场内被测目标的反光收集后输出给第二APS成像探测器，所述第二APS成像探测器对反光进行光电转换用于视觉测量。
上述集成化接近测量敏感器，所述激光发射光学系统采用两个准直器能够对两路输入激光进行准直，并将两路激光共轴输出。
上述集成化接近测量敏感器，所述激光接收光学系统的视场角不小于±7°。
上述集成化接近测量敏感器，所述TOF测量对应的瞬时视场不大于±1.25°。
上述集成化接近测量敏感器，所述收发同步二维扫描光路组件包括X轴摆镜、Y轴摆镜；
所述X轴摆镜和Y轴摆镜的扫描范围均不小于±15°。
上述集成化接近测量敏感器，所述可见光接收光学系统的视场角不小于±15°。
上述集成化接近测量敏感器，所述脉冲激光光源发出的脉冲激光和所述结构光激光光源发出的结构光激光共轴输出；所述可见光接收光学系统的光轴与所述脉冲激光光源发出的脉冲激光的光轴平行。
一种集成化接近测量系统，包括上述集成化接近测量敏感器，还包括数据处理单元；所述收发同步二维扫描光路组件包括X轴摆镜、Y轴摆镜；
所述数据处理单元采集APD激光探测器、第一APS成像探测器、第二APS成像探测器的光电转换结果；然后，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合TOF激光测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合结构光三角测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元通过光学成像方法直接获取目标的图像信息；最后，所述数据处理单元根据被测目标的三维信息通过序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量，或，所述数据处理单元利用图像信息特征提取及序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量。
上述集成化接近测量系统，所述导航信息测量包括非合作目标测量和合作目标测量两种模式。
上述集成化接近测量系统，所述数据处理单元根据第二APS成像探测器的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值，然后所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值作为ICP算法的输入参数。
上述集成化接近测量系统，所述被测目标包括合作目标和非合作目标；当被测目标为非合作目标时，所述数据处理单元根据第二APS成像探测器的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据，所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据进行区域分割和立体轮廓拟合完成非合作目标的在轨模型重建，然后根据在轨模型重建结果利用ICP算法完成非合作目标的姿态测量。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果：
(1)本发明实现了两类基础级的体制融合，结构上首先光学模块、激光模块近距离共基体安装，有效保障光学对激光出射的导引；其次激光、结构光实现了共扫描机构和同接收光学系统，一方面有效减轻了系统重量，另一方面保障了两个体制下目标点云位置对应性、连续性和双体制计算结果的平稳性。数据上，光学指向和激光指向经过在轨标定技术实现了统一，而激光和结构光在结构上就保证了一致，在三维重建中三种体制的数据综合使用实现了精细化的模型重建；
(2)现有技术合作目标的位姿测量通常是基于光学相机进行成像计算的，存在阳光抑制角限制(一般在25°左右)，难以满足全天候需求，本发明提出的基于扫描的合作非合作一体化技术，采用了±1.25°瞬时视场结合内部消杂光设计具备了全天候测量能力；分别针对合作与非合作目标提出了双模工作方式，合作目标使用强度图并结合小范围低功率快扫模式，根据标志器位置计算六自由度，非合作目标使用大范围高功率扫描根据点云使用ICP算法计算非合作目标六自由度信息。
附图说明
图1为本发明系统的组成示意图；
图2为本发明挡光板的结构示意图；
图3为本发明结构光回光光斑形状图；
图4为本发明结构光距离与光斑质心位置曲线；
图5为本发明针对模型开展三维重建效果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。
一种集成化接近测量系统，集成化接近测量敏感器，还包括数据处理单元。一种集成化接近测量敏感器，包括脉冲激光光源1、结构光激光光源2、激光发射光学系统3、收发同步二维扫描光路组件、激光接收光学系统4、分光镜6、APD激光探测器7、第一APS成像探测器8、可见光接收光学系统9、第二APS成像探测器10，如图1所示。
所述收发同步二维扫描光路组件包括反射棱镜51、X轴摆镜52、发射旁镜53、Y轴摆镜54、接收旁镜55。所述发射旁镜53为一个指向可调反射镜用于调整出射激光的出射偏航角，调整范围不小于±1°。
所述第一APS成像探测器8可以为面阵探测器也可以为线阵探测器，且像面应与激光接收光学系统4的光轴倾斜安装，倾斜角度应根据激光出射光轴与激光接收光学系统4的光轴距离确定。所述第一APS成像探测器8前设置窄带滤光片，用于滤除环境杂光影响。
所述APD激光探测器7的电路除能够测量飞行时间外，至少还能测得回光强度，回光强度可用于定位合作目标标志器。
所述脉冲激光光源1发出的脉冲激光和所述结构光激光光源2发出的结构光激光共轴输出；所述可见光接收光学系统9的光轴与所述脉冲激光光源1发出的脉冲激光的光轴平行。所述激光发射光学系统3的出口端具备一个指向可调反射镜用于调整出射激光的出射俯仰角，调整范围不小于±1°。即可见光接收光学系统9的光轴与两种激光出射光轴平行，激光视场与光学视场区域重合，较小的安装偏差经高精度标定实现共基准初值，实现结构级信息融合。所述激光发射光学系统3采用两个准直器能够对两路输入激光进行准直，并将两路激光共轴输出。所述激光接收光学系统4的视场角不小于±7°。所述X轴摆镜52和Y轴摆镜54的扫描范围均不小于±15°。所述可见光接收光学系统9的视场角不小于±15°。
所述脉冲激光光源1发出的脉冲激光和所述结构光激光光源2发出的结构光激光均依次经所述激光发射光学系统3和收发同步二维扫描光路组件后出射，经被测目标反射后形成反射激光，所述反射激光由所述收发同步二维扫描光路组件接收并反射进入激光接收光学系统4，所述激光接收光学系统4通过分光镜6将反射激光分成反射脉冲激光和反射结构光激光两路，其中脉冲激光进入所述APD激光探测器7进行光电转换后用于TOF测量，所述TOF测量对应的瞬时视场不大于±1.25°；结构光激光进入所述第一APS成像探测器8进行光电转换后用于结构光测量；所述可见光接收光学系统9将视场内被测目标的反光收集后输出给第二APS成像探测器10，所述第二APS成像探测器10对反光进行光电转换用于视觉测量。
所述TOF测量工作距离的范围为2m～2km；所述结构光测量工作距离的范围为0.5m～10m。
所述数据处理单元采集APD激光探测器7、第一APS成像探测器8、第二APS成像探测器10的光电转换结果；然后，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合TOF激光测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合结构光三角测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元通过光学成像方法直接获取目标的图像信息；最后，所述数据处理单元根据被测目标的三维信息通过序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量，或，所述数据处理单元利用图像信息特征提取及序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量。即所述的APD激光探测器7、第一APS成像探测器8、第二APS成像探测器10的光电转换结果被数据处理单元统一采集并处理，得到被测目标的三维信息及图像信息，并依据被测目标的三维信息及图像信息完成对被测目标精密三维重建或导航信息测量，实现数据级信息融合。
所述导航信息测量包括非合作目标测量和合作目标测量两种模式。非合作目标测量模式下，集成化接近测量系统采用大功率大范围扫描模式获得被测目标点云，根据点云数据完成距离、方向的求解，开展目标识别和姿态计算；合作目标测量模式下，集成化接近测量系统首先根据强度图完成标志器方位确定，然后围绕标志器的位置进行小范围、低功率扫描，结合距离数据完成合作目标的六自由度计算。
所述的数据级信息融合包括将光学图像的处理结果和点云数据处理相互融合，光学图像的实现是中心矢量提取，帆板、天线、本体等大模板特征识别，利用这些特征一方面可以计算出较好的姿态初值，同时可以将获得的点云进行分类，依据姿态初值和分类后的点云信息，采用局部特征与整体点云融合的ICP算法使结果得到较大改善。具体的，所述数据处理单元根据第二APS成像探测器10的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值，然后所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值作为ICP算法的输入参数。
所述被测目标包括合作目标和非合作目标；当被测目标为非合作目标时，所述数据处理单元根据第二APS成像探测器10的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据，所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据进行区域分割和立体轮廓拟合完成非核目标的在轨模型重建，然后根据在轨模型重建结果利用ICP方法完成非合作目标的姿态测量。
本发明能够同时实现激光TOF测量、结构光测量和光学系统测量，其中激光与结构光采用共扫描结构和共接收系统，光学系统测量与激光测量共光轴设计，可以实现不同距离和不同数据的融合，具备对合作非合作目标远距视线测量功能、中近距离测距功能、六自由度测量功能、三维精细重建功能。使用激光联合结构光的扫描机制减小瞬时视场，工作中依靠扫描来扩展视场，使用太阳模拟器在实验室开展实测，太阳抑制角1.6度。
实施例：
本实施例采用1064nm光纤激光器作为脉冲激光光源1，采用850nm半导体激光器作为结构光激光光源2，这两个谱段分别位于APD激光探测器7第一APS成像探测器8的敏感谱段，且太阳辐射较弱，有利于提高敏感器的抗杂光能力。激光接收光学系统4用于接收目标反射回光，口径20mm，分光镜6用于透射脉冲激光并反射结构光激光，可见光接收光学系统9工作谱段选择500nm～800nm。第一APS成像探测器8选择线阵探测器，探测器分辨率1×4096，像元尺寸7μm×7μm，像面倾斜60°安装。为提高整机抗杂光能力，在收发同步二维扫描光路组件和激光接收光学系统4入口处，分别增加挡光板。
本实施例的工作效果为：在收发同步二维扫描光路组件和激光接收光学系统4入口处，分别增加挡光板，如图2所示；对于结构光测量，出射光斑尺寸不大于3mm，回光光斑形状如图3所示；物距与光斑质心关系如图4所示；结构光测量不确定度小于3mm；TOF测距不确定度不大于50mm；整机太阳抑制角实测值为1.6°；针对非合作目标测量姿态测量精度优于1°；针对目标合作测量姿态测量精度优于0.3°；实验室内针对卫星模型开展基于图像和点云的三维重建试验，结果如图5所示。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (11)

1.一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：包括脉冲激光光源(1)、结构光激光光源(2)、激光发射光学系统(3)、收发同步二维扫描光路组件、激光接收光学系统(4)、分光镜(6)、APD激光探测器(7)、第一APS成像探测器(8)、可见光接收光学系统(9)、第二APS成像探测器(10)；
所述脉冲激光光源(1)发出的脉冲激光和所述结构光激光光源(2)发出的结构光激光均依次经所述激光发射光学系统(3)和收发同步二维扫描光路组件后出射，经被测目标反射后形成反射激光，所述反射激光由所述收发同步二维扫描光路组件接收并反射进入激光接收光学系统(4)，所述激光接收光学系统(4)通过分光镜(6)将反射激光分成反射脉冲激光和反射结构光激光两路，其中脉冲激光进入所述APD激光探测器(7)进行光电转换后用于TOF测量，结构光激光进入所述第一APS成像探测器(8)进行光电转换后用于结构光测量；所述可见光接收光学系统(9)将视场内被测目标的反光收集后输出给第二APS成像探测器(10)，所述第二APS成像探测器(10)对反光进行光电转换用于视觉测量。
2.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述激光发射光学系统(3)采用两个准直器能够对两路输入激光进行准直，并将两路激光共轴输出。
3.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述激光接收光学系统(4)的视场角不小于±7°。
4.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述TOF测量对应的瞬时视场不大于±1.25°。
5.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述可见光接收光学系统(9)的视场角不小于±15°。
6.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述脉冲激光光源(1)发出的脉冲激光和所述结构光激光光源(2)发出的结构光激光共轴输出；所述可见光接收光学系统(9)的光轴与所述脉冲激光光源(1)发出的脉冲激光的光轴平行。
7.根据权利要求1所述的一种集成化接近测量敏感器，其特征在于：所述收发同步二维扫描光路组件包括X轴摆镜(52)、Y轴摆镜(54)；
所述X轴摆镜(52)和Y轴摆镜(54)的扫描范围均不小于±15°。
8.一种集成化接近测量系统，其特征在于：包括权利要求1～6任一所述的集成化接近测量敏感器，还包括数据处理单元；所述收发同步二维扫描光路组件包括X轴摆镜(52)、Y轴摆镜(54)；
所述数据处理单元采集APD激光探测器(7)、第一APS成像探测器(8)、第二APS成像探测器(10)的光电转换结果；然后，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合TOF激光测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元利用X轴摆镜和Y轴摆镜的二维扫描配合结构光三角测距原理获得被测目标的三维信息，或，所述数据处理单元通过光学成像方法直接获取目标的图像信息；最后，所述数据处理单元根据被测目标的三维信息通过序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量，或，所述数据处理单元利用图像信息特征提取及序列图像连续帧间匹配方法完成被测目标精密三维重建和或导航信息测量。
9.根据权利要求8所述的一种集成化接近测量系统，其特征在于：所述导航信息测量包括非合作目标测量和合作目标测量两种模式。
10.根据权利要求8所述的一种集成化接近测量系统，其特征在于：所述数据处理单元根据第二APS成像探测器(10)的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值，然后所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和姿态初值作为ICP算法的输入参数。
11.根据权利要求8所述的一种集成化接近测量系统，其特征在于：所述被测目标包括合作目标和非合作目标；当被测目标为非合作目标时，所述数据处理单元根据第二APS成像探测器(10)的光电转换结果利用边缘特征提取或模式识别或阈值分割方法获得被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据，所述数据处理单元根据被测目标分类后的原始点云数据和二维图像数据进行区域分割和立体轮廓拟合完成非合作目标的在轨模型重建，然后根据在轨模型重建结果利用ICP算法完成非合作目标的姿态测量。
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