CN109884791A - 一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法，针对光电探测、激光雷达等领域对扫描技术提出了大范围、快速、高精度的要求，目前传统的扫描方式很难兼顾这些指标。本发明提供了基于旋转双棱镜的高精度快速扫描方法：通过设计周期型螺旋扫描轨迹，利用预处理函数提高平滑性，并通过高精度解算算法，减小周期型扫描误差，使两个旋转电机均往同一个方向运动的情况下就可实现快速高精度扫描，降低了系统对电机加速度和驱动能力的要求，提高了扫描的快速性。

Description

一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法

技术领域

本发明属于光电探测领域，具体涉及一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法。

背景技术

大范围、快速、高精度扫描是光电探测、激光雷达等领域的一项关键技术，目前传统的扫描方式很难兼顾这些指标。旋转双棱镜用于光学扫描具有极大优势，主要体现在：传统的机架和反射镜扫描方式需要反复调头，在快速扫描时对系统的加速度要求很高。

基于旋转双棱镜(Risley棱镜)的光束控制机构，通过两个棱镜同轴独立旋转，可实现光束的大角度偏转，具有结构紧凑、刚度高、响应迅速的特点。两个棱镜可以往一个方向同时旋转，通过调整两个棱镜之间的角度差实现不同扫描的图案。而扫描技术在要求快速、高精度的同时，还需要降低漏扫区域和重复扫描区域，所以对扫描轨迹的设计提出了苛刻的要求。

在先技术(中国专利CN1256609C与中国专利CN2655268)中提出采用该结构进行光束扫描，对基于旋转双棱镜的扫描装置和扫描算法进行了研究，但并未解决扫描的高精度、快速性、漏扫和重复扫描等问题。在先技术中国专利CN106249405B中，设计了利用涡轮蜗杆驱动三块楔形棱镜的扫描机构，可以扩大扫描视场，解决盲区问题。李锦英等在中国专利CN103631276A提出了一种旋转双棱镜用于目标跟踪的方法，主要着眼于解决基于探测器的闭环跟踪技术，但未对扫描问题进行深入分析。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，充分利用旋转棱镜的技术特点设计高效的扫描轨迹，优化棱镜旋转方式，避免扫描过程中电机的调头现象，减小了系统对电机加速度的要求，提高了扫描效率，实现了大范围、高精度的快速扫描。

本发明的技术方案包括：一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法，首先组成扫描装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。其中，两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装。第一电机3和第二电机4的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连，省却了中间传动环节，具有响应快、刚度高的特点；第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ₁，并将θ₁送到控制器8；第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ₂，并将θ₂送到控制器8；探测器7可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀。控制器8根据设定的目标引导数据方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，输出电压信号V₁至第一电机3，输出电压信号V₂至第二电机4，并接收第一棱镜的位置θ₁、第二棱镜的位置θ₂、探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀。

完成扫描的过程如下：

1)设计螺旋扫描轨迹，方位角Θ_t和俯仰角Φ_t。

ω表示方位角方向对应的速度；v表示俯仰角方向对应的速度；t表示时间；v的计算方式如下：

Φ_max表示俯仰角的最大值；k₁和k₂为设置的增益系数；t表示时间；mod(ω·t,Φ_max)表示ω·t对Φ_max求模后的余数；f₁(v_a)和f₂(v_a)表示对v_a进行预处理；v_a表示如下：

其中t表示时间；v₀表示设置的俯仰角方向的原始速度；T表示扫描周期；t表示时间；mod(t,T)表示t对T求模后的余数。

2)根据Θ_t和Φ_t计算两个棱镜需要旋转到的新位置θ₁ ^*、θ₂ ^*。按两步法计算θ₁ ^*和θ₂ ^*：

第一步：由俯仰角Φ_t计算Δθ＝|θ₁-θ₂|。具体流程如下所示：

步骤1、取棱镜夹角为转步骤2；

步骤2、由迭代优化方法计算得到俯仰角Φ_i，转步骤3；

步骤3、如果|Φ_i-Φ_t|＜ε(ε为设定的精度要求)，Δθ_i+1＝Δθ_i，流程结束；否则转步骤4；

步骤4、如果Φ_i＜Φ_t，取如果Φ_i＞Φ_t，取转步骤5；

步骤5、更新i＝i+1；转步骤2。

第二步：在第一步基础上，得到了棱镜夹角Δθ＝|θ₁-θ₂|，并由迭代优化方法得到2个方位角Θ₀和Θ₀'，则两个棱镜需要旋转到的最终位置有两组解。

3)根据旋转角度最小原则选择上述两组解中的一组设为θ₁ ^*和θ₂ ^*，通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动，使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ₁ ^*、θ₂ ^*，棱镜将指向期望的方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1.本发明提出的扫描算法解决了旋转双棱镜用于快速扫描的问题，可用于对扫描范围、速度和精度具有较高要求的场合。

2.此装置和扫描方式结构紧凑、响应迅速，不需要电机反复调头，对电机力矩要求低。

附图说明

图1为本发明一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法利用的装置结构图；

图2为扫描轨迹图；

图3为棱镜1和棱镜2的旋转位置曲线；

图4为扫描误差曲线。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

首先结合图1介绍基于旋转双棱镜的跟踪装置。组成目标跟踪装置的主要部件有第一棱镜1、第二棱镜2、第一电机3、第二电机4、第一位置传感器5、第二位置传感器6、探测器7、控制器8。

其中第一棱镜1和第二棱镜2的顶角为7.5°，折射率为1.5；

第一电机3和第二电机4均为环形力矩电机，二者的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连，省却了中间传动环节，具有响应快、刚度高的特点；

第一位置传感器5、第二位置传感器6为圆光栅，具有精度高、重量轻的优点；第一位置传感器5测量第一棱镜1绕转轴的旋转角度θ₁，并将θ₁送到控制器8；第二位置传感器6测量第二棱镜2绕转轴的旋转角度θ₂，并将θ₂送到控制器8；

探测器7的本身视场设为0.5°，可以测量得到目标在探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀；

控制器8接收第一棱镜的位置θ₁、第二棱镜的位置θ₂、探测器7上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，以及外部给定的目标引导数据方位角Θ₁和俯仰角Φ₂；输出电压信号V₁至第一电机3，输出电压信号V₂至第二电机4。

完成扫描的过程如下：

1)设计螺旋扫描轨迹，方位角Θ_t和俯仰角Φ_t。

ω表示方位角方向对应的速度，设为16π°/s；v表示俯仰角方向对应的速度；t表示时间；v的计算方式如下：

Φ_max表示俯仰角的最大值，设为1.5°；k₁和k₂为设置的增益系数，均设为0.005；mod(ω·t,Φ_max)表示ω·t对Φ_max求模后的余数；f₁(v_a)和f₂(v_a)表示对v_a进行预处理，简单起见此处均设为低通滤波器s表示拉普拉斯算子；v_a表示如下：

其中v₀表示设置的俯仰角方向的原始速度，设为1.5°/s；T表示扫描周期，设为1秒；mod(t,T)表示t对T求模后的余数。

得到期望的扫描轨迹如图2所示。

2)根据Θ_t和Φ_t计算两个棱镜需要旋转到的新位置θ₁ ^*、θ₂ ^*。按两步法计算θ₁ ^*和θ₂ ^*：

第一步：由俯仰角Φ_t计算Δθ＝|θ₁-θ₂|。具体流程如下所示：

步骤1、取棱镜夹角为转步骤2；

步骤2、由迭代优化方法计算得到俯仰角Φ_i，转步骤3；

步骤3、如果|Φ_i-Φ_t|＜ε(ε为设定的精度要求，此处设为5″)，Δθ_i+1＝Δθ_i，流程结束；否则转步骤4；

步骤4、如果Φ_i＜Φ_t，取如果Φ_i＞Φ_t，取转步骤5；

步骤5、更新i＝i+1；转步骤2。

第二步：在第一步基础上，得到了棱镜夹角Δθ＝|θ₁-θ₂|，并由迭代优化方法得到2个方位角Θ₀和Θ₀'，则两个棱镜需要旋转到的最终位置有两组解：

或

3)根据旋转角度最小原则选择上述两组解中的一组，通过控制器8控制第一电机3和第二电机4运动，使其带动第一棱镜1和第二棱镜2旋转到位置θ₁ ^*、θ₂ ^*，棱镜将指向期望的方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，。

扫描过程如图2-图4所示。图2为期望的扫描轨迹；图3为第一棱镜1和第二棱镜2旋转的位置曲线；图4为最终扫描的x方向和y方向的角度误差(x方向和y方向如图1坐标系所示)。可以看出第一棱镜1和第二棱镜2一直往同一个方向旋转，不需要调头，就实现了螺旋扫描，并且在全时段螺旋扫描的精度在x方向和y方向均小于10″，特别是在过渡过程之外的扫描误差均小于2″。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭示的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

Claims (3)

1.一种基于旋转双棱镜的快速高精度扫描方法，其特征在于：该方法利用的装置包括：第一棱镜、第二棱镜、第一电机、第二电机、第一位置传感器、第二位置传感器、探测器、控制器，其中，两个棱镜、两个电机和探测器为同轴安装，第一电机和第二电机的转子分别与第一棱镜和第二棱镜直接相连；第一位置传感器测量第一棱镜绕转轴的旋转角度θ₁，并将θ₁送到控制器；第二位置传感器测量第二棱镜绕转轴的旋转角度θ₂，并将θ₂送到控制器；探测器可以测量得到目标在探测器上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀，并将其送到控制器，控制器根据设定的目标引导数据方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，输出电压信号V₁至第一电机，输出电压信号V₂至第二电机，并接收第一棱镜的位置θ₁、第二棱镜的位置θ₂、探测器上所成像点的方位角Θ₀和俯仰角Φ₀；该方法扫描过程如下：

1)设计螺旋扫描轨迹，方位角Θ_t和俯仰角Φ_t，

其中，ω表示方位角方向对应的速度；v表示俯仰角方向对应的速度；t表示时间；v的计算方式如下：

其中，Φ_max表示俯仰角的最大值；k₁和k₂为设置的增益系数；t表示时间；mod(ω·t,Φ_max)表示ω·t对Φ_max求模后的余数；f₁(v_a)和f₂(v_a)表示对v_a进行预处理；v_a表示如下：

其中，v₀表示设置的俯仰角方向的原始速度；T表示扫描周期；t表示时间；mod(t,T)表示t对T求模后的余数；

2)根据Θ_t和Φ_t计算两个棱镜需要旋转到的新位置θ₁ ^*、θ₂ ^*，按如下方法计算θ₁ ^*和θ₂ ^*：

第一步：由俯仰角Φ_t计算Δθ＝|θ₁-θ₂|，具体流程如下所示：

步骤1、取棱镜夹角为转步骤2；

步骤2、由迭代优化方法计算得到俯仰角Φ_i，转步骤3；

步骤3、如果|Φ_i-Φ_t|＜ε(ε为设定的精度要求)，Δθ_i+1＝Δθ_i，流程结束；否则转步骤4；

步骤4、如果Φ_i＜Φ_t，取如果Φ_i＞Φ_t，取转步骤5；

步骤5、更新i＝i+1；转步骤2；

第二步：在第一步基础上，得到了棱镜夹角Δθ＝|θ₁-θ₂|，并由迭代优化方法得到2个方位角Θ₀和Θ₀'，则两个棱镜需要旋转到的最终位置有两组解；

3)根据旋转角度最小原则选择上述两组解中的一组设为θ₁ ^*和θ₂ ^*，通过控制器控制第一电机和第二电机运动，使其带动第一棱镜和第二棱镜旋转到位置θ₁ ^*、θ₂ ^*，棱镜将指向期望的方位角Θ_t和俯仰角Φ_t。

2.根据权利要求1所述的旋转双棱镜的快速高精度扫描方法，其特征在于：根据旋转双棱镜的特性设计高精度周期型螺旋式扫描轨迹，提高扫描精度、降低扫描的漏扫率和重复率。

3.根据权利要求1所述的旋转双棱镜的快速高精度扫描方法，其特征在于：通过设计周期型螺旋扫描轨迹，利用预处理函数提高平滑性，并通过高精度解算算法，减小周期型扫描误差，使第一电机和第二电机均往同一个方向运动的情况下就可实现快速高精度扫描。