CN110058256B - 一种基于分离腔的跟踪定位系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机和跟踪目标，跟踪主机包括全反射镜、增益模块、第一回复反射结构、光瞳投射单元、谐振适配单元、主控系统和分别与主控系统连接的转动电机、泵浦模块、位置敏感探测器、干涉测距单元、第一通信装置，转动电机控制整个跟踪主机转动，增益模块设置在全反射镜处并由泵浦模块提供泵浦能量；跟踪目标包括第二回复反射结构、第二通信装置，第二通信装置与第一通信装置连接。与现有技术相比，本发明采用带谐振适配单元的分离谐振腔长腔激光器结构，实现了0‑50米距离的激光跟踪定位，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，可提供跟踪目标的距离和相对位置信息，适用于智能穿戴设备应用。

Description

一种基于分离腔的跟踪定位系统
技术领域
本发明涉及激光跟踪定位领域，尤其是涉及一种基于分离腔的跟踪定位系统。
背景技术
国际上激光跟踪仪供应商主要有瑞士Leica、德国PI miCos、美国API和FARO等几家，其市场需求巨大，已广泛应用于航空航天、汽车船舶、轨道交通、智能制造、科学工程等领域。近年来随着消费电子技术的快速发展，激光跟踪技术又开始渗透到智能穿戴设备领域，如虚拟现实眼镜。激光跟踪仪是一种高端通用的光学精密测量仪器，不仅可测量静止目标的高精度三维坐标测量，还可以对运动目标实现跟踪，其技术发展可最早追溯到上世纪八十年代，由美国国家标准局研究人员R.Hocken和K.Lan提出，按原理通常分为单站式球坐标法、多站式多边法和两站式三角法等三种激光跟踪仪。
国内也有相关科研机构对激光跟踪测量系统从事研究，但是目前主要还是处于原理性实验和试制阶段。比如，1997年天津大学的付继友等采用两路悬丝转镜干涉仪组成了平面坐标测量系统；2001年清华大学刘永东等设计了三站激光跟踪测量系统，在1米的距离范围内实现了一维平面内合作目标的跟踪测量实验；2003年天津大学的张国雄等基于多边法测量原理建立了四路激光跟踪干涉柔性测量系统，并在1000mm×1200mm×800mm范围内完成了跟踪测量实验；2010年隋修武等改进研究了单站式激光跟踪测量系统；2012年张亚娟进一步研究了单站式激光跟踪测量系统；2012年四川大学的杨艳等提出了粗精结合的两级双轴联动控制系统，开展了三维空间的目标跟踪实验；2016年中科院光电研究所、中科院线光机所等多家单位在国家重大仪器设备开发专项“新型飞秒激光跟踪仪研发”的基础上，公开了最远跟踪距离不低于41.7m，最大跟踪速度不低于2.0m/s的便携式、多功能精密激光跟踪测量系统。
综上所述，首先，传统的激光跟踪测量系统均是采用谐振腔外的激光光束作为待测信号，由于安全原因(尤其在民用领域)，通常难以提高待测信号功率，从而对测量仪器的分辨能力提出了较高要求，并通常需要设计多个半导体激光器光源提高了系统成本。其次，传统的激光跟踪测量系统通常采用半导体激光器光源作为待测信号，其光束准直性较差，严重限制激光跟踪仪的跟踪测量范围和精度，通过准直光学组镜系统可以改善该问题，但是增加了系统复杂度。再次，传统的激光跟踪测量系统通常用角锥棱镜作为合作目标，当动态跟踪时待测光束与参考光束不易重合，会影响干涉法测距设备的位移测距性能。
目前还没有基于分离谐振腔长腔激光器的激光跟踪系统研究。分离谐振腔的长腔激光器结构可以提供高功率密度的谐振腔内共振光束作为待测信号。该共振光束准直性高，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，易于在光学元件上形成干涉光斑。它作为待测信号既可提供跟踪目标相对位置信息，也可通过干涉法或光斑测量法提供跟踪目标的距离信息，还可为跟踪目标传输能量，其优点能很好的适用于当前的智能穿戴设备应用。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于分离腔的跟踪定位系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机和跟踪目标，所述跟踪主机包括全反射镜、增益模块、第一回复反射结构、光瞳投射单元、谐振适配单元、主控系统和分别与主控系统连接的转动电机、泵浦模块、位置敏感探测器、干涉测距单元、第一通信装置，所述转动电机控制整个跟踪主机转动，所述增益模块设置在全反射镜处并由泵浦模块提供泵浦能量；所述跟踪目标包括第二回复反射结构、第二通信装置，所述第二通信装置与第一通信装置连接；
所述第一回复反射结构发出的共振光束依次经过全反射镜、光瞳投射单元和谐振适配单元到达第二回复反射结构，并在第一回复反射结构与第二回复反射结构之间振荡放大；所述谐振适配单元产生的泄漏光束进入干涉测距单元进行距离测量，所述第一回复反射结构产生的泄漏光束进入位置敏感探测器进行相对位置测量；所述主控系统分析处理位置敏感探测器与干涉测距单元所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标的空间坐标，并控制转动电机来跟随跟踪目标。
优选的，所述谐振适配单元包括干涉分光镜和设置在干涉分光镜两侧的部分反射单元、全反射单元；所述干涉分光镜将第一回复反射结构发出的共振光束分为两束，一束经部分反射单元反射传输到干涉测距单元上，另一束经过第二回复反射结构后返回，返回达到谐振适配单元后的一部分共振光束经干涉分光镜后经全反射单元的反射，再经干涉分光镜与部分反射单元透射进入干涉测距仪，进行干涉法位移测量，另一部分返回到第一回复反射结构。
优选的，所述光瞳投射单元将系统光瞳处的增益模块投射到干涉分光镜的中心，所述增益模块与干涉分光镜的中心均位于光瞳投射单元的两倍焦距位置。
优选的，所述干涉测距仪采集干涉分光镜中心的干涉光斑信息，利用光斑测量法，通过光斑尺寸与第一回复反射结构和第二回复反射结构形成的长腔激光器的腔长的关系，测量跟踪主机与跟踪目标间距离。
优选的，所述位置敏感探测器通过实时探测第一回复反射结构的泄漏光束偏离位置敏感探测器的光感中心情况，为主控系统提供位置跟踪信息。
优选的，所述跟踪目标还包括设置在第二回复反射结构处的光电转换器，所述光电转换器通过电能转换器连接电池，所述电池为第二通信装置供电。
优选的，所述第一回复反射结构和第二回复反射结构均为共线或近共线反射的部分回复反射器。
优选的，所述位置敏感探测器包括红外滤光元件，用于过滤非红外信息。
优选的，所所述增益模块为薄片增益介质。
优选的，所述增益模块位于系统光瞳，其视场角不小于60°。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用带谐振适配单元的分离谐振腔长腔激光器结构，实现了0-50米距离的激光跟踪定位，共振光束的来回反射过程中总能保持重合，可提供跟踪目标的距离和相对位置信息，适用于智能穿戴设备应用。
2、待测信号为高功率密度的共振光束，准直性良好，降低了系统中位置敏感探测器的设计复杂度，保证了干涉测距仪的分辨精度要求。
3、同时可实现远距离无线充电功能，能为跟踪目标端的智能穿戴设备提供跟踪定位信息的同时实现供电。
4、干涉测距单元包括迈克尔逊干涉测距模块和光斑测距模块，提出光斑测量法，通过光斑尺寸与分离谐振腔长腔激光器腔长的关系曲线实现测距，可基于不同应用场景选择性提供高精度位移测距和低精度测距。
5、采用共线或近共线反射的回复反射器，总能在干涉分光镜位置形成干涉光斑，避免了传统激光跟踪仪动态跟踪过程中待测光束与参考光束不易重合，干涉光斑不易形成的问题。
附图说明
图1为本发明系统的结构示意图；
图2为本发明中位置敏感探测器工作原理图；
图3为本发明中干涉位移测距模块工作原理图；
图4为本发明中光斑尺寸与分离谐振腔长腔激光器的腔长关系曲线。
图中标注：1、跟踪主机，2、跟踪目标，3、主控系统，4、转动电机，5、泵浦模块，6、全反射镜，7、增益模块，8、第一回复反射结构，9、位置敏感探测器，10、干涉测距单元，11、光瞳投射单元，12、部分反射单元，13、干涉分光镜，14、全反射单元，15、谐振适配单元，16、第一通信装置，17、第二回复反射结构，18、光电转换器，19、电能转换器，20、电池，21、第二通信装置。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1所示，本申请提出一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机1和跟踪目标2。跟踪主机1包括全反射镜6、增益模块7、第一回复反射结构8、光瞳投射单元11、谐振适配单元15、主控系统3和分别与主控系统3连接的转动电机4、泵浦模块5、位置敏感探测器9、干涉测距单元10、第一通信装置16，转动电机4控制整个跟踪主机1转动，增益模块7设置在全反射镜6处并由泵浦模块5提供泵浦能量。跟踪目标2包括第二回复反射结构17、光电转换器18、电能转换器19、电池20、第二通信装置21。
共振光束的输出激光由第二回复反射结构17输出耦合到光电转换器18输出电能，电能通过电能转化器19为电池20供电，电池20为第二通信装置21提供电能。本实施例中，光电转换器18为带散热层的硅基垂直多结面光伏电池或砷化镓光伏电池，其典型光电转换效率可达40％。电能转换器19为带有最大功率点跟踪性能的DC-DC模块。
跟踪目标2通过第二通信装置21与第一通信装置16连接，向跟踪主机1反馈跟踪目标2的反馈控制信息。本实施例中，第一通信装置16和第二通信装置21均为2.4GHz ISM频段的低功耗无线电收发器，为跟踪主机1与跟踪目标2提供无线通信信道。跟踪主机1的主控系统3将跟踪定位信息通过无线信道传输给跟踪目标2，跟踪目标2将反馈确认信息通过无线信道传输给主控系统3，实现智能穿戴设备与跟踪主机间的交互。
第一回复反射结构8发出的共振光束依次经过全反射镜6、光瞳投射单元11和谐振适配单元15到达第二回复反射结构17，并在第一回复反射结构8与第二回复反射结构17之间振荡放大。第一回复反射结构8、全反射镜6、增益模块7、泵浦模块5、光瞳投射单元11、谐振适配单元15、第二回复反射结构17构成了分离谐振腔的长腔激光器。
谐振适配单元15产生的泄漏光束进入干涉测距单元10进行距离测量，第一回复反射结构8产生的泄漏光束进入位置敏感探测器9进行相对位置测量。主控系统3分析处理位置敏感探测器9与干涉测距单元10所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标2的空间坐标，并控制转动电机4来跟随跟踪目标2。
本实施例中，主控系统3为基于微处理器单元的控制平台，为系统提供计算、控制、存储等功能。增益模块7为工作波长为1064nm的薄片型Nd:YAG增益介质。全反射镜6为100％反射率反射镜。增益模块7位于系统光瞳，其视场角不小于60°。
谐振适配单元15包括干涉分光镜13和设置在干涉分光镜13两侧的部分反射单元12、全反射单元14。干涉分光镜13将第一回复反射结构8发出的共振光束分为两束，一束经部分反射单元12反射传输到干涉测距单元10上，另一束经过第二回复反射结构17后返回，返回达到谐振适配单元15后的一部分共振光束经干涉分光镜13后经全反射单元14的反射，再经干涉分光镜13与部分反射单元12透射进入干涉测距仪10，进行干涉法位移测量，另一部分返回到第一回复反射结构8。
第一回复反射结构8与第二回复反射结构17为分离谐振腔两端腔镜，第二回复反射结构17为第一回复反射结构8的合作目标，都为共线或近共线反射的部分回复反射器。本实施例中，第一回复反射结构8与第二回复反射结构17均为98％的部分反射镜，且为可共线回复反射的猫眼回复反射器。
位置敏感探测器9为利用横向光电效应探测光电位置、坐标信息的光电器件，可提供高线性度二维相对位置信息。位置敏感传感器9带有红外滤光片，仅允许共振光束的泄漏光束入射到探测器表面。位置敏感探测器9的工作原理图如图2所示。位置敏感探测器9通过实时探测第一回复反射结构8的泄漏光束偏离位置敏感探测器9的光感中心情况，为主控系统3提供位置跟踪信息。
干涉测距单元10包括迈克尔逊干涉测距模块和光斑测距模块。迈克尔逊干涉测距模块提供高精度位移测距，其工作原理为借助两束具有固定相位差，根据同频率、同振动方向的相干光的干涉现象，实现对位移量的检测，如图3所示。其位移计算公式为D＝λN/2，其中D为位移，λ为共振光束波长(1064nm)，N为迈克尔逊干涉测距模块的计数器所测得的条纹计数。干涉测距单元10的光斑测距模块通过干涉分光镜13上的干涉光斑尺寸(直径d)与长腔激光器的腔长L之间的对应关系，可在精度比较低的情况下测出跟踪主机1与跟踪目标2间距离。通过对分离谐振腔的长腔激光器优化设计，可借助L与d的拟合表达式L＝f(d)(如图4所示)，在测量出干涉光斑直径的d的情况下，通过主控系统3的计算单元计算出距离L。
其中，L＝f(d)的拟合表达式具体可表示为：
Figure GDA0003897360170000061
其中，干涉光斑尺寸直径为d，长腔激光器的腔长为L，工作波长λ＝1064nm；
并令：干涉分光镜13的等效曲率半径ρ1＝∞，第二回复反射结构17的等效曲率半径为ρ2＝10m。
通过位置敏感传感器9与干涉测距单元10提供的跟踪目标2的相对位置方位角β和俯仰角α，以及距离信息L，可以基于以下极坐标与直角坐标转换关系获得跟踪目标2的空间直角坐标：
Figure GDA0003897360170000062
增益模块7与干涉分光镜13的中心均位于光瞳投射单元11的两端两倍焦距处，增益模块7的成像通过共振光束传播路径被投射于干涉分光镜13的中心，与谐振适配单元15的腔内共振光束形成干涉光斑。

Claims (9)

1.一种基于分离腔的跟踪定位系统，包括跟踪主机(1)和跟踪目标(2)，其特征在于，所述跟踪主机(1)包括全反射镜(6)、增益模块(7)、第一回复反射结构(8)、光瞳投射单元(11)、谐振适配单元(15)、主控系统(3)和分别与主控系统(3)连接的转动电机(4)、泵浦模块(5)、位置敏感探测器(9)、干涉测距单元(10)、第一通信装置(16)，所述转动电机(4)控制整个跟踪主机(1)转动，所述增益模块(7)设置在全反射镜(6)处并由泵浦模块(5)提供泵浦能量；所述跟踪目标(2)包括第二回复反射结构(17)、第二通信装置(21)，所述第二通信装置(21)与第一通信装置(16)连接；
所述第一回复反射结构(8)发出的共振光束依次经过全反射镜(6)、光瞳投射单元(11)和谐振适配单元(15)到达第二回复反射结构(17)，并在第一回复反射结构(8)与第二回复反射结构(17)之间振荡放大；所述谐振适配单元(15)产生的泄漏光束进入干涉测距单元(10)进行距离测量，所述第一回复反射结构(8)产生的泄漏光束进入位置敏感探测器(9)进行相对位置测量；所述主控系统(3)分析处理位置敏感探测器(9)与干涉测距单元(10)所获取的距离、相对位置信息，计算跟踪目标(2)的空间坐标，并控制转动电机(4)来跟随跟踪目标(2)；
所述谐振适配单元(15)包括干涉分光镜(13)和设置在干涉分光镜(13)两侧的部分反射单元(12)、全反射单元(14)；所述干涉分光镜(13)将第一回复反射结构(8)发出的共振光束分为两束，一束经部分反射单元(12)反射传输到干涉测距单元(10)上，另一束经过第二回复反射结构(17)后返回，返回达到谐振适配单元(15)后的一部分共振光束经干涉分光镜(13)后经全反射单元(14)的反射，再经干涉分光镜(13)与部分反射单元(12)透射进入干涉测距仪(10)，进行干涉法位移测量，另一部分返回到第一回复反射结构(8)。
2.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述光瞳投射单元(11)将系统光瞳处的增益模块(7)投射到干涉分光镜(13)的中心，所述增益模块(7)与干涉分光镜(13)的中心均位于光瞳投射单元(11)的两倍焦距位置。
3.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述干涉测距仪(10)采集干涉分光镜(13)中心的干涉光斑信息，利用光斑测量法，通过光斑尺寸与第一回复反射结构(8)和第二回复反射结构(17)形成的长腔激光器的腔长的关系，测量跟踪主机(1)与跟踪目标(2)间距离。
4.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述位置敏感探测器(9)通过实时探测第一回复反射结构(8)的泄漏光束偏离位置敏感探测器(9)的光感中心情况，为主控系统(3)提供位置跟踪信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述跟踪目标(2)还包括设置在第二回复反射结构(17)处的光电转换器(18)，所述光电转换器(18)通过电能转换器(19)连接电池(20)，所述电池(20)为第二通信装置(21)供电。
6.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述第一回复反射结构(8)和第二回复反射结构(17)均为共线或近共线反射的部分回复反射器。
7.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述位置敏感探测器(9)包括红外滤光元件，用于过滤非红外信息。
8.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述增益模块(7)为薄片增益介质。
9.根据权利要求1所述的一种基于分离腔的跟踪定位系统，其特征在于，所述增益模块(7)位于系统光瞳，其视场角不小于60°。
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