CN110618421A - 一种基于分布式光学共振系统的定位系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光学共振系统的定位系统，包括设有第一逆反射器和增益介质的定位追踪装置以及带有第二逆反射器的定位追踪目标，所述的定位追踪装置还包括设置在第一逆反射器与第二逆反射器之间的至少一个定位中继节点以及分别与定位中继节点通信的主控单元，所述的第一逆反射器、多个定位中继节点和第二逆反射器之间形成带有中继的复合式光学共振腔，并且在复合式光学共振腔中形成往返振荡的复合腔内光束，所述的主控单元从定位中继节点获取定位追踪目标的部分位置信息，用以确认定位追踪目标的空间位置。与现有技术相比，本发明具有高精度定位、定位追踪目标可移动、定位不受视线限制等优点。

Description

一种基于分布式光学共振系统的定位系统

技术领域

本发明涉及光学共振无线定位领域，尤其是涉及一种基于分布式光学共振系统的定位系统。

背景技术

随着物联网的快速发展，真正的万物互联的“连接”的世界越来越接近现实。万物互联最终回归到人与人、物与人以及人与人之间的连接，而室内定位可以将这些连接快速结合起来。近年来，室内定位不仅广泛应用于机场、医院、大型商场、会展中心、大型停车场中，室内定位还为大数据时代下人流导向、个性化购物等服务提供数据基础。现有的室内定位主要有红外定位、Wi-Fi定位、超声波定位、RFID定位、UWB(超带宽)脉冲信号定位等方案。

红外定位：需要发射机与接收机之间视距传播、无遮挡，传播距离短；

Wi-Fi定位：通常通过收信场强指示(RSSI)作为信号空间基本信息，而空间中障碍物的阻挡会造成信号的能量衰减，因此定位精度较低，仅可达到2-3米；

超声波定位：主要采用反射式测距法，即根据被测物体产生的回波时间差计算待测距离。超声波之间干扰较大，多个移动定位目标的定位延时大，定位准确性难以保证；

RFID定位：射频信号能够穿透人体和墙体，但信号强度存在安全限制，射频标签的部署对定位精度影响很大，标签可读范围有限，不具备良好的通信能力，对信噪比的要求较高。

超宽带定位：信号带宽很大，接收多径容易分离，抗衰落性能好，系统定位精度较高；但其脉冲持续时间很短，瞬时功率峰值可能会很大，且通信范围仅有几米，难以满足大范围内的定位和跟踪应用。

现有的一般激光定位系统，虽然也能够实现以激光为载体的无线能量与信息传输，但是却无法满足人体安全性的要求，带来辐射安全危害。并且，如果在传输范围内存在障碍物时，接收端则无法与发射端形成激光链路，瞄准困难，无法实现精确定位。

现有的分布式光学传能系统是一种分离激光腔结构，不同于一般的激光系统，该系统结构可以满足人体安全性，避免辐射安全危害。然而单腔结构的分布式光学共振系统要求腔内光束要求为实现传播(LOS)，若光束被任何物体所阻断，则共振将会被打断。因此需要一种能够解决瞄准困难、操作复杂以及满足安全限制的定位系统。

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布式光学共振系统的定位系统。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

包括设有第一逆反射器和增益介质的定位追踪装置以及带有第二逆反射器的定位追踪目标，所述的定位追踪装置还包括设置在第一逆反射器与第二逆反射器之间的至少一个定位中继节点以及分别与定位中继节点通信的主控单元，所述的第一逆反射器、多个定位中继节点和第二逆反射器之间形成带有中继的复合式光学共振腔，并且在复合式光学共振腔中形成往返振荡的复合腔内光束，所述的主控单元从定位中继节点获取定位追踪目标的部分位置信息，用以确认定位追踪目标的空间位置。

所述的追踪定位目标的部分位置信息包括追踪定位目标与定位中继节点之间的角度、追踪定位目标与定位中继节点间的距离、追踪定位目标与定位中继节点间的信号达到时间以及追踪定位目标与定位中继节点之间的共振相位信息。

所述的定位追踪装置还包括用以激励增益介质的泵浦源，通过主控单元实现对泵浦功率的调节控制。

每个定位中继节点所位于的复合式光学共振腔均满足视线条件。

当定位中继节点采用方向感知中继器时，包括CCD阵列和中继反射元件，所述的CCD阵列通过实时探测第一逆反射器泄漏光束偏离CCD光感中心的情况，为主控单元提供位置跟踪信息。

所述的中继反射元件为带有电机转动机构的平面反射镜、球面镜或两个背面相接的逆向反射器。

当中继反射元件为两个背面相接的逆向反射器时，该中继反射元件分别将来自第一逆反射器和第二逆反射器的光束沿原方向反射回去，并且两个逆向反射器的相接部分使得部分光束通过，从而第一逆反射器、增益介质、两个背面相接的逆向反射器与第二逆反射器之间形成复合腔内光束。

当中继反射元件为带有电机转动机构的平面反射镜时，电机转动机构通过调节平面反射镜的角度，使得第一逆反射器、增益介质、平面反射镜与第二逆反射器之间形成复合腔内光束。

多个平面反射镜互相不共面。

当定位中继节点为测距中继节点时，包括中继反射元件、干涉测距单元、干涉分光镜和全反射单元，所述的中继反射元件为两个背面相接的逆向反射器，所述的干涉分光镜设置在增益介质与中继反射元件之间的光束通路上，其光斑通过全反射元件反射到干涉测距单元，用以通过光斑尺寸获取与定位追踪目标之间的距离，所述的干涉测距单元为迈克尔逊干涉测距模块或光斑测距模块。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、高精度定位：本发明基于分布式光学共振结构，设计出非视线高精度定位结构装置。基于分布式光学共振结构的特点，定位追踪系统和定位追踪目标之间可以在非视线条件下形成光束共振，并实现对定位追踪目标的高精度定位。

二、定位追踪目标可移动：定位追踪目标不仅可以移动，还能保持共振光束不中断。定位追踪系统与定位追踪目标之间自发建立共振光束，该光束类似于激光共振腔内的光束，可以实现瓦级以上的功率传输，同时具备高信噪比通信的能力。

三、定位不受视线限制：由于复合式光学共振腔的结构特点，即使定位追踪目标不在第一逆反射器的视线范围内，本系统仍然可以形成光束共振，实现目标定位。并且本系统采用不少于1个定位中继，多点采集定位追踪目标的位置信息，实现高精度的目标位置估计。

附图说明

图1为分布式光束共振系统原理图。

图2为分布式光学共振系统的定位系统核心结构示意图。

图3为分布式光束共振系统原理图。

图4为分布式光束共振系统原理图。

图5为分布式光束共振系统原理图。

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。

一、传统的分布式光学共振系统结构

传统的激光是由两个并行反射镜和他们之间的增益介质组成的共振器产生的，它们被集成到单个器件中。然而，在分布式光学共振系统中，组成部件被分为光发送器和光接收器两部分，如图1所示。

特别要说明的是，系统中R1和R2称作逆反射器，即入射光进入逆反射器后将沿着原入射方向被反射回去，包括立方角锥、猫眼等逆反射结构及其作为基本单元产生的阵列。因此在这种结构下，光发送器和光接收器间的光线将会被反复反射形成振荡。这种振荡光束经增益介质实现功率放大，弥补了振荡过程中的功率损耗，从而形成腔内光束。因为逆反射器的存在，收器可以自由移动而不会影响腔内光束的形成。

单腔的腔内光束的传播要求是视线传播(LOS)，若光束被任何物体所阻断，则共振将会被打断，这种特性也提供了根本的安全性。

逆反射器R1和R2部分透射的光束即为激光。

二、基于分布式光学共振系统的定位系统

图2所示为分布式光学共振系统的定位系统核心结构示意图，包括定位追踪装置和定位追踪目标。定位追踪装置与定位追踪目标之间形成存在中继的复合式光学共振腔结构，即包括了2个逆反射器、增益介质和定位中继节点。在系统和目标之间形成往返振荡的复合腔内光束，在第一逆反射器(定位追踪装置中的逆反射器)与定位中继节点之间、定位中继节点与第二逆反射器(定位追踪目标中的逆反射器)之间分别形成共振腔结构。

为了实现对定位追踪目标的非视线、高精度定位追踪，在定位追踪主机结构中增加不少于1个定位中继节点。使得共振光束在2个逆反射器之间振荡的同时，经过定位中继节点，同时主控单元从不少于1个定位中继节点获取定位追踪目标的位置信息。

特别重要的设计是定位中继节点的设计，即在2个逆反射器形成的分布式激光共振腔结构中加入定位中继节点，形成复合式共振腔。定位中继节点固定在2个逆反射器之间的空间某一位置，定位中继节点位置相对定位追踪装置固定且不变。定位中继节点内部包括中继反射元件，应包括但不限于回复反射器、猫眼结构、反射镜、反射阵列等，满足定位追踪目标在空间内移动同时保持共振光束在定位追踪装置与定位追踪目标之间形成往返振荡。

此外，定位中继节点中包含目标位置信息获取模块，目的是从定位追踪装置与定位追踪目标形成的复合式共振腔内，提取追踪定位目标的部分位置信息。部分位置信息应包括但不限于目标与定位中继节点的角度、目标与定位中继节点的距离、目标与定位中继节点间的信号达到时间、目标与定位中继节点之间的共振相位信息等。

在定位追踪装置中还包括与泵浦源、定位中继节点分别连接的主控单元。主控单元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。主控单元与泵浦源相连，实现对泵浦功率的调节控制。主控单元与不少于1个定位中继节点相连，从定位中继节点获取目标的部分位置信息，并通过主控单元进行目标位置坐标的计算，实现对目标位置的高精度估计。(或者通过主控单元传输至计算中心，实现对目标位置的高精度估计)。

在包含不少于1个定位中继节点的复合式共振腔结构中，追踪定位系统与追踪定位目标之间，即使是非视线条件，只要满足定位中继节点与定位追踪目标之间的视线条件，依然可以实现高精度的定位追踪。

本发明的核心创造点在于使用不少于1个定位中继节点，在仍然形成共振光束振荡的同时，根据不少于1个参考点反馈的位置信息，采用三点定位等算法，实现对目标的三维空间位置确定。本发明可以提供安全、精准的室内定位，并通过设置参考点(定位中继节点)的位置，避开可能出现在光路中的障碍物。

下面本发明将给出三个实施例：一个基于T型中继反射元件和三个方向感知器件，测得定位目标相对于三个参考点的方向信息，从而确定目标三维空间位置；一个基于平面镜反射结构和三个方向感知器件，定位目标相对于三个参考点的方向信息，从而确定目标三维空间位置；一个基于三个测距单元，测量定位目标相对于三个参考点的距离信息，从而确定目标的三维空间位置。在第一和第三实施例的核心设计中，中继反射单元由两个逆反射器结构背面交接，且交界面为部分透射镜面，从而保证定位目标在一定范围内均可以与定位系统之间的共振光束保持振荡，从而保证定位系统具有较大的定位范围。

实施例1

三点方向定位实例：

如图3所示，给出了更为具体的定位实施方案。这里根据三个参考点返回的方向信息确定待检测点的三维空间位置。定位中继节点为方向感知中继器，可细化为CCD阵列和中继反射元件。

在本实施例中，方向感知中继可以测得定位目标的方向信息。根据三点定位原理，由三个方向感知中继器确定的定位目标的三个方向，从而确定定位目标的三维位置信息。方向感知器中的CCD阵列，利用横向光电效应探测光电位置、坐标信息，提供高线性度二维相对位置信息。该CCD阵列通过实时探测定位目标系统中的第一逆反射器泄漏光束偏离CCD光感中心的情况，为主控系统提供位置跟踪信息。主控单元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。三个方向感知中继器均将定位目标相对于参考点的位置信息反馈给主控系统，主控系统根据相关定位算法，计算出定位目标的位置。

方向感知器中的中继反射元件可以是平面反射镜、球面镜，或逆向反射器等结构。在本实施例中，中继反射元件为两个背面相接的逆反射器组合而成。一个逆反射器结构可以按光束来路原方向反射回光束，两个逆反射器的组合起到反射中继的作用，保证中继反射元件将来自定位系统中第一逆反射器的光束和来自定位目标的第二逆反射器的光束均可原方向返回。

本实施例中，中继反射元件中的两逆反射器的交界面会部分反射镜面，光束会从交界面一方泄露到另一方。增益介质贴在第一逆反射器结构上，泵浦源激励增益介质，第一逆反射器和中继反射元件之间形成光束，该光束通过中继反射元件的部分透射交界面，与定位目标处的第二逆反射器之间形成光束。因此，第一逆反射器、增益介质、中继反射元件、第二逆反射器之间形成激光光束振荡。在本实施例中，由于多个逆反射器结构的使用，可保证较大范围内对定位目标的位置确定。三路光束振荡经过各路CCD阵列，CCD阵列将位置信息反馈给主控单元，主控单元通过三个参考点的方向信息确定定位目标的三维位置。

该实施例中，逆反射器可以为单个将光束原方向反射回去的反射元件，亦可以是多个该种反射元件组成的任何形式的阵列结构。

实施例2

平面镜中继的三点方向定位实例：

图4示例了一种利用平面镜中继的三点定位实施例。这里根据三个参考点返回的方向信息确定待检测点的三维空间位置。定位中继节点为方向感知中继器，可细化为CCD阵列和中继反射元件。

在本实施例中，方向感知中继可以测得定位目标的方向信息。根据三点定位原理，由三个方向感知中继器确定的定位目标的三个方向，从而确定定位目标的三维位置信息。方向感知器中的CCD阵列，利用横向光电效应探测光电位置、坐标信息，提供高线性度二维相对位置信息。该CCD阵列通过实时探测定位目标系统中的第一逆反射器泄漏光束偏离CCD光感中心的情况，为主控系统提供位置跟踪信息。主控单元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。三个方向感知中继器均将定位目标相对于参考点的位置信息反馈给主控系统，主控系统根据相关定位算法，计算出定位目标的位置。

方向感知器中的中继反射元件可以是平面反射镜、球面镜，或逆向反射器等结构，本实施例中，三个方向感知中继中的中继反射元件为互相不共面的平面镜和电机转动的组合结构。增益介质贴在第一逆反射器结构上，泵浦源激励增益介质，第一逆反射器和中继反射元件之间形成光束。电动转机转动平面镜方向，满足中继反射元件同时可以与第二逆反射器之间形成光束。因此，第一逆反射器、增益介质、中继反射元件、第二逆反射器之间形成激光光束振荡。在本实施例中，由于多个逆反射器结构的使用，可保证较大范围内对定位目标的位置确定。三路光束振荡经过各路CCD阵列，CCD阵列将位置信息反馈给主控单元，主控单元通过三个参考点的方向信息确定定位目标的三维位置。

该实施例中，逆反射器可以为单个将光束原方向反射回去的反射元件，亦可以是多个该种反射元件组成的任何形式的阵列结构。

实施例3

三点距离定位实例：

图5示例了一种利用干涉测距仪的三点定位实施例。在本实施例中第一逆反射器、泵浦源、中继反射元件、增益介质及第二逆反射器结构与实施例一的工作原理一致。但该实施例利用测距单元，根据三个参考点返回的距离信息确定待检测点的三维空间位置。定位中继节点为测距中继，可细化为中继反射元件、干涉测距单元、干涉分光镜、全反射单元。

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。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。干涉测距单元的光斑测距模块通过干涉分光镜上的干涉光斑尺寸与长腔激光器的腔长之间的对应关系，可在精度比较低的情况下测出定位系统与定位目标间距离。

在该实施例中，干涉分光镜的光斑通过全反射元件反射到干涉测距单元，干涉测距单元通过光斑尺寸计算出与定位目标之间的距离，并将该信息反馈给主控单元。主控单元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。三个距离中继器均将定位目标相对于参考点的距离信息反馈给主控系统，主控系统根据相关定位算法，从而计算出定位目标的三维空间位置。

该实施例中，逆反射器可以为单个将光束原方向反射回去的反射元件，亦可以是多个该种反射元件组成的任何形式的阵列结构。

本专利公开的基于腔内光束的定位系统，采用的分布式光学共振腔类似于激光共振腔，分布式光学共振腔内腔内光束与激光共振腔内腔内光束性质相近，腔内光束功率密度高。由于腔内光束系统的物理原理，在异物侵入光束时能保证安全性。

Claims (10)

1.一种基于分布式光学共振系统的定位系统，包括设有第一逆反射器和增益介质的定位追踪装置以及带有第二逆反射器的定位追踪目标，其特征在于，所述的定位追踪装置还包括设置在第一逆反射器与第二逆反射器之间的至少一个定位中继节点以及分别与定位中继节点通信的主控单元，所述的第一逆反射器、多个定位中继节点和第二逆反射器之间形成带有中继的复合式光学共振腔，并且在复合式光学共振腔中形成往返振荡的复合腔内光束，所述的主控单元从定位中继节点获取定位追踪目标的部分位置信息，用以确认定位追踪目标的空间位置。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，所述的追踪定位目标的部分位置信息包括追踪定位目标与定位中继节点之间的角度、追踪定位目标与定位中继节点间的距离、追踪定位目标与定位中继节点间的信号达到时间以及追踪定位目标与定位中继节点之间的共振相位信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，所述的定位追踪装置还包括用以激励增益介质的泵浦源，通过主控单元实现对泵浦功率的调节控制。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，每个定位中继节点所位于的复合式光学共振腔均满足视线条件。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，当定位中继节点采用方向感知中继器时，包括CCD阵列和中继反射元件，所述的CCD阵列通过实时探测第一逆反射器泄漏光束偏离CCD光感中心的情况，为主控单元提供位置跟踪信息。

6.根据权利要求5所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，所述的中继反射元件为带有电机转动结构的平面反射镜、球面镜或两个背面相接的逆向反射器。

7.根据权利要求6所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，当中继反射元件为两个背面相接的逆向反射器时，该中继反射元件分别将来自第一逆反射器和第二逆反射器的光束沿原方向反射回去，并且两个逆向反射器的相接部分使得部分光束通过，从而第一逆反射器、增益介质、两个背面相接的逆向反射器与第二逆反射器之间形成复合腔内光束。

8.根据权利要求6所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，当中继反射元件为带有电机转动机构的平面反射镜时，电机转动机构通过调节平面反射镜的角度，使得第一逆反射器、增益介质、平面反射镜与第二逆反射器之间形成复合腔内光束。

9.根据权利要求8所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，多个平面反射镜互相不共面。

10.根据权利要求1所述的一种基于分布式光学共振系统的定位系统，其特征在于，当定位中继节点为测距中继节点时，包括中继反射元件、干涉测距单元、干涉分光镜和全反射单元，所述的中继反射元件为两个背面相接的逆向反射器，所述的干涉分光镜设置在增益介质与中继反射元件之间的光束通路上，其光斑通过全反射元件反射到干涉测距单元，用以通过光斑尺寸获取与定位追踪目标之间的距离，所述的干涉测距单元为迈克尔逊干涉测距模块或光斑测距模块。