CN111147136B - 一种大角度激光目标快速异步定位装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种大角度激光目标快速异步定位装置，包括伺服跟踪机构、激光探测组、信标激光发射组、激光角锥镜和处理电路组，所述的处理电路组为激光探测组提供电源，以实现信号运算处理以及伺服跟踪机构的控制和驱动；所述的激光探测组由探测镜头、滤光组和四象限光电探测器组成；所述的信标激光发射组包括十字线激光器、用于将激光扩束的发射望远镜以及对出射激光进行准直的准直镜；所述的伺服跟踪机构由方位轴系和设于方位轴系上的俯仰轴系组成；还公开了其异步定位方法；本专利采用十字线激光器、激光角锥镜和四象限探测器实现大角度范围内的自主快速异步定位，具有定位精度高、适用角度范围大、结构紧凑、成本低的优点。

Description

一种大角度激光目标快速异步定位装置和方法
技术领域
本发明专利属于无线光通信技术领域，具体为一种适用于移动平台无线光通信设备的通信目标自主定位装置，以及快速异步定位方法。
背景技术
在基于点对点的移动平台无线光通信领域，由于激光载波的发散角小，通信对象位置不确定，链路的建立往往需要借助于其它手段，导致无法在光波段进行自主建链。
如使用信标进行定位，传统的方法是双方进行大角度快速异步扫描，存在的主要问题是双方握手困难，必须精心设计双方的扫描速度，使其扫描时视线交汇概率大，这在实际使用时很难做到。
发明内容
本发明的目的之一是克服现有技术的不足，提供一种大角度激光目标快速异步定位装置。
为了实现上述目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种大角度激光目标快速异步定位装置，包括伺服跟踪机构以及分别设置在伺服跟踪机构上的激光探测组、信标激光发射组和处理电路组，还包括用于将入射激光沿原路反射的激光角锥镜，所述的处理电路组为激光探测组提供电源，以实现信号运算处理以及伺服跟踪机构的控制和驱动；所述的激光探测组由依次设置在光路上的探测镜头、滤光组和四象限光电探测器组成，所述的四象限光电探测器上设置有电动光圈以防止光信号过强造成饱和；所述的信标激光发射组包括十字线激光器、对出射激光进行准直的准直镜以及用于将激光扩束的发射望远镜；所述的伺服跟踪机构由方位轴系和设于方位轴系上的俯仰轴系组成，所述的俯仰轴系上设置有搭载激光探测组、信标激光发射组、激光角锥镜和处理电路组的承接板。
所述的一种大角度激光目标快速异步定位装置，其激光角锥镜用于在30～80°范围内，将入射的多个波段的激光沿40角秒以内的平行度反射回去。
所述的一种大角度激光目标快速异步定位装置，其十字线激光器采用柱面镜对圆形激光光斑进行整形，使出射的激光光斑呈十字线。
本发明的目的之二是提供一种大角度激光目标快速异步定位方法，步骤为：
选用两个定位装置，分别作为A、B端，将作为B端的定位装置置于待定位区域，作为A端的定位装置上的十字线激光器启动，输出功率稳定后，对待定位区域进行扫描；位于待定位区域B端定位装置上的激光角锥镜接收到扫描激光后使其沿原路返回，A端定位装置上的四象限光电探测器接收后对B端定位装置进行定位，同时A端定位装置控制伺服跟踪机构指向B端定位装置所在方向，完成单向锁定；在此期间，A端定位装置持续发射信标光用于跟踪；B端定位装置上的十字线激光器也启动，在输出功率稳定后，对A端定位装置所处区域进行扫描，A端定位装置上的激光角锥镜接收到扫描激光后使其沿原路返回，B端定位装置上的四象限光电探测器接收后对A端定位装置进行定位，同时B端定位装置控制伺服跟踪机构指向A端定位装置所在方向，完成双向锁定。
本发明的有益效果是：
本发明专利的特点之一是使用激光角锥镜原路返回对端扫描激光，便于对端单向锁定目标，降低了双方握手要求，尤其是在扫描光束很窄而不确定区域较大的情况下，此方法不要求双方同时启动扫描，也不要求双方错开扫描频率来增加扫描光束交错的概率，为异步握手模式；
本发明专利的特点之二是使用十字形扫描激光，对比常规圆形扫描光束，在覆盖同样大小区域条件下，光功率密度增加，可有效提高作用距离，充分利用了光源功率；
本发明专利的特点之三是使用四象限探测器进行探测定位，利用四象限探测器对激光信标信号的快速响应，提高目标定位的速度，同时，与本项目的扫描-原路返回机制结合，可降低四象限探测器通道视场，有效提高目标定位精度；
本发明专利的特点之四是十字形扫描激光采用同步脉冲调制发射，可有效避开后向散射对己方接收的影响。
附图说明
图1为本发明定位装置的结构示意图；
图2为本发明激光探测组的结构示意图；
图3为本发明信标激光发射组的结构示意图；
图4为本发明激光角锥镜的结构示意图；
图5为本发明伺服跟踪机构的结构示意图；
图6为本发明异步定位方法的原理图。
各附图标记为：1—激光探测组，11—探测镜头，12—滤光组，13—电动光圈，14—四象限光电探测器，2—信标激光发射组，21—发射望远镜，22—准直镜，3—激光角锥镜，4—处理电路组，5—伺服跟踪机构，51—方位轴系，52—俯仰轴系，53—承接板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明公开的一种大角度激光目标快速异步定位装置由激光探测组1、信标激光发射组2、激光角锥镜3、处理电路组4和伺服跟踪机构5组成。处理电路组4为激光探测组1提供电源、信号运算处理，以及伺服跟踪机构5的控制和电机驱动。
如图2所示，所述的激光探测组1由探测镜头11、滤光组12、电动光圈13和四象限光电探测器14组成，四象限光电探测器14用于精确定位入射激光目标的位置，采用四个象限分隔探测的方式，对入射的400～1100nm波段的激光目标进行空间定位，中心区域的定位精度可达到优于1角分，且响应速度快；探测镜头11后端设计滤光组12滤除背景光，根据需要，与激光发射波长匹配滤光片；设计电动光圈13，防止光信号过强造成四象限光电探测器14饱和。
如图3所示，所述的信标激光发射组2由发射望远镜21、准直镜22及十字线激光器组成，发射望远镜21用于将激光光束扩束，降低功率密度，减小对人眼伤害；十字线激光器用于进行目标扫描，集中光功率的同时，扩大扫描激光覆盖角度；采用柱面镜对圆形激光光斑进行整形，使出射的激光光斑呈十字线，提高出射激光功率密度，有利于提升传输距离；准直镜22用于对十字线激光器的出射激光进行准直，减小发射角度，提高作用距离。
如图4所示，所述的激光角锥镜3用于将入射激光沿原路反射，达到大角度范围激光目标定位的作用，便于对方精确定位，在30～80°范围内，将入射的多个波段的激光沿40角秒以内的平行度反射回去，降低互定位双方的扫描搜索难度，角锥口径根据作用距离，目标不确定角度范围进行设计。
如图5所示，所述的伺服跟踪机构5由方位轴系51、俯仰轴系52、承接板53组成，用于搭载激光探测组1、信标激光发射组2、激光角锥镜3等激光互定位组件，执行方位、俯仰大角度扫描及获得反射信标激光信号后，对激光信号进行连续探测跟踪。
本专利定位装置采用十字线激光器、激光角锥镜和四象限探测器实现大角度范围内的自主快速异步定位，具有定位精度高、适用角度范围大、结构紧凑、成本低的优点。
如图6所示，本发明提供的一种大角度激光目标快速异步定位方法，步骤为：
选用两个定位装置，分别作为A、B端，将作为B端的定位装置置于待定位区域（目标不确定区域），作为A端的定位装置上的十字线激光器启动，在输出功率稳定后，采用往返线性扫描，也可采用螺旋线扫描，在一定的时间内，对待定位区域（目标不确定区域）进行扫描。
位于待定位区域（目标不确定区域）B端定位装置上的激光角锥镜3接收到扫描激光后使其沿原路返回，A端定位装置上的四象限光电探测器14接收后对B端定位装置进行定位，同时A端定位装置控制伺服跟踪机构5指向B端定位装置所在方向，完成单向锁定。
在此期间，A端定位装置持续发射信标光用于跟踪。
B端定位装置上的十字线激光器也启动，输出功率稳定后，对A端定位装置所处区域（目标不确定空间区域）进行扫描，A端定位装置上的激光角锥镜3接收到扫描激光后使其沿原路返回，B端定位装置上的四象限光电探测器14接收后对A端定位装置进行定位，同时B端定位装置控制伺服跟踪机构5指向A端定位装置所在方向，完成双向锁定。
本专利定位方法充分利用了激光角锥镜大角度范围沿原光路平行反射的特性、十字形激光光斑出射激光功率密度高的特性以及四象限探测器可精确定位激光目标的特性，运用该方法对目标扫描稳定性要求低、目标快速异步定位精度高、制作成本低，特别适用于低成本移动光通信设备，解决通信前的自主目标定位问题。
运用这种方法开发的装置可以实现移动平台激光通信设备的自主建链，目标快速异步定位精度高、工作可靠、成本低。使用本专利方法，不要求双方扫描速度匹配，也不要求双方必须扫描视线交汇，且精度高、成本低，可大幅提升移动平台无线光通信的自主性和适装性。
目前国内还未有类似的方法或装置报道。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种大角度激光目标快速异步定位方法，基于由分别设置在伺服跟踪机构（5）上的激光探测组（1）、信标激光发射组（2）、激光角锥镜（3）和处理电路组（4）组成的定位装置，其特征在于，
所述的激光角锥镜（3）用于在30～80°范围内，将入射的多个波段的激光沿40角秒以内的平行度反射回去，所述的处理电路组（4）为激光探测组（1）提供电源，以实现信号运算处理以及伺服跟踪机构（5）的控制和驱动；所述的激光探测组（1）由依次设置在光路上的探测镜头（11）、滤光组（12）和四象限光电探测器（14）组成，所述的四象限光电探测器（14）上设置有电动光圈（13）以防止光信号过强造成饱和；所述的信标激光发射组（2）包括十字线激光器、对激光进行准直的准直镜（22）以及用于将激光扩束的发射望远镜（21），所述的十字线激光器采用柱面镜对圆形激光光斑进行整形，使出射的激光光斑呈十字线；所述的伺服跟踪机构（5）由方位轴系（51）和设于方位轴系（51）上的俯仰轴系（52）组成，所述的俯仰轴系（52）上设置有搭载激光探测组（1）、信标激光发射组（2）、激光角锥镜（3）和处理电路组（4）的承接板（53）；
步骤为：
选用两个定位装置，分别作为A、B端，将作为B端的定位装置置于待定位区域，作为A端的定位装置上的十字线激光器启动，输出功率稳定后，采用往返线性扫描或螺旋线扫描对待定位区域进行扫描；
位于待定位区域的B端定位装置上的激光角锥镜（3）接收到扫描激光后使其沿原路返回，A端定位装置上的四象限光电探测器（14）接收后对B端定位装置进行定位，同时A端定位装置控制伺服跟踪机构（5）指向B端定位装置所在方向，完成单向锁定；
在此期间，A端定位装置持续发射信标光用于跟踪；
B端定位装置上的十字线激光器也启动，输出功率稳定后，对A端定位装置所处区域进行扫描，A端定位装置上的激光角锥镜（3）接收到扫描激光后使其沿原路返回，B端定位装置上的四象限光电探测器（14）接收后对A端定位装置进行定位，同时B端定位装置控制伺服跟踪机构（5）指向A端定位装置所在方向，完成双向锁定。
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