CN114353662B - 一种无源多目标收发一体扫描基站 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无源多目标收发一体扫描基站，适用于基于无源靶点的坐标测量系统。该扫描基站以角度交会测量、基于时间细分的旋转扫描模式为基础，可以同时探测空间多个特定的无源目标点，基站以直流电机驱动产生多扫描光束的空间旋转，以结构线激光的形式实现空间合作目标的扫描测量。基站包括信息识别处理单元、FPGA模块、回光接收单元、激光发射单元、电机控制单元及旋转扫描平台，该基站将激光发射端和回光接收端的设计融为一体，即实现收发一体的基站设计，通过向无源目标发射探测信号，然后将从被测特征目标反射回来的信号进行识别处理，解算出目标点的方位信息。

Description

一种无源多目标收发一体扫描基站
技术领域
本发明属于坐标测量领域，具体涉及一种无源多目标收发一体扫描基站。
背景技术
光电扫描网络式测量技术是一种大尺寸空间测量方法，该技术结合了GPS全球导航定位理念以及大尺寸空间网络式测量理念，运用光电扫描测量角度原理，具有测量精度高、测量范围广、测量扩展性好等优势。其典型测量系统有天津大学研发的工作空间测量定位系统，简称wMPS。wMPS系统基于光电扫描技术，将多个旋转激光发射基站(发射站)组成测量网络，发射站同时发出扫描光信号和同步标记光信号，旋转平台的扫描激光器发出扫描光信号，当旋转平台转到一个固定位置时基座上的激光器发出同步标记光信号，测量时将接收器放置于各个待测点，接收器需要接收到同一个发射站的扫描光信号以及同步标记光信号，只要位于被测空间的接收器能同时接收到两个或以上的发射站信号便可以实现接收器位置坐标的精确测量。
然而，由于该测量系统借鉴了地球GPS概念，在拓扑结构上将信号发射端和信号接收端分开设置，即“收发分体”的原理构架，使得布置于测量点处的有源接收器在接收发射端的探测光信号时暴露出一些无法克服的问题：
首先是有源接收器和后端信号处理器存在连接线缆，在进行多待测目标点测量时，要相应布置多个接收器，同时增加同样数量的线缆，将引起现场走线的不便，极大限制了其灵活性的发挥，这在大尺寸测量现场尤为突出。
其次，由于接收器和信号处理器间传输的是微弱信号，布置在工业现场时很容易受到干扰的影响，在强磁场环境下非常明显。
因此，鉴于以上分析，创新提出一种收发一体的基站，通过将激光发射端和回光接收端融为一体，建立更适合现场工业应用的体系架构，完成多个无源目标的并行扫描的测量任务，实现一种无源多目标收发一体扫描基站的设计。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种无源多目标收发一体扫描基站，适用于基于无源靶点的坐标测量系统，该扫描基站以角度交会测量、基于时间细分的旋转扫描模式为基础，可以同时探测空间多个特定的无源目标点，基站以直流电机驱动产生多扫描光束的空间旋转，以结构线激光的形式实现空间合作目标的扫描测量。
本发明解决其技术问题是通过以下技术方案实现的：
一种无源多目标收发一体扫描基站，其特征在于：包括信息识别处理单元、FPGA模块、回光接收单元、激光发射单元、电机控制单元及旋转扫描平台，所述信息识别处理单元分别连接至所述电机控制单元、激光发射单元及FPGA模块，所述电机控制单元连接至所述旋转扫描平台，所述旋转扫描平台触发并将同步信号传输至信息识别处理单元，所述激光发射单元出射扫描激光，目标点回光信号传输至所述回光接收单元，所述回光接收单元连接至所述FPGA模块，所述FPGA模块将目标信息传输至信息识别处理单元；所述激光发射单元包括依次连接的激光器及发射光路；所述回光接收单元包括依次连接的接收光路、APD/PD模块、回光信号放大电路及峰值电压检测电路。
而且，所述发射光路包括依次连接的半透半反镜、反射镜、半透半反镜、反射镜及鲍威尔棱镜，所述鲍威尔棱镜向待测目标点发射多束线激光信号，所述激光信号原路反射至所述回光接收单元。
而且，所述回光信号放大电路包括依次连接的电流反向放大电路、第一电压反向放大电路及第二电压反向放大电路。
本发明的优点和有益效果为：
1、本发明的无源多目标收发一体扫描基站，可以将测量系统的激光发射端和回光信号接收端融为一体，即基站内部包含激光发射端和回光接收端，光信号的发射与回光信号的识别处理均由基站完成，从而实现多个无源目标的并行扫描的测量，建立了更适合现场工业应用的体系架构，拓宽了wMPS系统在复杂现场环境下的使用条件，有效的改善了测量系统的适应性。
附图说明
图1为本发明扫描基站的布局及应用规划图；
图2为光信号发射及接收端的设计框图；
图3为回光信号放大处理框图；
图4为本发明的原理框图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
一种无源多目标收发一体扫描基站，以角度交会测量、基于时间细分的旋转扫描模式为基础，可以同时探测空间多个特定的无源目标点，基站以直流电机驱动产生多扫描光束的空间旋转，以结构线激光的形式实现空间合作目标的扫描测量。该基站将激光发射端和回光接收端的设计融为一体，即实现收发一体的基站设计，通过向无源目标发射探测信号，然后将从被测特定目标反射回来的信号进行识别处理，解算出目标点的方位信息。
一种无源多目标收发一体扫描基站，如图4所示，其创新之处在于：包括信息识别处理单元、FPGA模块、回光接收单元、激光发射单元、电机控制单元及旋转扫描平台，所述信息识别处理单元分别连接至所述电机控制单元、激光发射单元及FPGA模块，所述电机控制单元连接至所述旋转扫描平台，所述旋转扫描平台触发并将同步信号传输至信息识别处理单元，所述激光发射单元出射扫描激光，目标点回光信号传输至所述回光接收单元，所述回光接收单元连接至所述FPGA模块，所述FPGA模块将目标信息传输至信息识别处理单元；所述激光发射单元包括依次连接的激光器及发射光路；所述回光接收单元包括依次连接的接收光路、APD/PD模块、回光信号放大电路及峰值电压检测电路。
为实现多个特定无源目标点的并行扫描测量，在该系统中需要提前布局多个收发一体扫描基站，基站通过电缆与工作站计算机相连，同时使用基准尺标定基站坐标系到全局坐标系的坐标变换关系，即将各基站坐标系统一到测量坐标系下，用于计算各个无源目标点的坐标。在工作时，扫描基站被固定在仪器支架上，无源靶点被放置在待测目标点处实现测量。测量现场验证示意图如图1所示，由于无源靶点没有了连接线缆，布局干净整洁，也可避免工件和周围的电磁环境对测量过程的干扰。在新设计的收发一体扫描基站中，激光发射端和回光接收端被融为一体，无源接收器使用反射棱镜或反射靶球作为无源靶点。
光信号发射及接收端的设计如图2所示，发射光路包括依次连接的半透半反镜、反射镜、半透半反镜、反射镜及鲍威尔棱镜，所述鲍威尔棱镜向待测目标点发射多束线激光信号，所述激光信号原路反射至所述回光接收单元；设计的光路结构包括光信号发射光路与回光信号接收光路两部分；发射端的激光器发出点状激光，经过一系列反射镜分成多束光进入多路鲍威尔棱镜进行扩束，多路产生的光信号基本一致，之后经扩束发出的线扫描激光扫到目标点处的无源靶点，光路经无源靶点反射后被收发一体端的接收端接收，经基站和工作站进行一系列信号识别处理后，实现空间特定目标点的坐标测量。当基站进行旋转扫描时，即可实现空间多个特定无源目标点的并行扫描测量，由于回光信号往往较为微弱，需要对基站上的光电探测器接收到的微弱信号进行放大。
如图3所示，为了获得更高的信噪比和更好的带宽，在基站中设计多级放大结构，回光信号放大电路包括依次连接的电流反向放大电路、第一电压反向放大电路及第二电压反向放大电路；前置放大器将电流信号转换成几毫伏至几十毫伏的电压信号，再由后面的各级放大器提供足够的增益，将信号的幅值提高到几百毫伏至几伏，根据峰值电压检测电路得出光信号扫过反射棱镜或反射靶球中心位置的时刻，然后利用FPGA进行实时高速回光信号的采集，继而通过TCP/IP协议，采用百兆网络接口将数据发送到工作站的PC软件终端，最终实现多个特定无源目标点的坐标解算。
尽管为说明目的公开了本发明的实施例和附图，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换、变化和修改都是可能的，因此，本发明的范围不局限于实施例和附图所公开的内容。

Claims (1)

1.一种无源多目标收发一体扫描基站，其特征在于：以角度交会测量、基于时间细分的旋转扫描模式为基础，可以同时探测空间多个无源目标点，基站以直流电机驱动产生多扫描光束的空间旋转，以结构线激光的形式实现空间合作目标的扫描测量；该基站将激光发射端和回光接收端的设计融为一体，即实现收发一体的基站设计，通过向无源目标发射探测信号，然后将从被测目标反射回来的信号进行识别处理，解算出目标点的方位信息；
包括信息识别处理单元、FPGA模块、回光接收单元、激光发射单元、电机控制单元及旋转扫描平台，所述信息识别处理单元分别连接至所述电机控制单元、激光发射单元及FPGA模块，所述电机控制单元连接至所述旋转扫描平台，所述旋转扫描平台触发并将同步信号传输至信息识别处理单元，所述激光发射单元出射扫描激光，目标点回光信号传输至所述回光接收单元，所述回光接收单元连接至所述FPGA模块，所述FPGA模块将目标信息传输至信息识别处理单元；所述激光发射单元包括依次连接的激光器及发射光路；所述回光接收单元包括依次连接的接收光路、APD/PD模块、回光信号放大电路及峰值电压检测电路；
所述发射光路包括依次连接的第一半透半反镜、第一反射镜、第二半透半反镜、第二反射镜、第一鲍威尔棱镜及第二鲍威尔棱镜，点激光器发出的光照射到第一半透半反镜上，经过第一半透半反镜后反射到第一反射镜，经过第一反射镜反射后反射到第二半透半反镜上，一路光线经由第二半透半反镜、第一鲍威尔棱镜生成扫描光束向空间发射，当扫描到待测目标时该扫描光束经由角锥棱镜-第一鲍威尔棱镜-第二半透半反镜-第一反射镜-第一半透半反镜-回光接收单元；
另一路光线由第二反射镜、第二鲍威尔棱镜生成另一束扫描光束向空间发射，当扫描到待测目标时该扫描光束经由角锥棱镜-第二鲍威尔棱镜-第二反射镜-第二半透半反镜-第一反射镜-第一半透半反镜-回光接收单元；
所述鲍威尔棱镜向待测目标点发射两束线激光信号，所述激光信号原路反射至所述回光接收单元；发射端的激光器发出点状激光，经过双路鲍威尔棱镜进行扩束，双路产生的光信号基本一致，之后经扩束发出的线扫描激光扫到目标点处的无源靶点，光路经无源靶点反射后被收发一体端的接收端接收，经基站和工作站进行一系列信号识别处理后，实现空间目标点的坐标测量；当基站进行旋转扫描时，即可实现空间多个无源目标点的并行扫描测量，由于回光信号往往较为微弱，需要对基站上的光电探测器接收到的微弱信号进行放大；
所述回光信号放大电路包括依次连接的电流反向放大电路、第一电压反向放大电路及第二电压反向放大电路，电流反向放大电路将电流信号转换成几毫伏至几十毫伏的电压信号，再由后面的各级放大器提供足够的增益，将信号的幅值提高到几百毫伏至几伏，根据峰值电压检测电路得出光信号扫过反射棱镜或反射靶球中心位置的时刻，然后利用FPGA进行实时高速回光信号的采集，继而通过TCP/IP协议，采用百兆网络接口将数据发送到工作站的PC软件终端，最终实现多个无源目标点的坐标解算；
为实现多个无源目标点的并行扫描测量，提前布局多个收发一体扫描基站，基站通过电缆与工作站计算机相连，同时使用基准尺标定基站坐标系到全局坐标系的坐标变换关系，即将各基站坐标系统一到测量坐标系下，用于计算各个无源目标点的坐标；在工作时，扫描基站被固定在仪器支架上，无源靶点被放置在待测目标点处实现测量，由于无源靶点没有了连接线缆，布局干净整洁，也可避免工件和周围的电磁环境对测量过程的干扰；在新设计的收发一体扫描基站中，激光发射端和回光接收端被融为一体，无源接收器使用反射棱镜或反射靶球作为无源靶点。
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