【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)公開(kāi)了一種合作式激光測(cè)向裝置，該裝置涉及使用一種合作式的測(cè)量方法，通過(guò)激光發(fā)射模塊、測(cè)向接收模塊、信號(hào)處理模塊以及搜索捕獲跟蹤模塊等的交互配合，實(shí)現(xiàn)合作式飛行器之間的方向測(cè)量。屬于導(dǎo)航。
技術(shù)介紹
1、近年來(lái)，飛行器集群飛行日益受到關(guān)注。編隊(duì)飛行由于作戰(zhàn)迅速、覆蓋范圍廣、可執(zhí)行多重任務(wù)等優(yōu)勢(shì)，能夠大幅度的提高任務(wù)效率。在多飛行器集群飛行中，任務(wù)分配、軌跡規(guī)劃、編隊(duì)控制等任務(wù)的前提，是對(duì)于編隊(duì)成員位置信息的感知。比如目標(biāo)導(dǎo)航信息傳遞、地形立體成像等任務(wù)，都要求編隊(duì)成員之間能夠共享精確的相對(duì)位置、姿態(tài)、速度等信息。因此，協(xié)同導(dǎo)航技術(shù)對(duì)于編隊(duì)飛行任務(wù)至關(guān)重要，是直接影響飛行器編隊(duì)任務(wù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。
2、目前編隊(duì)飛行協(xié)同導(dǎo)航的主要導(dǎo)航方式有慣性導(dǎo)航、衛(wèi)星導(dǎo)航、無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航等。慣性導(dǎo)航在初始對(duì)準(zhǔn)后，導(dǎo)航精度會(huì)隨時(shí)間增加而下降。衛(wèi)星導(dǎo)航需要地面站設(shè)備的支持且容易受到干擾。無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航抗干擾能力較弱，無(wú)法在無(wú)線(xiàn)電拒止環(huán)境下實(shí)現(xiàn)功能。對(duì)于未來(lái)復(fù)雜、多變、惡劣的飛行器編隊(duì)飛行環(huán)境中，目前常用的導(dǎo)航方式難以滿(mǎn)足要求，需要一種在遠(yuǎn)距離、光照條件較差環(huán)境中能夠?qū)崿F(xiàn)高精度、高可靠性、高自主性的導(dǎo)航方法。激光導(dǎo)航技術(shù)則為應(yīng)對(duì)該種條件提供了可行的技術(shù)途徑。
3、激光導(dǎo)航技術(shù)通過(guò)發(fā)射激光并由傳感器捕獲其反射回來(lái)的光束以進(jìn)行距離和方向的測(cè)量，確定目標(biāo)物體的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)高精度相對(duì)定位和導(dǎo)航。近些年來(lái)，激光技術(shù)不斷發(fā)展，一方面激光光源的頻率寬度更窄，單色性得到了極大改善，有力支撐了精密激光測(cè)量；另一方面激光光束的發(fā)散角更小，方向
4、激光導(dǎo)航的重要技術(shù)基礎(chǔ)之一是激光測(cè)向技術(shù)。激光測(cè)向技術(shù)主要指由目標(biāo)控制激光發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射具備特定性質(zhì)的激光脈沖信號(hào)，然后使用探測(cè)器收集信號(hào)后，利用表面的光斑相對(duì)能量信息解算出目標(biāo)的方位信息的技術(shù)，目前多用于激光預(yù)警、激光制導(dǎo)方面。激光測(cè)向技術(shù)的首次應(yīng)用，是上世紀(jì)七十年代美國(guó)“寶石路i”型精確激光武器系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用了激光半主動(dòng)定位系統(tǒng)，能夠精確地定位和跟蹤靜止目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，具備該系統(tǒng)明顯提高了武器命中率，落點(diǎn)能夠保證在距離目標(biāo)1.5m的范圍內(nèi)。由于激光測(cè)向系統(tǒng)通常使用在精確武器系統(tǒng)上，國(guó)外相關(guān)領(lǐng)域開(kāi)放的研究資料非常稀少。
5、國(guó)內(nèi)針對(duì)激光測(cè)向技術(shù)的研究主要集中在提高精度的方面。2017年。中國(guó)洛陽(yáng)電子裝備試驗(yàn)中心的李慧等人，分析了探測(cè)器噪聲、彈體擾動(dòng)、彈體摩擦等外界干擾力矩對(duì)激光測(cè)向精度的影響，根據(jù)激光測(cè)向系統(tǒng)控制原理建立了穩(wěn)定跟蹤回路模型，并定量分析了這些外界誤差因素對(duì)測(cè)向系統(tǒng)的穩(wěn)定跟蹤性能和輸出彈目視線(xiàn)角速度的影響規(guī)律，并通過(guò)實(shí)測(cè)分析了測(cè)向系統(tǒng)輸出彈目視線(xiàn)角速度噪聲特性，建立了噪聲與測(cè)量距離的數(shù)學(xué)關(guān)系，并進(jìn)行了仿真計(jì)算。2017年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的寧敏分析了提出了一種基于偏振檢測(cè)探測(cè)的激光測(cè)向系統(tǒng)方案，給出了偏振探測(cè)模式下的測(cè)向信息解算算法，并且搭建了驗(yàn)證系統(tǒng)用于進(jìn)行信噪比實(shí)驗(yàn)與測(cè)向信息解算驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，并借助卡爾曼濾波算法提高了系統(tǒng)的測(cè)角精度。2019年，長(zhǎng)春理工大學(xué)的陳宏達(dá)以激光制導(dǎo)為應(yīng)用背景，基于四象限探測(cè)器設(shè)計(jì)了一套的激光測(cè)向系統(tǒng)，借助fpga與高速模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片ad9226實(shí)現(xiàn)測(cè)向信息采集，通過(guò)加入偽隨機(jī)碼和波門(mén)鎖定提高測(cè)量精度，將幾何近似法和多項(xiàng)式擬合法融合提出一種改進(jìn)的激光光斑定位擬合算法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。
6、綜上所述，目前編隊(duì)飛行常采用的導(dǎo)航方式中，無(wú)法滿(mǎn)足編隊(duì)飛行中協(xié)同導(dǎo)航系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間、高精度、抗干擾、高時(shí)效的導(dǎo)航要求。激光測(cè)向技術(shù)具備高精度、高時(shí)效性、抗干擾等諸多優(yōu)點(diǎn)，在多飛行器編隊(duì)飛行協(xié)同導(dǎo)航中的應(yīng)用具備很大的優(yōu)勢(shì)。但由于能量強(qiáng)度衰減問(wèn)題，目前的激光測(cè)向多應(yīng)用于近距離環(huán)境，因此通過(guò)減少傳輸路徑等手段實(shí)現(xiàn)信號(hào)強(qiáng)度的增加對(duì)于在協(xié)同導(dǎo)航的應(yīng)用具有很強(qiáng)的工程意義。本專(zhuān)利技術(shù)針對(duì)這一問(wèn)題，提出一種合作式激光測(cè)向裝置，該裝置使用對(duì)激光敏感的面陣傳感器來(lái)接收激光信號(hào)，生成帶有激光光斑的圖像，依據(jù)該圖像來(lái)獲得高精度的目標(biāo)相對(duì)位置信息。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、針對(duì)多飛行器編隊(duì)飛行協(xié)同導(dǎo)航中高精度激光測(cè)向需求，本專(zhuān)利技術(shù)給出了一種合作式激光測(cè)向裝置，本專(zhuān)利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：一方面，通過(guò)采用合作式的測(cè)向方法，降低了激光在大氣中的傳播路程并且規(guī)避了漫反射過(guò)程，能夠顯著提高所接收的激光信號(hào)能量強(qiáng)度同時(shí)使得允許的激光在大氣中的測(cè)量距離顯著增加；另一方面，采用高分辨率面陣傳感器以及基于高斯擬合的中心提取算法實(shí)現(xiàn)激光測(cè)向，同時(shí)為激光對(duì)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)提供了支撐。
2、本專(zhuān)利技術(shù)的主要技術(shù)方案為：兩個(gè)合作式激光測(cè)向裝置對(duì)向發(fā)射激光以進(jìn)行激光信號(hào)傳輸。當(dāng)激光測(cè)向裝置中的測(cè)向接收模塊未接收到激光光斑時(shí)，激光測(cè)向裝置首先對(duì)激光信號(hào)進(jìn)行搜索與捕獲，直至使用面陣傳感器接收到激光信號(hào)，生成帶有激光光斑的圖像?；谒@得的激光光斑圖像，激光測(cè)向裝置使用基于高斯擬合的中心提取算法求解對(duì)方激光在己方測(cè)向傳感器上的光斑坐標(biāo)，依據(jù)該光斑坐標(biāo)位置信息即可獲取激光發(fā)射方相對(duì)于接收方的方向信息。
3、本專(zhuān)利技術(shù)所述的激光測(cè)向裝置包括硬件部分以及具有激光光斑中心提取功能的算法部分。此處以由激光發(fā)射模塊、測(cè)向接收模塊、信號(hào)處理模塊與搜索捕獲跟蹤模塊等構(gòu)成的激光測(cè)向裝置硬件組成作為實(shí)施例對(duì)本裝置構(gòu)成與原理進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。
4、(一)基于模塊的激光測(cè)向裝置硬件組成
5、該激光測(cè)向裝置可由激光發(fā)射模塊、測(cè)向接收模塊、信號(hào)處理模塊與搜索捕獲跟蹤模塊四大模塊構(gòu)成。各模塊內(nèi)容與作用如下所示：
6、1.模塊s1，激光發(fā)射模塊。該模塊具備發(fā)射激光脈沖的功能，峰值功率高達(dá)5kw，光束發(fā)散角小于10mrad，可采用被動(dòng)調(diào)q技術(shù)激光器，將一般輸出的連續(xù)激光能量壓縮到寬度極窄的脈沖中發(fā)射，從而使光源的峰值功率可提高幾個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)于遠(yuǎn)距離測(cè)量來(lái)說(shuō)能夠?qū)崿F(xiàn)更高的精確度與可靠性；
7、2.模塊s2，測(cè)向接收模塊。該模塊包括用于激光成像的ingaas面陣傳感器、具有濾光功能以減小傳感器成像背景噪聲的光學(xué)系統(tǒng)、isp信號(hào)處理電路，具備接收激光光斑并成像的功能，能夠?qū)献魇侥繕?biāo)所發(fā)射的激光進(jìn)行接收與成像；
8、3.模塊s3，信號(hào)處理模塊。該模塊包括fpga芯片、串口通訊芯片以及各配套電路等，可以實(shí)現(xiàn)激光器觸發(fā)程序、測(cè)向接收程序以及測(cè)向圖像處理程序，具備對(duì)各分模塊進(jìn)行信號(hào)處理、通訊控制、算法實(shí)現(xiàn)等功能。其中，激光器觸發(fā)程序利用fpga輸入的全局時(shí)鐘，通過(guò)定義合適的分頻計(jì)數(shù)器，得到激光器發(fā)射激光所需的ttl信號(hào)；測(cè)向接收程序利用fpga芯片與相機(jī)之間基于網(wǎng)口的數(shù)據(jù)交互，首先對(duì)相機(jī)進(jìn)行初始化，控制相機(jī)對(duì)圖像拍照儲(chǔ)存，并將相機(jī)獲取的灰度數(shù)據(jù)通過(guò)串口通訊協(xié)議發(fā)送并保存至fpga芯片中的arm核；測(cè)向圖像處理程序?qū)⒔邮盏降陌す獾幕叶葓D片數(shù)據(jù)，在arm核中通過(guò)基于高斯擬合的中心提取算法解算出光斑中心坐標(biāo)；配套電路包括激光器電路與供電本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種合作式激光測(cè)向裝置，其特征在于：
【技術(shù)特征摘要】
1.一種合作式激光測(cè)...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：孫秀聰，何力軒，曾濤，朱玉凱，黃沐林，吉鳳強(qiáng)，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
還沒(méi)有人留言評(píng)論。發(fā)表了對(duì)其他瀏覽者有用的留言會(huì)獲得科技券。