一种激光动态跟踪扫描系统

1.本实用新型属于激光跟踪扫描技术领域，更具体地，涉及一种激光动态跟踪扫描系统。


背景技术：

2.激光跟踪是以激光照射运动目标，根据从目标反射回来的激光信号控制测量系统指向目标方向的技术。激光跟踪集合了激光干涉测距技术、光电探测技术、精密机械技术、计算机及控制技术、现代数值计算理论等各种先进技术，对空间运动目标进行跟踪并实时测量目标的空间三维坐标。它具有高精度、高效率、实时跟踪测量、安装快捷、操作简便等特点。
3.在激光跟踪技术中，通常用于指向目标方向的系统为数字扫描振镜系统；数字扫描振镜系统是一种利用伺服电机转动反射镜控制激光传播方向的系统，可以实现较大角度范围内对光路的偏折。但受现有技术限制，常用的数字振镜电机的单次定位精度很难低于10urad。并且，由于振镜采用反射镜来调控激光指向，激光偏转角改变量是振镜偏转角改变量的两倍，这导致振镜系统难以做到高精度激光角向控制。尤其是在一些需要远距离激光传输的应用场景中，传统的振镜系统难以实现精确有效的动态跟踪扫描。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种激光动态跟踪扫描系统，用以解决现有技术无法实现高精度的动态跟踪扫描的技术问题。
5.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种激光动态跟踪扫描系统，包括：目标识别模块、控制反馈模块、第一电机、第二电机以及沿光路方向依次放置的准直镜、第一光楔和第二光楔；
6.其中，第一光楔和第二光楔的折射棱垂直；第一电机与第一光楔相连；第二电机与第二光楔相连；控制反馈模块分别与第一电机和第二电机相连；目标识别模块与控制反馈模块相连；
7.目标识别模块用于实时追踪待追踪目标的位置，并将目标位置信息传输给控制反馈模块；
8.控制反馈模块用于基于目标位置信息，确定第一光楔和第二光楔所需偏转的角度，转化为第一电机和第二电机的控制信号，分别输入至第一电机和第二电机；
9.第一电机用于在其控制信号的控制作用下带动第一光楔旋转；
10.第二电机用于在其控制信号的控制作用下带动第二光楔旋转；
11.第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；
12.经准直镜准直后的激光依次经过第一光楔和第二光楔进行偏转，并聚焦至目标位置处，实现动态跟踪扫描。
13.进一步优选地，为使电机的偏转范围得到最大程度的利用，第一光楔入射面法线
与光轴的初始夹角大于或小于第一光楔最小偏向角所对应的入射角；第二光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第二光楔最小偏向角所对应的入射角。
14.进一步优选地，第一光楔和所述第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角设置为激光偏转位于所需激光偏转范围中心时所对应的夹角；由于入射角和激光的偏转角关系具有对称性，第一光楔或第二光楔处于工作范围边界时，激光的入射角仍大于或小于所述第一光楔或第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
15.进一步优选地，第一光楔和第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜，且入射面和出射面应根据激光入射和出射的角度范围镀对应的增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。
16.进一步优选地，第一电机和第二电机为振镜电机。
17.进一步优选地，目标识别模块为雷达。
18.进一步优选地，目标识别模块包括图像识别单元和相机；此时，激光动态跟踪扫描系统还包括半透半反镜；半透半反镜沿光路方向放置在准直镜之前；目标识别模块放置在半透半反镜的反射路径上；
19.相机实时拍摄追踪区域内的图像，并发送至图像识别单元进行图像识别，当识别到待追踪目标后，计算待追踪目标的位置。
20.进一步优选地，上述激光动态跟踪扫描系统还包括：第三电机；
21.第三电机与准直镜相连，用于控制准直镜沿光轴移动，以调节准直镜的位置，从而将激光聚焦到目标位置处。
22.进一步优选地，第三电机为平板式直线电机、u型槽式直线电机或圆柱型直线电机。
23.进一步优选地，上述激光动态跟踪扫描系统还包括：沿光路方向在第二光楔之后依次放置的第一反射镜和第二反射镜，以及与第一反射镜对应相连的第四电机和与第二反射镜对应相连的第五电机；其中，第一反射镜的旋转轴与第一光楔的旋转轴平行；第二反射镜的旋转轴与第二光楔的旋转轴平行；
24.此时，控制反馈模块还用于基于目标位置信息，确定第一反射镜和第二反射镜所需偏转的角度，转化为第四电机和第五电机的控制信号，分别输入至第四电机和第五电机；
25.第四电机用于在其控制信号的控制作用下带动第一反射镜旋转；
26.第五电机用于在其控制信号的控制作用下带动第二反射镜旋转；
27.第一反射镜和第二反射镜用于增加激光偏转的范围。
28.进一步优选地，第四电机和第五电机为振镜电机。
29.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
30.1、本实用新型提供了一种激光动态跟踪扫描系统，包括第一光楔和第二光楔，且第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；在追踪到待追踪目标的位置后，控制第一光楔和第二光楔分别在相互垂直的两个方向上进行旋转，从而控制激光的方位角和俯仰角进行偏转，进而聚焦至目标位置处，实现动态跟踪扫描；其中，光楔在旋转时可以微调激光出射时的偏角，且激光偏转角改变量远小于光楔偏转角改变量，利用电机控制光楔偏转，可以实现比反射镜控制更高精度的激光角向控制，从而实现了高精度的动态跟踪扫描。
31.2、本实用新型所提供的激光动态跟踪扫描系统，综合了光楔和反射镜两种偏转方式，通过反射镜大视场扫描快速定位目标，再利用光楔对激光进行微调，做到动态跟踪扫描的快速与高精度。
附图说明
32.图1为本实用新型所提供的激光动态跟踪扫描系统的结构示意图；
33.图2为本实用新型所提供的光楔偏转激光的原理图；
34.图3为本实用新型所提供的激光偏转角与光楔偏转角之间的关系图；
35.图4为本实用新型所提供的光楔偏转激光的示意图；
36.图5为本实用新型实施例所提供的激光动态跟踪扫描系统的结构示意图。
具体实施方式
37.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
38.为了实现上述目的，本实用新型提供了一种激光动态跟踪扫描系统，如图1所示，包括：目标识别模块、控制反馈模块、第一电机5、第二电机7以及沿光路方向依次放置的准直镜2、第一光楔4和第二光楔6；准直镜、第一光楔和第二光楔的中心点均位于光轴上；
39.其中，第一光楔和第二光楔的折射棱垂直；第一电机与第一光楔相连；第二电机与第二光楔相连；控制反馈模块分别与第一电机和第二电机相连；目标识别模块与控制反馈模块相连；
40.目标识别模块用于实时追踪待追踪目标的位置，并将目标位置信息传输给控制反馈模块；
41.控制反馈模块用于基于目标位置信息，以系统自身为原点建立空间球坐标系，根据目标的方位角和俯仰角确定第一光楔和第二光楔所需偏转的角度，转化为第一电机和第二电机的控制信号，分别输入至第一电机和第二电机；
42.第一电机用于在其控制信号的控制作用下带动第一光楔旋转；第二电机用于在其控制信号的控制作用下带动第二光楔旋转；其中，第一光楔的旋转轴、第二光楔的旋转轴以及光轴两两互相垂直；由于两个光楔的折射棱均与其自身旋转轴平行，旋转操作不影响旋转轴自身，而两个光楔的旋转轴是互相垂直的，因此两个光楔的折射棱在旋转过程中依然垂直。具体地，第一电机和第二电机可以为振镜电机；
43.经准直镜准直后的激光依次经过第一光楔和第二光楔进行偏转，并聚焦至目标位置处，实现动态跟踪扫描。优选地，第一光楔和第二光楔的入射面和出射面均镀有增透膜，且入射面和出射面应根据激光入射和出射的角度范围镀对应的增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。
44.需要说明的是，光楔是一种利用光在两个有微小夹角的介质界面的折射现象控制激光偏折角度的器件；光楔在旋转时可以微调激光出射时的偏角，且激光偏转角改变量远小于光楔偏转角改变量，利用电机控制光楔偏转，可以实现比反射镜控制更高精度的激光
角向控制。
45.在一些可选实施方式下，目标识别模块为雷达，通过雷达信号定位待追踪目标的位置。在另一些可选实施例下，目标识别模块包括图像识别单元和相机(如ccd相机、cmos相机等)；此时，激光动态跟踪扫描系统还包括半透半反镜；半透半反镜沿光路方向放置在准直镜之前；目标识别模块放置在半透半反镜的反射路径上；相机实时拍摄追踪区域内的图像，并发送至图像识别单元进行图像识别，当识别到待追踪目标后，计算待追踪目标的位置。图像识别单元所采用的图像识别算法可以为卷积神经网络(cnn)、基于奇异值分解(svd)的特征匹配等常用算法。进一步地，上述相机可以为带望远系统的相机，以增大追踪范围，适用于远距离追踪场景中。
46.优选地，上述激光动态跟踪扫描系统还包括：第三电机；第三电机与准直镜相连，用于控制准直镜沿光轴移动，以调节准直镜的位置，从而将激光聚焦到目标位置处。其中，第三电机可以为平板式直线电机、u型槽式直线电机、圆柱型直线电机(音圈电机)等。
47.优选地，上述激光动态跟踪扫描系统还包括：沿光路方向在第二光楔之后依次放置的第一反射镜和第二反射镜，以及与第一反射镜对应相连的第四电机和与第二反射镜对应相连的第五电机；其中，第一反射镜的旋转轴与第一光楔的旋转轴平行；第二反射镜的旋转轴与第二光楔的旋转轴平行；
48.此时，控制反馈模块还用于基于目标位置信息，确定第一反射镜和第二反射镜所需偏转的角度，转化为第四电机和第五电机的控制信号，分别输入至第四电机和第五电机；
49.第四电机用于在其控制信号的控制作用下带动第一反射镜旋转；第五电机用于在其控制信号的控制作用下带动第二反射镜旋转；其中，第四电机和第五电机可以为振镜电机。
50.第一反射镜和第二反射镜用于增加激光偏转的范围。具体地，在需要激光角度偏转较大时，可先通过反射镜大视场扫描快速定位目标，再利用光楔对激光进行微调，结合光楔小角度控制的优势加以精细控制，进行快速且高精度地动态跟踪扫描的，有效地提高了系统的工作范围。
51.需要说明的是，如图2所示为光楔偏转激光的原理图，其中，α为光楔的楔角，n为光楔的折射率，i1为激光在入射面(第一个折射面)的入射角，i'1为激光在入射面(第一个折射面)的折射角，-i2为激光在出射面(第二个折射面)的入射角，-i'2为激光在出射面(第二个折射面)的折射角。δ为入射光楔激光与出射光楔激光夹角，即激光的偏转角。
52.由光的折射定律及角度关系，上述参数满足如下公式。
[0053][0054]
当i1＝i2时，激光的偏转角δ最小，记为激光最小偏转角δ
min
(即光楔的最小偏向角)，此时，激光在入射面的入射角为i0。
[0055]
由于光楔的旋转角度和激光的入射角的变化角度相等，用激光的入射角i1作为变量可以建立光楔旋转对激光偏转的数学模型，在光楔角度很小，且激光入射角极为接近最
小偏向角时的入射角时，有以下近似公式：
[0056][0057]
以楔角为10
°
(174.53mrad)的石英玻璃(折射率为1.46)为例，经计算得激光最小偏向角为80.65mrad，此时入射角i1＝127.59mrad。令光楔旋转1mrad，入射角i1＝128.59mrad，出射激光偏移角度为68.62nrad，构建得到如图3所示为激光偏转角与光楔偏转角之间的关系图，其中，横坐标为光楔的旋转角与激光偏转角最小时所对应的光楔的旋转角之差，纵坐标为激光偏转角与激光最小偏转角之差。图4为本实用新型所提供的光楔偏转激光的示意图，其展示了单光楔工作在中心位置，工作范围下边界、工作范围上边界三种状态时光楔对激光角度的不同影响。结合图3和图4可以看出，利用光楔偏转能够有效提高激光小角度控制的精度。
[0058]
根据图3可以看出，为扩大系统的工作范围，且兼顾工作精度，光楔的初始旋转角度应偏离使激光最小偏转的旋转角度，并依据实际情况选取。具体地，为使电机的偏转范围得到最大程度的利用，在一些可选实施方式下，第一光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第一光楔最小偏向角所对应的入射角；第二光楔入射面法线与光轴的初始夹角大于或小于第二光楔最小偏向角所对应的入射角。优选地，第一光楔和第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角应使激光初始偏转位于所需激光偏转范围中心，将第一光楔和所述第二光楔的入射面法线与光轴的初始夹角设置为激光偏转位于所需激光偏转范围中心时所对应的夹角。第一光楔或第二光楔处于工作范围边界时，激光的入射角仍大于或小于第一光楔或第二光楔的最小偏向角所对应的入射角。
[0059]
为了进一步说明本实用新型所提供的激光动态跟踪扫描系统，下面结合实施例进行详述：
[0060]
实施例、
[0061]
如图5所示，本实施例中的激光动态跟踪扫描系统包括：激光器1、准直镜2、控制准直镜2运动的音圈电机3、第一光楔4、控制第一光楔4的第一振镜电机5、第二光楔6、控制第二光楔6的第二振镜电机7、反射镜8、控制反射镜8的振镜电机9、反射镜10、控制反射镜10的振镜电机11、固定反射镜12、半透半反镜13、望远系统14、ccd相机15、控制反馈模块16。
[0062]
在使用中，利用振镜电机9、11分别控制反射镜8、10，对激光的方位角和俯仰角进行大范围的扫描，目标识别模块控制ccd相机14实时检测待追踪目标的位置，得到目标位置后，经由控制反馈模块16转换为控制信号，传输给第一振镜电机5和第二振镜电机7。
[0063]
激光器1出射的激光入射至准直镜2；其中，准直镜2通过音圈电机3控制，调节透镜位置，以满足成像关系，从而将激光聚焦到目标位置处。第一光楔4和第二光楔6在对应的振镜电机的带动下分别以y轴和x轴为旋转轴进行旋转，进而控制激光的方位角和俯仰角进行偏转。固定反射镜12用来弯折光路。其中，第一光楔4和第二光楔6的两个表面均镀有增透膜，以减少反射对激光能量的损耗。为扩大工作范围，兼顾工作精度，光楔的初始旋转角度偏离使激光最小偏转的旋转角度，并依据实际选取。例如图2所示的光楔，选用最小行程为10urad的振镜电机，为方便控制关系接近线性，选取光楔的工作范围如图3所示，光楔的初始放置方式需使激光入射角等于所需工作范围中心所对应的入射角，即 261mrad处，将此时的出射光方向视为参考轴。在使用中利用振镜电机控制光楔旋转，使激光的入射角范围
控制在0.182rad-0.303rad内，可以实现激光相对参考轴
±
1mrad的范围内偏转，有效提高了激光小角度控制的精度。并且电机单行程激光偏转角度不超过0.28urad，在十公里的范围内可以控制横向误差在数厘米。通过光楔偏转，快速、高精度对准目标，实现高精度动态激光传输。
[0064]
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。