一種多模共光路位姿測量裝置的制作方法

本發明屬于目標探測與識別技術領域，具體涉及一種適用于天基平臺的多模共光路位姿測量裝置。

背景技術：

獲取空間目標的相對位姿是實現對其進行檢測、接近、交會對接及維修等操作的前提。太空環境的特殊性，需要空間目標測量克服空間環境的衛星振動、參照系誤差、軌道預測誤差和背景光噪聲等因素對測量精度的影響，實現對空間目標的精密測量。

空間目標相對姿態參數的測量主要是利用裝載在衛星(空間飛行器)上的各種攝影測量系統、光電傳感器及光電跟蹤設備完成，主要是包括相對距離、俯仰角、偏置角的測量。

目前單目視覺只能適用于合作目標測量，需地面事先標定好及先驗信息；雙目立體視覺受基線限制，測量距離有限；掃描式激光雷達重構目標特征粗糙，無法獲取目標的詳細圖像信息；采用多種方式備份組合使用，體積、質量大，且測量信息不融合，測量精度低。

技術實現要素：

本發明采用單目可見光立體視覺+激光測距多模共光路融合，構建出非合作目標所有特征的三維模型的前提下進行位姿測量，適用于非合作目標位姿測量，無需地面事先標定及先驗信息，且共光路設計具有精度高、緊湊、小型等特點。

一種多模共光路位姿測量裝置，包括發射望遠鏡、激光測距單元、成像相機、中繼光路單元、信息處理單元、控制系統和指向控制機構，成像相機與信息處理單元、激光測距單元與信息處理單元、信息處理單元與控制系統、控制系統與指向控制機構均通過總線連接；指向控制機構、激光測距單元、和成像相機分別與中繼光路單元通過總線連接。

所述發射望遠鏡采用卡塞格林望遠鏡結構，主鏡采用凹面鏡，次鏡采用凸面鏡，通過微調主鏡和次鏡間的距離實現焦距的連續可調。

所述激光測距單元與成像相機采用雙波段共孔徑。

所述指向控制機構采用擺鏡。

本發明的有益效果如下：

(1)本發明中的目標探測、跟蹤、速度和圖像特征參數，尤其具備對空間非合作目標相對運動參數的測量(相對距離、相對速度、高低角和方位角)，提高空間操控的準確性。

(2)本發明的多模共光路位姿測量裝置集成探測與測距功能，精度高、體積質量小，能夠實現空間非合作目標的精確位姿測量，該發明可應用于軌道救援、交會對接和在軌操控。

附圖說明

圖1是本發明的光路系統組成圖；

圖2是本發明的系統組成示意圖。

其中：1-發射望遠鏡主鏡，2-發射望遠鏡次鏡，3-第一反射鏡片，4-分光片，5-第二反射鏡片，6-第一窄帶濾光片，7-第一光束整形鏡組，8-可見光探測CCD，9-1064nm激光發射斜劈，10-第二窄帶濾光片，11-第二光束整形鏡組，12-激光測距接收模塊，13-1064nm測距激光器，14-指向控制機構。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明的技術方案做進一步詳細說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明的實施例，本領域技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明要求保護的范圍。

本發明提出了一種多模共光路位姿測量裝置，采用目標探測與激光測距共光路設計思路，遵循小型化和集成化設計原則，具有以下功能：具備對空間目標的三維模型、距離、姿態、高低角、方位角的測量；具備對空間目標的特征部位的識別功能。

多模共光路位姿測量裝置的組成如圖2所示，由發射望遠鏡、激光測距單元、成像相機、中繼光路單元、信息處理單元、控制系統和指向控制機構組成，成像相機與信息處理單元、激光測距單元與信息處理單元、信息處理單元與控制系統、控制系統與指向控制機構均通過總線連接；指向控制機構、激光測距單元、和成像相機分別與中繼光路單元通過總線連接。

發射望遠鏡:采用卡塞格林型望遠鏡，用于對空間目標的探測、測距和光束的擴束聚焦；發射望遠鏡采用卡塞格林望遠鏡結構，主鏡采用大口徑凹面鏡，次鏡采用小尺寸凸面鏡，通過微調卡塞格林望遠鏡主次鏡間的距離實現焦距的連續可調；該發射望遠鏡為收發共用系統，利用收發可逆通路完成1064nm測距激光發射、1064nm測距信號接收和為探測相機提供可見光波段接收通路。

激光測距單元:通過激光測距單元對空間目標進行測距，得到空間目標與服務平臺之間的相對距離；

成像相機：成像相機通過發射望遠鏡對空間目標進行成像；成像相機采用小視場大像元芯片，實現空間目標的三維模型和特征部位的識別；

中繼光路單元：主要對1064nm測距激光及532nm-800nm可見光等不同波段的光進行分光、隔離，使各組件功能工作正常且互不干擾；

信息處理單元：對成像相機和測距激光信息進行融合獲得空間目標的三維模型，解算空間目標的位置和姿態；并根據成像相機近場目標圖像解算空間目標的高低角和方位角信息，將相對空間目標的位置、姿態、高低角、方位角發送至控制系統；

控制系統：根據目標的高低角和方位角信息計算出指向控制機構轉動角度和角速度的調整量；當近場目標處于成像相機的視場中央，根據空間目標與服務平臺之間的相對距離控制發射望遠鏡，調整主次鏡之間的距離對空間目標清晰成像和激光點掃描。

指向控制機構：根據控制系統發出的轉動角度和角速度調整量進行調整，指向控制機構使目標處于成像相機的視場中央，將激光測距單元發出的光束聚焦到空間目標上，實現點掃描。指向控制機構采用擺鏡實現方位軸和俯仰軸高動態范圍的調整；

激光測距單元和成像相機采用共孔徑設計，能有效降低系統體積、重量。

多模共光路位姿測量裝置光路系統設計時，首先將激光測距、探測成像兩個支路分開，將激光測距的影響降到最低。如圖1所示，發射望遠鏡主鏡1采用凹面鏡，發射望遠鏡次鏡2采用凸面鏡，通過微調卡塞格林發射望遠鏡主鏡1和發射望遠鏡次鏡2間的距離實現焦距的連續可調；第一反射鏡片3、第二反射鏡片5；分光片4對1064nm反射率大于97％，白光透過率大于97％；第一窄帶濾光片6對白光透過率大于97％，1064nm透過率小于≤0.01％，第二窄帶濾光片10對1064nm透過率大于97％，白光透過率小于≤0.01％；第一光束整形鏡組7對白光透過率大于97％，1064nm透過率小于≤0.01％，第二光束整形鏡組11對1064nm透過率大于97％，白光透過率小于≤0.01％；可見光探測CCD8，1064nm激光發射斜劈9，激光測距接收模塊12，1064nm測距激光器13，指向控制機構14；可見光探測CCD8通過發射望遠鏡主鏡1，發射望遠鏡次鏡2，第一反射鏡片3，分光片4，第二反射鏡片5，第一窄帶濾光片6，第一光束整形鏡7，指向控制機構14，對空間目標成像，探測支路波段為可見光波段；測距激光器13，波長為1064nm，通過1064nm激光發射斜劈9、分光片4、第一反射鏡片3、發射望遠鏡次鏡2、指向控制機構14出射，調整發射望遠鏡次鏡2使激光束在不同距離處聚焦；發射望遠鏡主次鏡間距調整時，既可以保證可見光探測支路成像質量高，又可以保證測距支路信噪比高，發射聚焦到目標處的光斑直徑小。

本發明的位姿測量工作原理如下：

(1)在遠距離處，成像相機獲取空間目標圖像，發送到信息處理單元，信息處理單元結合測距信息解算獲得空間目標相對服務平臺的位置、高低角和方位角信息，將空間目標信息發送到控制系統，實現對目標的探測與識別；

(2)控制系統根據空間目標位置調整指向控制機構，使空間目標移動至成像相機視場中央；

(3)激光測距單元獲取空間目標的距離信息，并結合指向控制機構獲得空間目標的激光點云數據；

(4)隨著與目標的距離越來越接近，成像相機調焦獲取空間目標圖像，利用圖像信息和測距信息獲取空間目標的三維圖像；

(5)信息處理單元對空間目標進行識別，并獲取空間目標操控部位的精確位置和姿態信息，信息處理單元將發送距離和位姿指令到控制系統；

(6)控制系統獲取多模位姿測量裝置的測量結果，將狀態反饋給服務平臺，完成對目標的維修與操控。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明范圍的情況下，在其他實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬范圍。