本發(fā)明屬于目標(biāo)探測與識別技術(shù)領(lǐng)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(shù)：

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

空間目標(biāo)相對姿態(tài)參數(shù)的測量主要是利用裝載在衛(wèi)星(空間飛行器)上的各種攝影測量系統(tǒng)、光電傳感器及光電跟蹤設(shè)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(biāo)測量，需地面事先標(biāo)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(dá)重構(gòu)目標(biāo)特征粗糙，無法獲取目標(biāo)的詳細(xì)圖像信息；采用多種方式備份組合使用，體積、質(zhì)量大，且測量信息不融合，測量精度低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明采用單目可見光立體視覺+激光測距多模共光路融合，構(gòu)建出非合作目標(biāo)所有特征的三維模型的前提下進(jìn)行位姿測量，適用于非合作目標(biāo)位姿測量，無需地面事先標(biāo)定及先驗信息，且共光路設(shè)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(fā)射望遠(yuǎn)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(tǒng)和指向控制機構(gòu)，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(tǒng)、控制系統(tǒng)與指向控制機構(gòu)均通過總線連接；指向控制機構(gòu)、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(fā)射望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，主鏡采用凹面鏡，次鏡采用凸面鏡，通過微調(diào)主鏡和次鏡間的距離實現(xiàn)焦距的連續(xù)可調(diào)。

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(gòu)采用擺鏡。

本發(fā)明的有益效果如下：

(1)本發(fā)明中的目標(biāo)探測、跟蹤、速度和圖像特征參數(shù)，尤其具備對空間非合作目標(biāo)相對運動參數(shù)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(zhǔn)確性。

(2)本發(fā)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(zhì)量小，能夠?qū)崿F(xiàn)空間非合作目標(biāo)的精確位姿測量，該發(fā)明可應(yīng)用于軌道救援、交會對接和在軌操控。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的光路系統(tǒng)組成圖；

圖2是本發(fā)明的系統(tǒng)組成示意圖。

其中：1-發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡，2-發(fā)射望遠(yuǎn)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(fā)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(gòu)。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步詳細(xì)說明。顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明的實施例，本領(lǐng)域技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明要求保護(hù)的范圍。

本發(fā)明提出了一種多模共光路位姿測量裝置，采用目標(biāo)探測與激光測距共光路設(shè)計思路，遵循小型化和集成化設(shè)計原則，具有以下功能：具備對空間目標(biāo)的三維模型、距離、姿態(tài)、高低角、方位角的測量；具備對空間目標(biāo)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(fā)射望遠(yuǎn)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(tǒng)和指向控制機構(gòu)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(tǒng)、控制系統(tǒng)與指向控制機構(gòu)均通過總線連接；指向控制機構(gòu)、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(fā)射望遠(yuǎn)鏡:采用卡塞格林型望遠(yuǎn)鏡，用于對空間目標(biāo)的探測、測距和光束的擴束聚焦；發(fā)射望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，主鏡采用大口徑凹面鏡，次鏡采用小尺寸凸面鏡，通過微調(diào)卡塞格林望遠(yuǎn)鏡主次鏡間的距離實現(xiàn)焦距的連續(xù)可調(diào)；該發(fā)射望遠(yuǎn)鏡為收發(fā)共用系統(tǒng)，利用收發(fā)可逆通路完成1064nm測距激光發(fā)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(biāo)進(jìn)行測距，得到空間目標(biāo)與服務(wù)平臺之間的相對距離；

成像相機：成像相機通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡對空間目標(biāo)進(jìn)行成像；成像相機采用小視場大像元芯片，實現(xiàn)空間目標(biāo)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(jìn)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(jìn)行融合獲得空間目標(biāo)的三維模型，解算空間目標(biāo)的位置和姿態(tài)；并根據(jù)成像相機近場目標(biāo)圖像解算空間目標(biāo)的高低角和方位角信息，將相對空間目標(biāo)的位置、姿態(tài)、高低角、方位角發(fā)送至控制系統(tǒng)；

控制系統(tǒng)：根據(jù)目標(biāo)的高低角和方位角信息計算出指向控制機構(gòu)轉(zhuǎn)動角度和角速度的調(diào)整量；當(dāng)近場目標(biāo)處于成像相機的視場中央，根據(jù)空間目標(biāo)與服務(wù)平臺之間的相對距離控制發(fā)射望遠(yuǎn)鏡，調(diào)整主次鏡之間的距離對空間目標(biāo)清晰成像和激光點掃描。

指向控制機構(gòu)：根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的轉(zhuǎn)動角度和角速度調(diào)整量進(jìn)行調(diào)整，指向控制機構(gòu)使目標(biāo)處于成像相機的視場中央，將激光測距單元發(fā)出的光束聚焦到空間目標(biāo)上，實現(xiàn)點掃描。指向控制機構(gòu)采用擺鏡實現(xiàn)方位軸和俯仰軸高動態(tài)范圍的調(diào)整；

激光測距單元和成像相機采用共孔徑設(shè)計，能有效降低系統(tǒng)體積、重量。

多模共光路位姿測量裝置光路系統(tǒng)設(shè)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(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡1采用凹面鏡，發(fā)射望遠(yuǎn)鏡次鏡2采用凸面鏡，通過微調(diào)卡塞格林發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡1和發(fā)射望遠(yuǎn)鏡次鏡2間的距離實現(xiàn)焦距的連續(xù)可調(diào)；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(fā)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(gòu)14；可見光探測CCD8通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主鏡1，發(fā)射望遠(yuǎn)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(gòu)14，對空間目標(biāo)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(fā)射斜劈9、分光片4、第一反射鏡片3、發(fā)射望遠(yuǎn)鏡次鏡2、指向控制機構(gòu)14出射，調(diào)整發(fā)射望遠(yuǎn)鏡次鏡2使激光束在不同距離處聚焦；發(fā)射望遠(yuǎn)鏡主次鏡間距調(diào)整時，既可以保證可見光探測支路成像質(zhì)量高，又可以保證測距支路信噪比高，發(fā)射聚焦到目標(biāo)處的光斑直徑小。

本發(fā)明的位姿測量工作原理如下：

(1)在遠(yuǎn)距離處，成像相機獲取空間目標(biāo)圖像，發(fā)送到信息處理單元，信息處理單元結(jié)合測距信息解算獲得空間目標(biāo)相對服務(wù)平臺的位置、高低角和方位角信息，將空間目標(biāo)信息發(fā)送到控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標(biāo)的探測與識別；

(2)控制系統(tǒng)根據(jù)空間目標(biāo)位置調(diào)整指向控制機構(gòu)，使空間目標(biāo)移動至成像相機視場中央；

(3)激光測距單元獲取空間目標(biāo)的距離信息，并結(jié)合指向控制機構(gòu)獲得空間目標(biāo)的激光點云數(shù)據(jù)；

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

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

(6)控制系統(tǒng)獲取多模位姿測量裝置的測量結(jié)果，將狀態(tài)反饋給服務(wù)平臺，完成對目標(biāo)的維修與操控。

對所公開的實施例的上述說明，使本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)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(fā)明范圍的情況下，在其他實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)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。