本發(fā)明涉及通信技術領域，尤其涉及一種用激光對目標物進行定位的裝置及方法。

背景技術：

當與水下目標進行通信的時候，可以采用激光通信以提高安全性。

激光通信的前提是要能夠對水下目標進行定位?，F(xiàn)有的一種對水下目標進行定位的裝置及方法是采用將水下目標上浮至接近水面位置，然后釋放由電纜或光纖連接的gps接收器，使gps接收器的天線浮出水面以接收gps衛(wèi)星信號，從而確定水下目標的位置。

上述的現(xiàn)有技術存在的主要問題是：定位的準確性不高。因為定位得到的實際上是水面gps衛(wèi)星信號接收器的位置，而不是水下目標的真實位置。

技術實現(xiàn)要素：

針對于上述存在的技術問題，本發(fā)明的目的是提供一種用激光對目標物進行定位的裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術中水下目標定位難以實現(xiàn)且定位精度不高的問題。

本發(fā)明的一個實施例是提供一種用激光對目標物進行定位的裝置，包括：

激光發(fā)射器，其位于水下或浮于水面，所述激光發(fā)射器用于向所述水下或水上目標發(fā)射激光；

陀螺儀，與所述激光發(fā)射器相連接，用于測量所述激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度；

激光接收器，其安裝于所述水下目標上，用于接收激光發(fā)射器發(fā)射的激光；

距離計算模塊，其與激光接收器相連接，用于根據(jù)激光接收器接收到的激光的理論分布函數(shù)與激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值計算激光發(fā)射器與目標物之間的距離；以及

坐標計算模塊，用于根據(jù)所述距離和所述旋轉角度，計算所述目標物的坐標位置。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明首次利用激光分布函數(shù)實現(xiàn)水下目標的定位，且與利用傳輸時間或時間差的傳統(tǒng)測量方法不同的是僅僅利用激光傳輸?shù)膶傩赃M行測量，并借助陀螺儀對目標的連接方向進行微調，使得測量的距離數(shù)據(jù)準確度高，且可以在激光傳輸?shù)挠行Х秶鷥?，實現(xiàn)任意距離目標的定位，定位精度高，定位方便，成本低。

在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進：

所述距離計算模塊進一步包括：

功率測量模塊，用于測量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

第一判斷模塊，用于判斷所述功率是否超過預先設定的第一門限值；以及

實際分布函數(shù)值計算模塊，用于當所述功率超過預先設定的第一門限值時，根據(jù)所述功率和所述接收屏的面積計算所述激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值；

第二判斷模塊，用于判斷所述激光發(fā)射器發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值是否近似相等，所述近似相等即為激光發(fā)射器發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值的差值是否超過預先設定的第二門限值，所述第二門限值按照以下公式計算得到：

其中，pw1為首次掃描到大于第一門限值的實際分布函數(shù)值，pw2為第二次掃描到的大于第一門限值且與pw1近似相等的實際分布函數(shù)值，pwth為閾值精度，取10％；以及

最大功率點確定模塊，用于當實際分布函數(shù)值近似相等時，激光接收器將向激光發(fā)射端反饋信息，通知激光發(fā)射器記錄所述激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度信息以及激光發(fā)射器發(fā)射激光時的發(fā)射方向信息；

以激光發(fā)射器和取得兩次實際分布函數(shù)值近似相等時激光發(fā)射器發(fā)射激光的發(fā)射方向為基礎構建第一平面，激光發(fā)射器沿著經過激光源且與所述第一平面相垂直的第二平面發(fā)射掃描，并確定在該平面內在激光接收器的接收屏上的功率最大的位置點，此時激光器接收端將向激光器發(fā)射端反饋信息，通知發(fā)射端記錄此時的角度信息；

第一距離計算模塊，用于根據(jù)在第二平面內功率最大的位置點的激光的理論分布函數(shù)與該激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值，在r＝0的條件下，計算激光發(fā)射器與目標物之間的距離；

根據(jù)如下公式計算所述距離；

bsf(r,l1)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf(r,l1)為最大功率點處的激光的理論分布函數(shù)，bsf1為最大功率點處的激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值，l1為所述距離。

本發(fā)明的另一個實施例提供一種用激光對目標物進行定位的方法，包括以下步驟：

通過激光發(fā)射器從水面上或水面下向所述目標物發(fā)射激光；所述激光的傳播途徑全部位于水中；

獲取激光發(fā)射器在發(fā)射激光時的旋轉角度；

通過位于目標物上的激光接收器接收所述激光；

根據(jù)接收到的激光的理論分數(shù)函數(shù)與激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值計算所述激光發(fā)射器與水下目標之間的距離；以及

根據(jù)所述距離和所述旋轉角度，計算目標物的位置坐標。

本發(fā)明的有益效果為：本發(fā)明提供的用激光對目標物進行定位的裝置及方法能夠有效提高對水下目標的定位精度，并且容易實現(xiàn)，成本低。

在上述技術方案的基礎上，本發(fā)明還可以做如下改進：

所述根據(jù)接收到的激光的理論分數(shù)函數(shù)與激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值計算所述激光發(fā)射器與目標物之間的距離的步驟進一步包括：

測量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；

判斷所述功率是否超過預先設定的第一門限值；

當所述功率超過預先設定的第一門限值時，根據(jù)所述功率和所述接收屏的面積計算所述激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值；

判斷所述激光發(fā)射器在具有不同旋轉角度時發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值是否近似相等，所述近似相等即為激光發(fā)射器發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值的差值是否超過預先設定的第二門限值，所述第二門限值按照以下公式計算得到：

其中，pw1為首次掃描到大于第一門限值的實際分布函數(shù)值，pw2為第二次掃描到的大于第一門限值且與pw1近似相等的實際分布函數(shù)值，pwth為閾值精度，取10％；以及

當實際分布函數(shù)值近似相等時，激光接收器將向激光發(fā)射端反饋信息，通知記錄所述激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度信息以及兩個激光在激光接收器的接收屏上的位置點信息；

以激光發(fā)射器和取得兩次實際分布函數(shù)值近似相等時激光發(fā)射器發(fā)射激光的發(fā)射方向為基礎構建第一平面，激光發(fā)射器沿著經過激光源且與所述第一平面相垂直的第二平面發(fā)射掃描，并確定在該平面內在激光接收器的接收屏上的功率最大的位置點，此時激光器接收端將向激光器發(fā)射端反饋信息，通知發(fā)射端記錄此時的角度信息；

根據(jù)在第二平面內功率最大的位置點的激光的理論分布函數(shù)與該激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值，在r＝0的條件下，計算激光發(fā)射器與目標物之間的距離；

根據(jù)如下公式計算所述距離；

bsf(r,l1)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf(r,l1)為最大功率點處的激光的理論分布函數(shù)，bsf1為最大功率點處的激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值，l1為所述距離。

附圖說明

圖1示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位的裝置的一個實施例的總體結構圖；

圖2示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位的裝置中的距離計算模塊的一個實施例的結構框圖；

圖3示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位的方法的一個實施例的流程圖；

圖4示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位過程中的距離計算步驟的一個實施例的流程圖。

圖5示意性地給出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位過程中的距離計算步驟304的一個實施例的模型圖。

具體實施方式

現(xiàn)在將參考附圖來詳細描述本發(fā)明的示例性實施方式。應當理解，附圖中示出和描述的實施方式僅僅是示例性的，意在闡釋本發(fā)明的原理和精神，而并非限制本發(fā)明的范圍。

本發(fā)明的一個實施例提供了一種用激光對目標物進行定位的裝置。

參考圖1，圖1示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位的裝置100的一個實施例的總體結構圖。如圖1所示，裝置100可以包括：一個激光發(fā)射器101，陀螺儀102，激光接收器103，距離計算模塊104以及坐標計算模塊105.

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，如圖1所示，激光發(fā)射器，用于向所述水下目標發(fā)射激光，其可以浮于水面上，也可以位于水面下，在激光傳輸?shù)挠行Х秶鷥?，在水上或水下的任意位置向其他方向的掃描均可以實現(xiàn)定位；激光發(fā)射器可以包含激光源。

激光發(fā)射器可以包含陀螺儀102，與激光源固定連接，用于測量激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度。

激光接收器103可以安裝于水下目標上，激光接收器103可以接收激光發(fā)射器發(fā)射的激光；

距離計算模塊104可以與激光接收器通過有線或無線方式連接，其可以根據(jù)激光接收器接收到的激光的理論分布函數(shù)與激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值計算激光發(fā)射器與水下目標之間的距離。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，距離計算模塊104可以進一步包括功率測量模塊201、第一判斷模塊202、實際分布函數(shù)值計算模塊203、第二判斷模塊204、最大功率點確定模塊205和第一距離計算子模塊206。其中，功率測量模塊201用于測量激光在所述激光接收器的接收屏上的功率；激光功率的測量可以采用任何現(xiàn)有的測量工具和/或測量方法得到。

第一判斷模塊202，用于判斷所述功率是否超過預先設定的第一門限值；根據(jù)本申請的一個實施例，設定激光接收器的接收屏上的功率的第一門限值為pth，第一判斷模塊判斷激光在接收屏上的功率p1是否大于pth，

如果p1＜pth，則激光發(fā)射器繼續(xù)掃描；

如果p1≥pth，則根據(jù)所述功率和所述接收屏的面積計算所述激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值，同時激光接收屏將反饋信息通過激光反饋至激光發(fā)射器，并通知發(fā)射端開始記錄角度信息；此時，激光發(fā)射器可以在控制模塊的作用下，采用圓弧形掃描方式，保證掃描過程中激光發(fā)射方向與z軸角度不變，激光發(fā)射器與激光接收器之間的距離始終相同；

實際分布函數(shù)值計算模塊203，用于當所述功率超過預先設定的第一門限值時，根據(jù)所述功率和所述接收屏的面積計算所述激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值；根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，實際分布函數(shù)值可以是激光接收器上接收到的激光的功率與激光接收器的接收屏的面積的比值。

第二判斷模塊204，用于判斷激光源發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值是否近似相等，所述近似相等即為激光發(fā)射器發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值的差值是否超過預先設定的第二門限值，所述第二門限值按照以下公式計算得到：

其中，pw1為首次掃描到大于第一門限值的實際分布函數(shù)值，pw2為第二次掃描到的大于第一門限值且與pw1近似相等的實際分布函數(shù)值，pwth為閾值精度，取10％；即是，激光發(fā)射器按照上述方法不斷發(fā)射激光，直到激光接收器上出現(xiàn)接收的激光的實際分布分布函數(shù)值差的絕對值在要求的范圍之內的點，且激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度不同；以及

最大功率點確定模塊205，用于當激光接收器上出現(xiàn)兩個激光在接收屏上的實際分布函數(shù)值近似相等時，激光接收器將向激光發(fā)射端反饋信息，通知激光發(fā)射器記錄所述激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度信息以及激光發(fā)射器發(fā)射激光時的發(fā)射方向信息；

再以激光發(fā)射器和取得兩次實際分布函數(shù)值近似相等時激光發(fā)射器發(fā)射激光的發(fā)射方向為基礎構建第一平面，激光發(fā)射器沿著經過激光源且與第一平面相垂直的第二平面發(fā)射掃描，并確定在該平面內在激光接收器的接收屏上的功率最大的位置點即為目標物的位置，此時激光器接收端將向激光器發(fā)射端反饋信息，通知發(fā)射端記錄此時的角度信息；

第一距離計算模塊206，用于根據(jù)在第二平面內功率最大的位置點的激光的理論分布函數(shù)與該激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值，在r＝0的條件下，計算激光發(fā)射器與目標物之間的距離；

根據(jù)如下公式計算所述距離；

bsf(r,l1)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf(r,l1)為最大功率點處的激光的理論分布函數(shù)，bsf1為最大功率點處的激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值，l1為所述距離。

坐標計算模塊105可以根據(jù)距離和旋轉角度，計算水下目標的位置坐標。

根據(jù)本申請的一個實施例，當具有一個激光發(fā)射器時，可以按照如下公式計算水下目標的坐標位置：

x＝l1*cos(θ1)

y＝l1*cos(θ2)

z＝l1*cos(θ3)

其中，(x,y,z)為水下目標的坐標位置；θ1、θ2和θ3分別表示當定位到功率最大點的目標位置時陀螺儀測量出的激光發(fā)射器發(fā)射激光時相對于x軸、y軸和z軸的旋轉角度。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，裝置100可以采用硬件與軟件相結合的方式來實現(xiàn)。也就是說，裝置100中的一些組件可以用硬件方式實現(xiàn)，一些組件可以用軟件方式實現(xiàn)。

具體來說，裝置100中位于水面部分可以包括激光發(fā)射器101和與激光發(fā)射器相連接的水面控制器，水面控制器可以包括cpu、存儲器和必要的輸入輸出接口。

坐標計算模塊105可以通過軟件方式實現(xiàn)，該軟件的代碼可以存放在水面控制器中的存儲器內并被水上控制器中的cpu所執(zhí)行以完成坐標位置的計算。

激光發(fā)射器101可以與水面控制器相連接，并在水面控制器的控制下按照預先設定的波長和腰半徑發(fā)射相應的激光。由于一開始向激光接收器發(fā)射激光時，激光發(fā)射器并不知曉激光接收器的位置，因此，根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，激光發(fā)射器可以在水面控制器的控制下轉動地發(fā)射激光，并且激光發(fā)射器還可以在水面控制器的控制下在發(fā)射出的激光上攜帶定位消息，當激光接收器接收到該定位消息以后，可以向水面控制器回復定位確認消息，當水面控制器接收到該定位確認消息以后，就可以停止轉動。

類似地，裝置100中位于水下目標上的部分可以包括激光接收器103和與激光接收器103相連接的水下控制器。激光接收器103可以包括激光接收屏，水下控制器可以包括cpu、存儲器和必要的輸入輸出接口。

距離計算模塊104可以通過軟件結合硬件的方式實現(xiàn)。例如，距離計算模塊中的功率測量模塊201可以采用硬件方式，即：功率測量模塊201是用硬件方式實現(xiàn)的激光功率測量裝置。相應地，功率測量模塊201可以位于目標物上。

而第一判斷模塊202、實際分布函數(shù)值計算模塊203、第二判斷模塊204、最大功率點確定模塊205和第一距離計算子模塊206則可以采用軟件方式實現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，這些模塊的軟件代碼可以全部存于水下控制器中的存儲器內并被水下控制器中的cpu所執(zhí)行以完成每一個激光發(fā)射器到水下目標距離的計算。在此情況下，水下控制器還可以將計算得到的距離值發(fā)送給水面控制器，以使得水面控制器中的坐標計算模塊可以根據(jù)距離值和旋轉角度計算出目標物的位置坐標。

根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，這些模塊中的某些模塊的軟件代碼可以存于水下控制器的存儲器內，而另一些模塊的軟件代碼可以存于水面控制器的存儲器內。

在實際使用本發(fā)明的裝置時，可以在水面控制器的控制下，打開激光發(fā)射器，并計算出激光發(fā)射器到水下目標的距離，根據(jù)陀螺儀測定的激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度，從而根據(jù)這些距離和旋轉角度最終計算出目標物的坐標位置。在定位過程中，如果第一判斷模塊的輸出為“否”，則可以通知水面控制器調整該激光發(fā)射器的發(fā)射角度以便在激光接收屏上再次接收到激光，直至這些激光在接收屏的功率值超過預先設定的門限值。

至此描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的用對激光目標物進行定位的裝置。該裝置能夠以安全的方式提高定位精度，并且容易實現(xiàn)，成本較低。

本發(fā)明還提供了用激光對目標物進行定位的方法。目標物浮于水面或位于水下。

參考圖3，圖3示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位的方法300的一個實施例的流程圖。如圖3所示，方法300可以包括如下步驟301至305。

步驟301為激光發(fā)射步驟：通過位于水面的激光發(fā)射器發(fā)射激光，其中，激光的傳播途徑全部位于水中。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，由于在剛開始時激光發(fā)射器并不知道水下目標的位置，因此，激光發(fā)射器可以轉動地發(fā)射激光并在發(fā)射的激光中包含定位消息。

步驟302為獲取旋轉角度步驟：通過陀螺儀獲取激光發(fā)射器在發(fā)射激光時的旋轉角度；

步驟303為激光接收步驟：通過位于目標物上的激光接收器接收激光。

步驟304為距離計算步驟：根據(jù)接收到的激光的理論分數(shù)函數(shù)與激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值計算所述激光發(fā)射器與水下目標之間的距離。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，圖4示意性地示出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位過程中的距離計算步驟304的一個實施例的流程圖；圖5示意性地給出了本發(fā)明的用激光對目標物進行定位過程中的距離計算步驟304的一個實施例的模型圖；如圖4所示，步驟304可以進一步包括如下子步驟401至404。

子步驟401為功率測量步驟，測量激光在激光接收器的接收屏上的功率。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，可以采用任何現(xiàn)有的激光功率測試裝置和/或方法來測量該功率。

子步驟402是判斷步驟：判斷接收屏上的接收功率是否超過預先設定的第一門限值；

子步驟403實際分布函數(shù)值計算步驟：當功率超過預先設定的第一門限值時，根據(jù)功率和所述接收屏的面積計算所述激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值；在此過程中，此時，激光發(fā)射器可以在控制模塊的作用下，采用圓弧形掃描方式，保證掃描過程中激光發(fā)射方向與z軸角度不變，激光發(fā)射器與激光接收器之間的距離始終相同；當功率沒有超過預先設定的第一門限值時，則激光發(fā)射器繼續(xù)掃描。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，實際分布函數(shù)值可以是功率與激光接收器的接收屏的面積的比值。

子步驟404為判斷步驟：判斷激光源發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值是否近似相等，近似相等即為激光發(fā)射器發(fā)射的激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值的差值是否超過預先設定的第二門限值，所述第二門限值按照以下公式計算得到：

其中，pw1為首次掃描到大于第一門限值的實際分布函數(shù)值，pw2為第二次掃描到的大于第一門限值且與pw1近似相等的實際分布函數(shù)值，pwth為閾值精度，取10％；也即是，激光發(fā)射器按照上述方法不斷發(fā)射激光，直到激光接收器上出現(xiàn)接收的激光的實際分布分布函數(shù)值近似相等的點，且激光發(fā)射器發(fā)射激光時的旋轉角度不同；以及

子步驟405為最大功率點確定步驟：當激光接收器上出現(xiàn)兩個激光在接收屏上的實際分布函數(shù)值近似相等時，激光接收器將向激光發(fā)射端反饋信息，通知記錄激光發(fā)射器a1發(fā)射激光時的旋轉角度信息以及兩個激光的發(fā)射方向信息，如圖5所示，分別為a1k1和a1k2；

再以激光發(fā)射器a1和兩個激光的發(fā)射方向a1k1和a1k2構建第一平面a1k1k2，激光發(fā)射器a1沿著經過激光源a1且與第一平面a1k1k2相垂直的第二平面a1v1o發(fā)射掃描，并確定在該平面內在激光接收器的接收屏上的功率最大的位置點即為目標物所在的位置，此時激光器接收端將向激光器發(fā)射端反饋信息，通知發(fā)射端記錄此時的角度信息θ1、θ2和θ3；

子步驟406為第一距離計算步驟：根據(jù)在第二平面a1v1o內功率最大的位置點的激光的理論分布函數(shù)與該激光在激光接收器處的實際分布函數(shù)值，在r＝0的條件下，計算激光發(fā)射器與目標物之間的距離l1，即得到了激光發(fā)射器與目標物之間的距離，進而實現(xiàn)了對目標物的定位；

根據(jù)如下公式計算所述距離；

bsf(r,l1)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf(r,l1)為最大功率點處的激光的理論分布函數(shù)，bsf1為最大功率點處的激光在所述激光接收器處的實際分布函數(shù)值，l1為所述距離。

步驟305為坐標計算步驟，當計算出激光發(fā)射器與水下目標之間的距離以及激光發(fā)射器發(fā)射激光的旋轉角度時，可以按照如下公式計算水改成下目標的坐標位置：

x＝l1*cos(θ1)

y＝l1*cos(θ2)

z＝l1*cos(θ3)

其中，(x,y,z)為水下目標的坐標位置；θ1、θ2和θ3分別表示當定位到功率最大點的目標位置時陀螺儀測量出的激光發(fā)射器發(fā)射激光時相對于x軸、y軸和z軸的旋轉角度。

至此描述了根據(jù)本發(fā)明實施例的用激光對目標物進行定位的方法。該方法能夠以安全的方式提高對水下目標的定位精度，并且容易實現(xiàn)，成本較低。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內。