本公開(kāi)涉及定位技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置及方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)目標(biāo)物浮于水面或位于水下時(shí)，對(duì)其進(jìn)行定位的目的之一是為了與其進(jìn)行激光通信?，F(xiàn)有技術(shù)披露了當(dāng)目標(biāo)物位于水下時(shí)的一種定位裝置及方法，其首先要將水下目標(biāo)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(hào)，從而確定目標(biāo)物的位置。

上述的現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問(wèn)題是：定位的準(zhǔn)確性不高。因?yàn)槎ㄎ坏玫降膶?shí)際上是水面gps衛(wèi)星信號(hào)接收器的位置，而不是水下目標(biāo)的真實(shí)位置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本公開(kāi)的目的在于提供一種用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置及方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的上述技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例提供了一種用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置，目標(biāo)物浮于水面或位于水下，該裝置包括：至少三個(gè)激光組發(fā)射器，其位于水下或浮于水面，至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)均發(fā)射至少兩個(gè)激光，至少兩個(gè)激光的波長(zhǎng)相等且腰半徑不等，其中，激光的傳播途徑全部位于水中；激光組接收器，其位于目標(biāo)物上，用于接收來(lái)自至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)的激光；距離計(jì)算模塊，其與激光組接收器相連接，距離計(jì)算模塊根據(jù)激光組接收器接收到的至少兩個(gè)激光的理論分布函數(shù)與至少兩個(gè)激光在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)到所述目標(biāo)物的距離；以及坐標(biāo)計(jì)算模塊，其根據(jù)距離計(jì)算目標(biāo)物的坐標(biāo)位置。

本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例提供了一種用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的方法，目標(biāo)物浮于水面或位于水下，該方法包括：激光組發(fā)射步驟：發(fā)射至少三組激光組，至少三組激光組中的每一組發(fā)射至少兩個(gè)激光，至少兩個(gè)激光波長(zhǎng)相等且腰半徑不等，其中，激光的傳播途徑全部位于水中；激光組接收步驟：通過(guò)位于目標(biāo)物上的激光組接收器接收所述激光組；距離計(jì)算步驟：根據(jù)接收到的至少兩個(gè)激光的理論分布函數(shù)與至少兩個(gè)激光在所激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)到所述目標(biāo)物的距離；以及坐標(biāo)計(jì)算步驟，根據(jù)所述距離計(jì)算目標(biāo)物的位置坐標(biāo)。

本公開(kāi)提供的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置及方法能夠提高對(duì)浮于水面或位于水下的目標(biāo)物的定位精度，并且容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。

附圖說(shuō)明

通過(guò)閱讀下文優(yōu)選實(shí)施方式的詳細(xì)描述，各種其他的優(yōu)點(diǎn)和益處對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員將變得清楚明了。附圖僅用于示出優(yōu)選實(shí)施方式的目的，而并不認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。而且在整個(gè)附圖中，用相同的參考符號(hào)表示相同的部件。其中在附圖中，參考數(shù)字之后的字母標(biāo)記指示多個(gè)相同的部件，當(dāng)泛指這些部件時(shí)，將省略其最后的字母標(biāo)記。在附圖中：

圖1示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置的一個(gè)實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)圖；

圖2示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置中的距離計(jì)算模塊的一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖3示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置中的距離計(jì)算模塊的另一個(gè)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)框圖；

圖4示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的方法的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖5示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位過(guò)程中的距離計(jì)算步驟的一個(gè)實(shí)施例的流程圖；

圖6示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位過(guò)程中的距離計(jì)算步驟的另一個(gè)實(shí)施例的流程圖。

在附圖中，使用相同或類似的標(biāo)號(hào)來(lái)指代相同或類似的元素。

具體實(shí)施方式

現(xiàn)在將參考附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的示例性實(shí)施方式。應(yīng)當(dāng)理解，附圖中示出和描述的實(shí)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(gè)實(shí)施例提供了一種用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置。

參考圖1，圖1圖1示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的裝置100的一個(gè)實(shí)施例的總體結(jié)構(gòu)圖。如圖1所示，裝置100可以包括：至少三個(gè)激光組發(fā)射器101、102、103、104，激光組接收器105，距離計(jì)算模塊106以及坐標(biāo)計(jì)算模塊107。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)目標(biāo)物位于水下時(shí)，激光組發(fā)射器可以浮于水面上或位于水下；當(dāng)目標(biāo)物浮于水面上時(shí)，激光組發(fā)射器可以位于水下?？傊?，目標(biāo)物與激光組發(fā)射器之間的相對(duì)位置使得激光的傳播路徑全部位于水中。

下面以激光組發(fā)射器浮于水面且目標(biāo)物位于水下的情況為例予以說(shuō)明。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)知曉，對(duì)于上述的其他情況，本公開(kāi)所披露的技術(shù)方案亦適用。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，如圖1所示，激光組發(fā)射器可以位于水面上，激光組發(fā)射器可以有四個(gè)，每個(gè)激光組發(fā)射器可以包含兩個(gè)激光發(fā)射源，這兩個(gè)發(fā)射源可以相互靠近，例如：同一激光組發(fā)射器內(nèi)的兩個(gè)發(fā)射源可以貼在一起。同一激光組發(fā)射器內(nèi)的兩個(gè)發(fā)射源發(fā)射的激光的波長(zhǎng)可以相等但腰半徑不等。

激光組接收器105可以位于水下目標(biāo)上，激光組接收器105可以接收來(lái)自每一個(gè)激光組發(fā)射器的激光。

距離計(jì)算模塊106可以與激光組接收器通過(guò)有線或無(wú)線方式連接，距離計(jì)算模塊106可以根據(jù)同一激光組發(fā)射器發(fā)出的至少兩個(gè)激光中的理論分布函數(shù)與至少兩個(gè)激光在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值來(lái)逐個(gè)計(jì)算出每一激光組發(fā)射器到目標(biāo)物的距離。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，參考圖2，距離計(jì)算模塊106可以進(jìn)一步包括功率測(cè)量模塊201、實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算模塊202、判斷模塊203和第一距離計(jì)算子模塊204。

功率測(cè)量模塊201可以用于測(cè)量至少兩個(gè)激光在激光組接收器的接收屏上的功率。激光功率的測(cè)量功率可以采用任何現(xiàn)有的測(cè)量工具和/或測(cè)量方法。

實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算模塊202可以用于根據(jù)功率和接收屏的面積計(jì)算至少兩個(gè)激光在所述激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，實(shí)際分布函數(shù)值可以是激光組接收器105上接收到的激光的功率與激光組接收器的接收屏的面積的比值。

判斷模塊203可以用于判斷同一激光組發(fā)射器發(fā)射的至少兩個(gè)激光在激光組接收器105處的實(shí)際分布函數(shù)值的差異是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值。

第一距離計(jì)算子模塊204可以用于當(dāng)該差異超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值時(shí)，在r＝0的條件下，根據(jù)如下公式計(jì)算激光組發(fā)射器到目標(biāo)物的距離：

bsf1analy(r,zrec)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf1analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf1為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)在激光組接收器105處的實(shí)際分布函數(shù)值，zrec為激光組發(fā)射器到目標(biāo)物的距離。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，參考圖3，距離計(jì)算模塊106還可以進(jìn)一步包括功率測(cè)量模塊301、實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算模塊302和第二距離計(jì)算子模塊303。其中的功率測(cè)量模塊301和實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算模塊302分別與上述的子模塊201至202類似，這里不再贅述。其中的第二距離計(jì)算子模塊303用于可以根據(jù)如下方程組計(jì)算距離：

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf1analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf1為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)在所述激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值，bsf0analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最小的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf0為至少兩個(gè)激光中腰半徑最小的一個(gè)在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值z(mì)rec為所述距離。

坐標(biāo)計(jì)算模塊107可以根據(jù)距離計(jì)算模塊106計(jì)算得到的距離計(jì)算目標(biāo)物的坐標(biāo)位置。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，當(dāng)激光組發(fā)射器有三個(gè)時(shí)，坐標(biāo)計(jì)算模塊107可以通過(guò)求解如下方程組(1)計(jì)算目標(biāo)物的坐標(biāo)位置：

由于在方程組(1)中沒(méi)有考慮時(shí)間延遲等因素，因此，計(jì)算得到的水下目標(biāo)位置做標(biāo)還不夠準(zhǔn)確。

因此，根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，可以設(shè)置四個(gè)激光組發(fā)射器，相應(yīng)地，坐標(biāo)計(jì)算模塊107可以通過(guò)求解如下方程組(2)計(jì)算水下目標(biāo)的坐標(biāo)位置：

上述的方程組中，(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)分別為激光組發(fā)射器101、102、103、104的坐標(biāo)位置信息，(x,y,z)表示目標(biāo)物的位置坐標(biāo)，zrec1,zrec2,zrec3,zrec4分別表示激光組發(fā)射器101、102、103、104到目標(biāo)物的距離，c為激光在水中的傳播速度，υ0表示接收屏的鐘差，υ1,υ2,υ3,υ4分別表示激光組發(fā)射器101、102、103、104中的激光源的平均鐘差。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，裝置100可以采用硬件與軟件相結(jié)合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。也就是說(shuō)，裝置100中的一些組件可以用硬件方式實(shí)現(xiàn)，一些組件可以用軟件方式實(shí)現(xiàn)。

具體來(lái)說(shuō)，裝置100中位于水面的部分可以包括激光組發(fā)射器101至104和與激光組發(fā)射器相連接的水面控制器，水面控制器可以包括cpu、存儲(chǔ)器和必要的輸入輸出接口。

坐標(biāo)計(jì)算模塊107可以通過(guò)軟件方式實(shí)現(xiàn)，該軟件的代碼可以存放在水面控制器中的存儲(chǔ)器內(nèi)并被水面控制器中的cpu所執(zhí)行以完成坐標(biāo)位置的計(jì)算。

激光組發(fā)射器101至104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(yù)先設(shè)定的波長(zhǎng)和腰半徑發(fā)射相應(yīng)的激光。由于一開(kāi)始向激光組接收器發(fā)射激光時(shí)，激光組發(fā)射器并不知曉激光組接收器的位置，因此，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，激光組發(fā)射器可以在水面控制器的控制下轉(zhuǎn)動(dòng)地發(fā)射激光，并且激光組發(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(dāng)激光組接收器接收到該定位消息以后，可以向水面控制器回復(fù)定位確認(rèn)消息，當(dāng)水面控制器接收到該定位確認(rèn)消息以后，就可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

類似地，裝置100中位于目標(biāo)物上的部分可以包括激光組接收器105和與激光組接收器105相連接的水下控制器。激光組接收器105可以包括激光接收屏，水下控制器可以包括cpu、存儲(chǔ)器和必要的輸入輸出接口。水下控制器與水上控制器之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，距離計(jì)算模塊106可以通過(guò)軟件結(jié)合硬件的方式實(shí)現(xiàn)。例如，距離計(jì)算模塊106中的功率測(cè)量模塊201可以采用硬件方式，即：功率測(cè)量模塊201是用硬件方式實(shí)現(xiàn)的激光功率測(cè)量裝置。相應(yīng)地，功率測(cè)量模塊201可以位于目標(biāo)物上。

而實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算模塊202、判斷模塊203、第一距離計(jì)算子模塊204和第二距離計(jì)算子模塊303則可以采用軟件方式實(shí)現(xiàn)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)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(chǔ)器內(nèi)并被水下控制器中的cpu所執(zhí)行以完成每一個(gè)激光組發(fā)射器到水下目標(biāo)距離的計(jì)算。在此情況下，水下控制器還可以將計(jì)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(biāo)計(jì)算模塊107可以根據(jù)距離值計(jì)算出目標(biāo)物的位置坐標(biāo)。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)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(chǔ)器內(nèi)，而另一些模塊的軟件代碼可以存于水面控制器的存儲(chǔ)器內(nèi)。

在實(shí)際使用本發(fā)明的裝置100時(shí)，可以在水面控制器的控制下，逐個(gè)打開(kāi)激光組發(fā)射器101至104，并逐個(gè)計(jì)算出激光組發(fā)射器101至104到水下目標(biāo)的距離，從而根據(jù)這些距離最終計(jì)算出目標(biāo)物的坐標(biāo)位置。在定位過(guò)程中，如果判斷模塊203的輸出為“否”，則可以通知水面控制器調(diào)整該激光組發(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，直至這些分布函數(shù)值的差異超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值。

至此描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用對(duì)激光目標(biāo)物進(jìn)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(shí)現(xiàn)，成本較低。

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

參考圖4，圖4示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的方法400的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。如圖4所示，方法400可以包括如下步驟401至404。

步驟401為激光組發(fā)射步驟：發(fā)射至少三組激光組，至少三組激光組中的每一組發(fā)射至少兩個(gè)激光，至少兩個(gè)激光波長(zhǎng)相等且腰半徑不等，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(gè)實(shí)施例，一個(gè)激光組內(nèi)可以包含兩個(gè)波長(zhǎng)相等但腰半徑不等的激光，這兩個(gè)激光可以通過(guò)兩個(gè)相互靠近的發(fā)射源發(fā)出，比如：這兩個(gè)發(fā)射源可以相互貼合在一起。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，由于在剛開(kāi)始時(shí)激光組發(fā)射器并不知道水下目標(biāo)的位置，因此，激光組發(fā)射器可以轉(zhuǎn)動(dòng)地發(fā)射激光并在發(fā)射的激光中包含定位消息。

步驟402為激光組接收步驟：通過(guò)位于目標(biāo)物上的激光組接收器接收激光組。

當(dāng)激光組接收器收到含有定位消息的激光時(shí)，可以向激光組發(fā)射器回復(fù)定位確認(rèn)消息。當(dāng)激光組發(fā)射器收到定位確認(rèn)消息后，可以停止轉(zhuǎn)動(dòng)。

步驟403為距離計(jì)算步驟：根據(jù)接收到的至少兩個(gè)激光的理論分布函數(shù)與至少兩個(gè)激光在所激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)到目標(biāo)物的距離。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，參考圖5，圖5示意性地示出了本發(fā)明的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位過(guò)程中的距離計(jì)算步驟403的一個(gè)實(shí)施例的流程圖。如圖5所示，步驟403可以進(jìn)一步包括如下子步驟501至504。

子步驟501為功率測(cè)量步驟，測(cè)量至少兩個(gè)激光在激光組接收器的接收屏上的功率。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以采用任何現(xiàn)有的激光功率測(cè)試裝置和/或方法來(lái)測(cè)量該功率。

子步驟502是實(shí)際分布函數(shù)值計(jì)算步驟：根據(jù)功率和接收屏的面積計(jì)算至少兩個(gè)激光在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值。

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

子步驟503為判斷步驟：判斷至少兩個(gè)激光在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值的差異是否超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，預(yù)先設(shè)定的門限值可以為5db。

當(dāng)該差異超過(guò)了預(yù)先設(shè)定的門限值時(shí)，可以進(jìn)入子步驟504，否則，可以返回步驟401，轉(zhuǎn)動(dòng)激光組發(fā)射器以改變發(fā)射角度并再次發(fā)射激光，直至該差異超過(guò)該門限值。

子步驟504為第一距離計(jì)算子步驟：當(dāng)差異超過(guò)預(yù)先設(shè)定的門限值時(shí)，在r＝0的條件下，根據(jù)如下公式計(jì)算激光組發(fā)射器到水下目標(biāo)的距離：

bsf1analy(r,zrec)-bsf1＝0

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf1analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf1為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值，zrec為激光組發(fā)射器到目標(biāo)物的距離。

由于bsf1analy(r,zrec)和bsf1都是r和距離的函數(shù)，當(dāng)r＝0時(shí)，就可以求解出距離。

根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例，參考圖6，距離計(jì)算步驟403還可以包括子步驟601至603。其中的子步驟601至子步驟602與上述的子步驟501至502類似，這里不再贅述。

子步驟603為第二距離計(jì)算子步驟：根據(jù)如下方程組計(jì)算距離：

其中，r為激光傳輸正方向的偏離值，bsf1analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf1為至少兩個(gè)激光中腰半徑最大的一個(gè)在所述激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值，bsf0analy(r,zrec)為至少兩個(gè)激光中腰半徑最小的一個(gè)的理論分布函數(shù)，bsf0為至少兩個(gè)激光中腰半徑最小的一個(gè)在激光組接收器處的實(shí)際分布函數(shù)值z(mì)rec為距離。

步驟404為坐標(biāo)計(jì)算步驟，當(dāng)計(jì)算出至少三個(gè)激光組發(fā)射器到水下目標(biāo)的距離時(shí)，根據(jù)距離計(jì)算水下目標(biāo)的位置坐標(biāo)。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以根據(jù)上述的步驟401至403，逐個(gè)打開(kāi)至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)以發(fā)射激光，并逐個(gè)計(jì)算出至少三個(gè)激光組發(fā)射器中的每一個(gè)到水下目標(biāo)的距離，從而根據(jù)這些距離最終計(jì)算出水下目標(biāo)的坐標(biāo)位置。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，可以采用上述的方程組(1)或(2)來(lái)計(jì)算出水下目標(biāo)的坐標(biāo)位置。

至此描述了根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用激光對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行定位的方法。該方法能夠以安全的方式提高對(duì)目標(biāo)物的定位精度，并且容易實(shí)現(xiàn)，成本較低。