信标光辅助跟踪对准方法与装置

技术领域

本发明涉及激光技术及跟瞄控制技术领域，特别涉及一种信标光辅助跟踪对准方法与装置。

背景技术

激光可以用于通信，比如在两个物体之间发射激光进行通信；激光也可以用于烧蚀(毁伤)目标物。为了满足激光通信或烧蚀(毁伤)的要求，激光通信系统中的发射者需要对接收者进行跟踪。但是，目前能实现跟踪的激光通信系统需要对多个部件进行调节才能实现跟踪，对接收者的跟踪有较大偏差，容易丢失接收者。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本发明的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本发明的申请日之前已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本发明的新颖性和创造性。

发明内容

本发明提出一种信标光辅助跟踪对准方法与装置，能准确地对目标物进行持续跟踪。

在第一方面，本发明提供一种信标光辅助跟踪对准方法，使用信标光辅助跟踪对准装置；

所述装置包括偏振信标光光源、主激光光源、偏振部件、四分之一波片、双色镜、角度可调反射部件、第一镜头和探测器；

所述方法包括反馈控制和主激光控制；

所述反馈控制包括：

所述偏振信标光光源发出P偏振信标光，由所述偏振部件和所述四分之一波片将所述P偏振信标光变成圆偏振信标光，并先后经过所述双色镜和所述角度可调反射部件发射出去；

调整所述角度可调反射部件的角度可控制发射出的信标光的出射角度，使得所述角度可调反射部件将从目标物反射回来的所述圆偏振信标光先后通过所述角度可调反射部件和所述双色镜，使得反射回来的所述圆偏振信标光经过所述四分之一波片之后变成S偏振信标光照射至所述偏振部件，所述偏振部件将所述S偏振信标光传播至所述第一镜头，由所述第一镜头接收所述S偏振信标光并送进所述探测器；

所述主激光控制包括：

所述主激光光源发出主激光，经由所述双色镜将所述主激光与所述圆偏振信标光形成同轴传播并传播至所述角度可调反射部件，由所述角度可调反射部件将所述激光反射至所述目标物；

其中，所述主激光控制执行时所述反馈控制仍然持续工作。

在一些优选的实施方式中，调整所述角度可调反射部件的角度使得所述S偏振信标光进入所述探测器的中心或所述探测器的其他特定位置。

在一些优选的实施方式中，还使用姿态调整机构；

所述角度可调反射部件自身进行角度调整使得所述S偏振信标光进入所述探测器；

若所述角度可调反射部件的偏摆角度大于预设值，所述姿态调整机构调整所述装置的至少一部分部件的姿态，在使得所述S偏振信标光进入所述探测器的前提下减小所述角度可调反射部件的偏摆角度。

在一些优选的实施方式中，从所述目标物的反射回来的所述圆偏振信标光为漫反射圆偏振信标光。

在一些优选的实施方式中，还包括调制器；所述调制器对所述主激光光源进行调制。

在第二方面，本发明提供一种信标光辅助跟踪对准装置，包括偏振信标光光源、主激光光源、偏振部件、四分之一波片、双色镜、角度可调反射部件、第一镜头、探测器和控制器；

所述偏振信标光光源能发出偏振信标光；

沿所述偏振信标光光源发出的信标光的前进方向先后设置有所述偏振部件、所述四分之一波片、所述双色镜和所述角度可调反射部件；

所述主激光光源能将发出的激光照射至所述双色镜；

所述双色镜能使所述主激光光源发出的激光与所述偏振信标光光源发出的信标光合束为同轴光束，并使合束后的光束共同照射至所述角度可调反射部件；

所述角度可调反射部件能调整光的出射角度，将光照射至目标物；

所述第一镜头能接收来自所述偏振部件的光并能将所述光聚焦照射至所述探测器；

所述探测器能测量由所述第一镜头聚焦的信标光的照射位置；

所述控制器能与所述偏振信标光光源、所述主激光光源、所述探测器和所述角度可调反射部件进行通信。

在一些优选的实施方式中，所述偏振部件的具体形式包括偏振分束器和偏振片。在一些优选的实施方式中，还包括能对所述主激光光源进行调制的调制器。

在一些优选的实施方式中，还包括能对来自所述角度可调反射部件的光进行扩束或者聚焦的第二镜头。

在一些优选的实施方式中，所述第二镜头为扩束镜头或者为聚焦镜头。

在一些优选的实施方式中，所述双色镜能将所述主激光光源发出的激光反射至所述角度可调反射部件；所述偏振信标光光源发出的偏振信标光能透射所述双色镜到达所述角度可调反射部件。

在一些优选的实施方式中，所述双色镜能将所述偏振信标光光源发出的偏振信标光反射至所述角度可调反射部件；所述主激光光源发出的激光能透射所述双色镜到达所述角度可调反射部件。

在一些优选的实施方式中，所述主激光光源发出的激光的波长大于所述偏振信标光光源发出的偏振信标光的波长。

在一些优选的实施方式中，所述角度可调反射部件的具体形式包括振镜和偏摆镜。

在一些优选的实施方式中，所述振镜的具体形式包括一维扫描振镜和二维扫描振镜。

在一些优选的实施方式中，调整最终输出激光的指向方向的机构除了所述角度可调反射部件外，还包括能对所述装置的至少一部分部件的姿态进行调整的姿态调整机构。

在一些优选的实施方式中，所述姿态调整机构的具体形式包括：基于转台的姿态调整机构，或者基于飞轮的姿态调整机构。

在一些优选的实施方式中，所述探测器的具体形式包括图像传感器和位置传感器。

在一些优选的实施方式中，所述图像传感器的具体形式包括电荷耦合元件图像传感器、互补金属氧化物半导体图像传感器和增强型电荷耦合元件图像传感器。

在一些优选的实施方式中，所述位置传感器的具体形式包括位置敏感器件位置传感器。

在第三方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有程序指令，所述程序指令被计算机的处理器执行时使所述处理器执行上述方法。

与现有技术相比，本发明的实施例的有益效果包括：

偏振信标光光源发出的P偏振信标光经由偏振部件到达四分之一波片，P偏振信标光透过四分之一波片变成圆偏振信标光后先后经过双色镜和角度可调反射部件发射出去；通过对角度可调反射部件和探测器的持续反馈控制，使得来自目标物的圆偏振信标光沿着原路返回进入探测器；然后，主激光光源发出激光，经由双色镜将激光与偏振信标光合束为同轴光束后传播至角度可调反射部件，由角度可调反射部件将激光发射至目标物；主激光发出后，前述反馈控制仍然持续工作；如此，能准确地对目标物进行持续跟踪，便于控制，能与目标物保持联络直至完成任务。

附图说明

图1为本发明一个实施例的信标光辅助跟踪对准装置的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的信标光辅助跟踪对准方法的流程示意图；

图3为本发明一个实施例的信标光辅助跟踪对准装置的一种变型方式的结构示意图；

图4为本发明一个实施例的信标光辅助跟踪对准装置的另一种变型方式的结构示意图；

图5为本发明一个实施例的信标光辅助跟踪对准装置的第三种变型方式的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的实施例所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合图1至图5及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接即可以是用于固定作用也可以是用于电路连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

本实施例提供一种信标光辅助跟踪对准装置与方法。本实施例的方法通过本实施例的装置来实现。其中，本实施例的信标光辅助跟踪对准装置也可称为跟瞄系统。

参考图1，本实施例的信标光辅助跟踪对准装置包括偏振信标光光源1、主激光光源2、偏振部件3、四分之一波片4、双色镜5、角度可调反射部件6、第一镜头7和探测器8。

偏振信标光光源1用于发射偏振信标光。在本实施例中，偏振信标光光源1是用于发射P偏振信标光。

主激光光源2用于发射主激光。其中，主激光可以用于通信，也可以用于毁伤。用于通信的主激光为通信光；用于毁伤的主激光为毁伤光。

偏振部件3能允许一种偏振光透过，而对另一种偏振光进行反射。在本实施例中，偏振部件3为偏振分束器(PBS，Polarization Beam Splitter)；在其他实施例中，偏振部件3为偏振片。

四分之一波片4用于改变光的偏振状态。

双色镜5能对一种光进行反射，对另一种光进行透射。

角度可调反射部件6用于通过对自身的角度进行调整将光反射至指定位置，实现调整光的出射角度。在本实施例中，角度可调反射部件6为振镜；在其他实施例中，角度可调反射部件6为偏摆镜。振镜6也可称为振镜系统。振镜6自身具有角度调整单元，能对光的照射方向进行调整。振镜6为扫描振镜。在本实施例中，振镜6为二维扫描振镜。在其他实施例中，振镜6为一维扫描振镜。

第一镜头7接收来自偏振分束器3的光并将该光聚焦照射至探测器8。

探测器8能测量由第一镜头7聚焦的信标光的照射位置。探测器8可以是图像传感器、位置传感器、或其他可探测光斑位置信息的探测器。其中，图像传感器能基于接收到的光形成图形；图像传感器具体可以是CCD(Charge-coupled Device，电荷耦合元件)图像传感器、增强型CCD或者CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)图像传感器；位置传感器具体可以是PSD(Position Sensitive Detector，位置敏感器件)位置传感器。

参考图1，沿偏振信标光光源1发出的偏振信标光的前进方向100先后设置有偏振分束器3、四分之一波片4、双色镜5和振镜6。其中，参考图1，前进方向100可以是曲折的。在前进方向100上，偏振分束器3设置在偏振信标光光源1之后，四分之一波片4设置在偏振分束器3之后，双色镜5设置在四分之一波片4之后，振镜6设置在双色镜5之后。如此，从偏振信标光光源1发出的信标光先到达偏振分束器3，然后是四分之一波片4，再是双色镜5，由振镜6将光照射至目标物200。当然，在偏振分束器3、四分之一波片4、双色镜5和振镜6任意两者之间还可以设置其他光学元件，比如反射镜或者透镜。

主激光光源2与偏振信标光光源1共用双色镜5和振镜6。主激光光源2能将发出的激光照射至双色镜5，再由振镜6将激光照射至目标物200。

在本实施例中，优选的，双色镜5对主激光光源2发出的激光进行反射，对偏振信标光光源1发出的信标光进行透射。如此，双色镜5能将主激光光源2发出的激光反射至振镜5；偏振信标光光源1发出的信标光透过双色镜5照射在振镜6的表面。在其他实施例中，双色镜5对偏振信标光光源1发出的信标光进行反射，对主激光光源2发出的激光进行透射；如此，双色镜5将偏振信标光光源1发出的信标光反射至振镜5，主激光光源2发出的激光则透射双色镜5到达振镜6。

双色镜5使主激光光源2发出的激光与偏振信标光光源1发出的信标光合束为同轴光束并将合束后的光束共同照射至振镜6。双色镜5是与水平方向成第一指定夹角比如45°夹角而设置的；偏振分束器3的设置与双色镜5适配，使得激光与偏振信标光同轴。

参考图1，偏振信标光光源1发出的P偏振信标光透过偏振分束器3照射至四分之一波片4；P偏振信标光透过四分之一波片4之后变成圆偏振信标光照射在双色镜5的透射面51；圆偏振信标光透过双色镜5照射在振镜6的表面；振镜6将圆偏振信标光照射至目标物200的表面；目标物200对圆偏振信标光进行反射比如漫反射；由于光路是可逆的，漫反射圆偏振信标光(漫反射光)沿着之前的光路返回，先后经过振镜6和双色镜5达到四分之一波片4；漫反射圆偏振信标光透过四分之一波片4后变成S偏振信标光；S偏振信标光照射在偏振分束器3的表面后被反射至第一镜头7；第一镜头7接收来自偏振分束器3的S偏振信标光并将其照射至探测器8，其中，第一镜头7将S偏振信标光聚焦于探测器8；探测器8基于接收到的S偏振信标光测量S偏振信标光的聚焦位置并产生信号，以实现通过信标光对目标物200进行跟踪；在通过信标光跟踪到目标物200之后，偏振信标光光源1依旧工作，主激光光源2发出的激光照射至双色镜5的反射面52；从双色镜5出射的激光与圆偏振信标光是同轴的，作为合束光300照射至振镜6，然后照射至目标物200；其中，激光与圆偏振信标光是照射在目标物200的同一个位置；如此，主激光光源2发出的激光在偏振信标光光源1发出的偏振信标光的指引下与目标物200进行激光通信或者对目标物200进行打击。

根据上述可知，偏振信标光光源1发出的P偏振信标光照射至目标物200的过程中经过偏振分束器3、四分之一波片4、双色镜5和振镜6；从目标物200反射回来的圆偏振信标光同样是经过振镜6、双色镜5、四分之一波片4和偏振分束器3，然后进入到第一镜头7；如此，偏振信标光的发射链路和返回链路是相同的，通过调节振镜6即可对目标物200进行跟踪，便于调节且能提高控制精度。

在其他实施例中，目标物200对圆偏振信标光进行镜面反射。相比之下，本实施例的信标光辅助跟踪对准装置接收目标物200对圆偏振信标光通过漫反射返回的漫反射圆偏振信标光能适用于更多的场景。

下面结合本实施例的方法和装置对本实施例进行说明。

本实施例的信标光辅助跟踪对准方法使用本实施例的信标光辅助跟踪对准装置。参考图1，本实施例的信标光辅助跟踪对准装置还包括能与偏振信标光光源1、主激光光源2、探测器8和振镜6进行通信的控制器9。参考图2，本实施例的方法包括反馈控制A10和主激光控制A20。

反馈控制A10包括步骤A11和步骤A12。

步骤A11、偏振信标光光源1发出P偏振信标光，由偏振分束器3和四分之一波片4将P偏振信标光变成圆偏振信标光，并先后经过双色镜5和振镜6发射出去。

具体可以是由控制器9控制偏振信标光光源1发出P偏振信标光。参考图1，其中，偏振信标光光源1发出的P偏振信标光透过偏振分束器3到达四分之一波片4；P偏振信标光透过四分之一波片4后变成圆偏振信标光；圆偏振信标光透过双色镜5到达振镜6的表面，由振镜6发射出去，照射目标物200。

步骤A12、调整振镜6的角度使得振镜6将从目标物200反射回来的圆偏振信标光先后照射至振镜6和双色镜5，使得反射回来的圆偏振信标光经过四分之一波片4之后变成S偏振信标光照射至偏振分束器3，偏振分束器3将S偏振信标光传播至第一镜头7，由第一镜头7接收S偏振信标光并送进探测器8。

在步骤A11中，从振镜6发射出去的圆偏振信标光如果没有照射在目标物200上，那么就需要对圆偏振信标光的方向进行调整，具体是对振镜6的姿态进行调整使得圆偏振信标光照射至目标物200。

振镜6具有能实现自身角度调整的机构。振镜6比如二维振镜能在一定幅度范围内实现自身角度的调整。由控制器9控制振镜6进行自身角度调整，使得从振镜6发射出去的圆偏振信标光照射在目标物200上，且从目标物200反射回来的圆偏振信标光先后照射至振镜6和双色镜5，具体是先后经过振镜6的反射和双色镜5的透射，而后圆偏振信标光透过四分之一波片4变成S偏振信标光照射至偏振分束器3的表面，偏振分束器3反射的S偏振信标光由第一镜头7接收并进入探测器8，由探测器8测量由第一镜头7聚焦的信标光的照射位置。其中，P偏振信标光(可称为第一偏振信标光)和S偏振信标光(可称为第二偏振信标光)是两种偏振状态不同的光。

在其他实施例中，偏振分束器3是对S偏振信标光进行透射，对P偏振信标光进行反射；那么S偏振信标光透射偏振分束器3后由第一镜头7接收，偏振信标光光源1发出的P偏振信标光由偏振分束器3反射至四分之一波片4。

在步骤A12中，可以调整振镜6的角度使得S偏振信标光进入探测器8的中心，以适应目标物200的移动。当然，也可以调整振镜6的角度使得S偏振信标光进入探测器8的其他特定位置。

参考图1，本实施例的信标光辅助跟踪对准装置还包括姿态调整机构10。姿态调整机构10用于对信标光辅助跟踪对准装置的至少一部分部件的姿态进行调整；比如对振镜6的姿态进行调整或者对整个信标光辅助跟踪对准装置的姿态进行调整。

振镜6的自身角度调整是细姿态调整，能实现对目标物200的细跟踪。

在本实施例中，整个信标光辅助跟踪对准装置安装在姿态调整机构10上。由控制器9控制姿态调整机构10对整个信标光辅助跟踪对准装置的姿态进行调整。姿态调整机构10对整个信标光辅助跟踪对准装置进行的是粗姿态调整，实现对目标物200的粗跟踪。

姿态调整机构10调整整个信标光辅助跟踪对准装置的姿态，使得整个信标光辅助跟踪对准装置的空间位置发生变化，比如在X、Y和Z方向上的位置发生变化。姿态调整机构10可以是三维调整机构，也可以是二维调整机构。具体而言，姿态调整机构10可以是基于转台的姿态调整机构，也可以是基于飞轮的姿态调整机构。其中，基于转台的姿态调整机构的底座是固定的，比如安装在舰船上；基于飞轮的姿态调整机构的底座是活动的，比如安装在飞机上，依靠动量守恒实现姿态调整。

当然，参考图3，还可以设置上位机13。控制器9实时对上位机13传送振镜6的偏摆角度信息，供上位机13用来调整姿态调整机构10。

步骤A11和步骤A12是一个持续反馈控制的过程。在持续反馈控制的过程中，控制器9与振镜6进行通信，获取振镜6的偏摆角度信息，对振镜6的偏摆角度时刻做出判断。当振镜6的偏摆角度大于预设值时，振镜6实施细跟踪会受到限制，此时控制器9控制姿态调整机构10来调整整个信标光辅助跟踪对准装置的姿态，在使得S偏振信标光进入探测器8的前提下，减小振镜6的偏摆角度；也即调整粗调整机构(姿态调整机构10)，缩小精调整机构(振镜6)的调整幅度。

当然，还可以在保证第一镜头7对目标物200的成像光斑保持在探测器8中心的前提下，减小振镜6的偏摆角度。具体而言，探测器8基于探测到的来自目标物200的漫反射圆偏振信标光产生信号并将该信号发送给控制器9；控制器9基于从探测器8接收到的信号获取光斑在探测器8上的位置；如果漫反射圆偏振信标光的光斑不在探测器8的中心，则控制振镜6进行自身角度调整将光斑调整至位于探测器8的中心。如此，能有效对目标物200进行持续跟踪，能与目标物200保持联络直至完成任务。

主激光控制A20包括：主激光光源2发出激光，经由双色镜5将激光与圆偏振信标光进行同轴后传播至振镜6，由振镜6将激光照射至目标物200。

此时，主激光与信标光同轴，照射在目标物200的同一个位置或者区域。

主激光光源2发出的激光是照射在双色镜5的反射面52上。

其中，主激光控制A20执行时反馈控制A10仍然持续工作，以实现与目标物200进行通信或者实现对目标物200进行打击，也就是说主激光光源2发出的激光可以是通信光，也可以是毁伤光。

主激光光源2发出的激光波长与偏振信标光光源1发出的信标光的波长不相同。假设信标光的波长为λ1，主激光的波长为λ2，那么λ1≠λ2。优选的λ1<λ2，也就是主激光光源1发出的激光波长λ2大于偏振信标光光源2发出的信标光的波长λ1，这样便于实施。

参考图4，如果将本实施例的信标光辅助跟踪对准装置用于通信，而来自振镜6的准直光的口径比较小，则还需在振镜6和目标物200之间设置能对来自振镜6的光进行扩束的第二镜头11；在这种情况下，第二镜头11为扩束镜头。如果来自振镜6的准直光的口径比较大，则可不用设置第二镜头11。

参考图4，对于通信的场景,还可以设置能对主激光光源2进行调制的调制器12。由控制器9控制调制器12对主激光光源2进行调制，从而实现激光通信。

参考图5，如果将本实施例的信标光辅助跟踪对准装置用于毁伤，在可在振镜6和目标物200之间设置能对来自振镜6的光进行聚焦的第二镜头11；在这种情况下，第二镜头11为聚焦镜头。

根据上述可知，偏振信标光光源1发出的P偏振信标光透过偏振分束器3到达四分之一波片4，P偏振信标光透过四分之一波片4变成圆偏振信标光后先后经过双色镜5和振镜6发射出去，照射目标物200；调整振镜6的角度使得振镜6将从目标物200反射回来的圆偏振信标光先后经过振镜6反射和双色镜5透射，再经过四分之一波片4变成S偏振信标光，照射至偏振分束器3；偏振分束器3将S偏振信标光反射至第一镜头7，S偏振信标光经过第一镜头7照射至探测器8；第一镜头7将S偏振信标光聚焦于探测器8；探测器8测量S偏振信标光的聚焦位置，通过调整姿态调整机构9和振镜6，使得探测器上聚焦的S偏振信标光稳定于某个位置，并持续反馈，保持其位置稳定；这样，通过对振镜6和探测器8的持续反馈控制，使得来自目标物200的漫反射圆偏振信标光沿着原路返回进入探测器8；然后，主激光光源2发出激光，经由双色镜5将激光与偏振信标光合束为同轴光束后传播至振镜6，由振镜6将合束后的光束共同照射至目标物200；主激光发出后，前述反馈控制仍然持续工作；如此，能准确地对目标物200进行持续跟踪，便于控制，能与目标物200保持联络直至完成任务。

上述实施例主要通过空间光路实现持续跟踪，能简化控制，能适用于各种场景，便于实施且成本低。

本发明的方法的各个步骤的顺序是灵活的，各个步骤的顺序变化而形成的技术方案均包含在本发明的保护范围之内。

本领域的技术人员可以理解实施例方法中的全部或部分流程可以由计算机程序来命令相关的硬件完成，程序可存储于计算机可读取存储介质中，程序在执行时，可包括如各方法实施例的流程。而前述的存储介质包括：ROM或随机存储记忆体RAM、磁碟或者光盘等各种可存储程序代码的介质。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。