专利名称：一种基于无衍射光的激光电子标靶的制作方法
技术领域：
本发明属于空间角度测量技术领域，具体涉及一种基于无衍射光的激光电子标靶，用于对诸如盾构机等大型装备系统的定位、导向。
背景技术：
目前针对大型装备系统作业时的姿态测量、导向，主要采用陀螺定向与激光定向技术。陀螺仪利用高速旋转的转子的角动量大小与方向在惯性空间保持不变的机理来实现对空间角度的测量，但其具有时滞较大和方位漂移等缺陷。而基于激光定向技术的德国ZED 与VMT激光导向系统，以不同的测量原理，都可很好实现对空间角度测量，实现对装备的姿态测量、导向，但是光路系统较为复杂。国内、外的专利文献中部分基于激光测量的电子标靶系统中采用激光技术和倾角仪相结合，来实现对空间角度的测量。这种系统存在以下缺点一是因倾角仪测角精度的局限，而导致整个系统对空间角度测量精度的限制；二是倾角仪受环境温度等因素影响产生的漂移较为严重；三是由于空间上的各个角度采用不同的测量途径或方式，理论上各空间角度难以同时测量，当装备姿态变化较快时，测量精度将影响严重；四是因光路系统中的相差、球差、环境光干扰等因素影响激光光斑中心坐标。这些都会导致标靶系统精度及工作稳定性的降低，影响空间角度的精确测量。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于无衍射光的激光电子标靶，具有抗环境光干扰能力强、空间角度测量分辨率高和稳定性好的特点。一种基于无衍射光的激光电子标靶，包括激光光源、立方角锥棱台透镜、分光光路、重力阻尼摆、圆锥透镜、图像传感器和图像信息处理系统，激光光源发出的光入射立方角锥棱台透镜，从立方角锥棱台透镜反射的光束供测距使用，从立方角锥棱台透镜透射出的激光进入分光光路，分光光路将入射的激光束分成水平方向光束和垂直方向光束，水平方向光束穿过圆锥透镜形成无衍射光斑α ；垂直方向光束通过重力阻尼摆稳定后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑O1 ；图像传感器捕获无衍射光斑A和O1并传送给图像信息处理系统， 图像信息处理系统依据无衍射光斑A计算得到标靶的水平航角和俯仰角，依据无衍射光斑 O1计算得到标靶的滚动角。所述分光光路包括分光片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，第二平面反射镜连接重力阻尼摆，所述立方角锥棱台透射出的激光入射分光片，分光片将该激光分成水平方向光束和垂直方向光束，水平方向光束依次经第一平面反射镜反射、分光片反射后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑O1,垂直方向光束依次经第二平面反射镜反射、分光片透射后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑02。所述分光片的平面法向与第二平面镜的平面法向成45度角。所述重力阻尼摆为带电磁阻尼的重力摆。
本发明是在基于无衍射光具有优良光斑中心定心性的基础上，设计出的一种全光学空间角度测量装置。本发买能够依据图像传感器捕获的无衍射图像计算两无衍射光斑中心，进而获得被测目标物绕其滚动轴的滚动角、被测目标物相对于激光光轴的水平夹角与俯仰角。采用无衍射光斑寻找中心的特定算法，光斑中心坐标可达亚像素级。该空间测角装置具有抗环境光干扰能力强，高的分辨率和较高的空间角度测量精度。本发明的优点具体现在1将空间的三个角度的测量都采用了全光学的测量方式，保证了空间三个角度测量的精度。2无衍射光优良的定心特性和强的抗环境光干扰能力，提高了光斑中心的定心精度，确保了较高的空间角度测量精度和系统的稳定性。3将空间各个角度的测量，都通过CXD图像传感器上的计算获得，确保了各角度测量的同时性。4传感器上记录了蕴含三个空间角度的两个无衍射光斑中心信息，两光斑找中心算法可重复利用，可减少软件开发强度。5、整体结构紧凑、简单，易于工程实现。
图1为本发明结构示意图；图2为本发明的光学原理图；图3为立方角锥棱台透镜结构示意图。
具体实施例方式下面结合附图对本发明较佳实施例作进一步的详细说明。如图1所示，实现本实例的所需具体器件透射率为50%的分光片4、2片平面反射镜3与5、带阻尼重力摆6、圆锥透镜2与立方角锥棱台透镜7，立方角锥棱台透镜上下两底面平行，采用CCD图像传感器捕获无衍射光斑。CXD图像传感器1的光敏面与圆锥透镜2的底平面相互平行且中心同轴，并与分光片4成45度角。平面反射镜面5固定在带阻尼的重力摆6上，在阻尼重力摆的作用下，其平面法线不随标靶滚动而变化，始终保持在重力方向不变。平面反射镜面5与立方角锥棱台透镜7的上下两低面平行，且与分光片4成45度角。本发明光学原理如图2所示。激光光源8，经准直后入射到立方角锥棱台透镜7(参见图幻，立方角锥棱台透镜7反射大部分平行激光，用于对标靶距离的测量，透射过角锥棱台透镜7小底面的激光束将进入标靶系统实现对空间角度的测量。透射过立方角锥棱台透镜7小底面的激光束经由分光片4分成两路，透射过分光片4的激光束通过平面反射镜3的反射至分光片4，由分光片4的再次反射，入射至圆锥透镜2，产生无衍射光斑02，由CXD图像传感器1记录，通过对无衍射光斑中心的计算，便可得出入射的激光束相对于立方角锥棱台透镜轴线的水平夹角与相对于水平面得俯仰角。透射过立方角锥棱台透镜7并经由分光镜4反射的那一束平行光，至平面反射镜 5后，当测量装置绕其水平横向的轴线有所滚动时，平面反射镜5在带阻尼的重力摆下瞬间恢复到原来的位置，而CCD图像传感器1光敏面的法线方向将随测量装置做相应的改变，平面镜镜面5反射光线透射过分光片4，圆锥透镜2，产生无衍射光斑O1,由CXD图像传感器1 采集，类似于第一束光束，通过对无衍射光斑中心O1的计算便可得出装置绕其自身轴线滚动的角度。(其中光斑中心的计算方法可参考“基于圆环滤波的无衍射光定中算法”一文)。实施例中采用分光片和两平面反射镜构成分光光路，该结构简单和紧凑，但本发明不限于此，采用现有其它形式的分光光路也可实现本发明。空间角度的测量诸如德国的ZED与VMT导向系统，大多需要在标靶系统中加如倾角仪类似的装置，实现对空间的某一角度测量，再结合光学系统测量的另外两个角度信息来实现对空间各角度的测量。倾角仪相对于光学测量精度底，受环境温度影响大，稳定性较差，采用这种方式往往浪费了光学的测量精度。鉴于光学系统的测角的精度高与无衍射光良好的定心性和强的抗环境光干扰能力，以及无衍射光找中心算法的能达到亚像素的精度。引入重力基准，设计出全光学的空间角度测量装置，该测量系统即能很好保证每一个空间角度的测量精度，又具备强的抗环境光的干扰能力，而且结构简单、紧凑，易于工程化实现。
权利要求
1.一种基于无衍射光的激光电子标靶，包括激光光源、立方角锥棱台透镜、分光光路、 重力阻尼摆、圆锥透镜、图像传感器和图像信息处理系统，激光光源发出的光入射立方角锥棱台透镜，从立方角锥棱台透镜反射的光束供测距使用，从立方角锥棱台透镜透射出的激光进入分光光路，分光光路将入射的激光束分成水平方向光束和垂直方向光束，水平方向光束穿过圆锥透镜形成无衍射光斑化；垂直方向光束通过重力阻尼摆稳定后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑O1 ；图像传感器捕获无衍射光斑A和O1并传送给图像信息处理系统，图像信息处理系统依据无衍射光斑A计算得到标靶的水平航角和俯仰角，依据无衍射光斑O1计算得到标靶的滚动角。
2.根据权利要求1所述的一种基于无衍射光的激光电子标靶，所述分光光路包括分光片、第一平面反射镜和第二平面反射镜，第二平面反射镜连接重力阻尼摆，所述立方角锥棱台透射出的激光入射分光片，分光片将该激光分成水平方向光束和垂直方向光束，水平方向光束依次经第一平面反射镜反射、分光片反射后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑O1，垂直方向光束依次经第二平面反射镜反射、分光片透射后穿过圆锥透镜形成无衍射光斑02。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述分光片的平面法向与第二平面镜的平面法向成45度角。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述重力阻尼摆为带电磁阻尼的重力摆。
全文摘要
本发明公开了一种基于无衍射光的激光电子标靶，从立方角锥棱台透镜的透射出的激光进入分光电路后分成水平方向光束和垂直方向光束，水平方向光束经平面反射镜、分光片反射后入射圆锥透镜形成无衍射光斑O2，图像信息处理系统捕获无衍射光斑O2，通过对无衍射光斑中心坐标的计算，可得到测量对像的水平航角与倾斜角，垂直方向光束通过带阻尼的重力摆上的平面反射镜的反射，投射过分光片入射圆锥透镜形成无衍射光斑O1，图像信息处理系统捕获无衍射光，并根据无衍射光斑O1中心坐标的计算得到测量对像的滚动角。本发明实现了基于无衍射光的全光学空间角度测量，具有空间角度测量精度高，稳定性好，抗环境光干扰能力强，结构紧凑的特点。
文档编号G01C1/00GK102252651SQ20111011529
公开日2011年11月23日 申请日期2011年5月5日 优先权日2011年5月5日
发明者赵斌, 马国鹭 申请人:华中科技大学