[发明专利]一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置

权利要求书

1.一种光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：包括激光光源(1)、参考臂、激光距离探测器(4)、带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)、CCD成像模块(7)和数据处理模块，其中：

所述激光光源为红外激光光源(1)，用于提供稳定的测量光源，与参考臂成直角放置；

所述参考臂包括分光镜(2)和反射镜(3)，用于提供参考光波相位信息，与激光光源方向垂直放置，同时保证参考光束与测量光束在激光距离探测器(4)测量表面产生干涉；

所述激光距离探测器(4)表面垂直于参考臂放置，用于解析参考光与测量光相位信息，解算兴趣点距离信息；

所述带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)置于成像模块镜头组光学主点处，用于目标兴趣点的追踪控制；

所述CCD成像模块(7)指向目标方向放置，位于成像镜头组后像面附近，用于获取目标图像信息同时为跟踪转镜提供指向信息；

所述红外激光光源(1)用于发射特定波长的红外激光；红外激光具有一定重复频率，所述参考臂包括分光镜(2)和反射镜(3)，用于提供与测量光相干的参考脉冲；红外激光光源(1)发出的脉冲经分光镜(2)分成两束，形成具有两列具有一定脉冲时延Δτ的脉冲；所述激光距离探测器(4)通过解算激光的相干纹理获取目标兴趣点的距离信息；参考脉冲与测量脉冲在激光距离探测器(4)中产生干涉，得到时延为Δτ的参考信号I_R和测量干涉信号I_M；

所述CCD成像模块(7)用于获取目标高精度的图像信息，同时为跟踪转镜提供精确地指向信息：CCD成像模块(7)对获取图像进行处理，识别目标区域，提取目标评分最高的特征点作为兴趣点，并依据兴趣点的图像坐标向转镜提供指向信息；

所述带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)用将测量激光光束指向CCD成像模块(7)提供的兴趣点，带有角编码器的跟踪转镜控制装置(5)包括光斑坐标解算模块，伺服控制模块，电机驱动模块以及编码器四部分组成；当目标兴趣点发生横向移动时，CCD成像模块(7)探测其回光位置，根据光点的横向位置移动量反馈控制跟踪转镜，使得测量光线入射到目标兴趣点，跟踪转镜的角度值由安装在跟踪头上的两个编码器给出；根据激光距离探测器(4)探测兴趣点的回光来测量图像兴趣点的绝对位置信息，建立球坐标测量系统，可得到兴趣点x，y，z方向上的位移；x，y，z的测量精度由激光测距精度和角编码器的测角精度共同决定，公式如下：

z＝Lcosθ

被测距离L反映了测量臂和参考臂的臂长差，通过解算参考干涉信号IR和测量干涉信号IM之间的时间延迟Δt，可以得到被测距离为：L；

所述数据处理模块用于融合激光距离探测器(4)和CCD成像模块(7)的数据，最终解算出高精度的目标位姿信息；其中包括数据预处理，目标物体的识别，运动模型的建立，位姿信息的解算算法；其中预处理模块用于对单目视觉模块获取的图像进行畸变矫正、去噪、前景提取处理，设定激光测距点的初始指向；目标识别用于在图像初始化之后从图像中提取目标的范围，在其中检索出评分最高的特征点作为待测目标兴趣点，同时提取兴趣点在图像坐标系下的表示，为跟踪转镜提供精确地指向信息；在多帧测量的基础上，建立目标的运动模型，实现有限特征点的追踪，进一步提高运算效率，提高追踪的精度；最后，通过融合距离信息和图像信息，解算出待测目标精确地位姿精度；

最终解算的位姿精度，轴向距离y可用角锥棱镜顶点的被测距离L与转镜的偏转角θ和来表示，

根据公式(4-1)可知，轴向精度δy可表示为：

由于径向移动范围只有20cm，轴向距离有60m，所以转镜的转动范围很小，θ和约为90度，代入上式可得：

由公式可知，轴向精度主要取决于激光距离探测器探测到的中心角锥回光的光谱相位信息所测得的角锥顶点的绝对距离精度，即取决于激光干涉所得测距精度，目前实验室的激光测距模块精度已经在100米范围内，实现了0.1mm的测距精度，即100m处测距精度可达到100μm左右；

径向位置信息x和z可用角锥棱镜顶点的被测距离L与转镜的偏转角θ和来表示，

z＝Lcosθ

当θ和约为90度，径向精度δx，δz可表示为：

其中θ和由高精度CCD成像模块(7)和角编码器联合提供，精度小于1″，可知，横向精度在100m处精度达0.01mm；

同时，融合以上位置信息，采用高精度的位姿解算算法，计算待测目标姿态，EPnP算法下，姿态精度50″。

2.根据权利要求1所述的光学主被动融合的非合作目标位姿测量装置，其特征在于：所述数据处理模块负责目标的距离信息和图像信息的融合解算，可实现目标的二维图像序列特征点和单点激光距离信息的高精度融合并最终解算出非合作目标的位置和姿态。