[發明專利]目標空間位置和姿態的單個PSD探測方法

在審

• 申請號: 201711239811.7
• 申請日: 2017-11-30
• 公開（公告）號: CN108051005A
• 公開（公告）日: 2018-05-18
• 發明（設計）人: 黃戰華;張亞男;方石;蔡懷宇;張尹馨;康榮雷;左芝勇;王星宇
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01C21/20
• 分類號: G01C21/20;G01C1/00;G01P13/02
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

本發明涉及目標空間位置和姿態探測的技術領域，為實現在探測目標空間位置的同時可以完成姿態角度的測量，具有探測響應速度快、分辨率高、信號處理電路簡單以及對被測環境背景與光學系統要求較低，同時有效地提升探測效率。為此，本發明采用的技術方案是，目標空間位置和姿態的單個PSD探測方法，使被測目標發光指示單元的若干光源按照指定時序和編碼特征發光，利用單個PSD探測得到各個發光光源的具體位置，經過相應的信號處理并結合與光源空間結構化布局對應的算法直接解析出被測目標的空間位置坐標和角度姿態。本發明主要應用于目標空間位置和姿態探測場合。

技術領域

本發明涉及目標空間位置和姿態探測的技術領域，尤其涉及一種使用單個PSD同時完成目標空間位置和姿態探測的方法，可用于空中單元目標的瞄準和對接系統，具體講,涉及目標空間位置和姿態的單個PSD探測方法。

背景技術

目標空間位置和姿態探測在軍事、自動化和民用領域等方面有重要的地位，然而目前國內外對于目標空間位置坐標和姿態角偏轉等參數的獲取主要是通過高速攝像機、光電經緯儀等測量設備，而且大多數是利用多個探測器才能實現被測目標的空間參數測量。CCD探測器通過采集被測目標的圖像信息并進行處理后可以得出其空間位置和姿態參數。由于CCD傳輸的是圖像信息，其測量精度在很大程度上依賴高像素的照片，而高像素要求會影響相機的傳輸幀頻，因此基于CCD的目標空間位置姿態測量在精度和響應速度上是矛盾的。此外，由于CCD是分割型器件，像素大小限制了CCD的分辨率，采用掃描的方式影響了探測器響應速度，而且CCD探測過程對成像系統要求較高，使得后續處理電路設計復雜，也不能很好地滿足夜間和能見度不好等惡劣天氣條件。

位置敏感探測器PSD是二十世紀中后期發展起來的一種基于橫向光電效應的半導體器件，它可以將光源照射在敏感面上的光斑強度和位移量轉換成電流信號，即輸出電極電流信號就代表光源的位置信息。與CCD相比，PSD是一種連續型模擬器件，其克服了陣列型器件分辨率受像元尺寸限制的缺陷，而且輸出方式不需要掃描從而提高了探測速度同時也簡化了測量電路。PSD對被測環境背景與光學系統要求較低，因此可以廣泛地運用于工業檢測和軍事航天等多個領域。

雖然PSD具有探測精度高、響應速度快、實用性強等優點，但是目前國內外對于PSD的應用場合主要還是集中于目標空間位置的探測，缺乏一種利用PSD同時測量目標空間位置和姿態的綜合方法和手段。此外，目前研究人員對于目標空間位置姿態的測量大多數采用了多個探測器和單光源的組合測量系統，存在系統復雜、操作繁瑣、數據處理工作量大的缺點，若使用單個探測器和空間結構化布局的多光源組合作為探測系統，可以在一定程度上提升探測效率。

發明內容

為克服現有CCD探測器在目標空間位置姿態探測領域存在的響應速度受限、分辨率受限、測量電路復雜、對被測環境和成像系統要求高的缺點以及PSD未能同時實現目標空間位置和姿態測量的不足，本發明旨在提出一種利用PSD對目標空間三維位置、探測距離以及俯仰角、偏航角、滾轉角具體姿態角度的測量方法，即在探測目標空間位置的同時可以完成姿態角度的測量，具有探測響應速度快、分辨率高、信號處理電路簡單以及對被測環境背景與光學系統要求較低等顯著優勢。此外，本發明使用單個PSD并結合使用空間結構化布局的多光源發光指示單元，以此作為目標空間位置和姿態信號采集系統，在一定程度上可以有效地提升探測效率。為此，本發明采用的技術方案是，目標空間位置和姿態的單個PSD探測方法，使被測目標發光指示單元的若干光源按照指定時序和編碼特征發光，利用單個PSD探測得到各個發光光源的具體位置，經過相應的信號處理并結合與光源空間結構化布局對應的算法直接解析出被測目標的空間位置坐標和角度姿態。