CN110007310A - 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法 - Google Patents

一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110007310A
CN110007310A CN201910187827.0A CN201910187827A CN110007310A CN 110007310 A CN110007310 A CN 110007310A CN 201910187827 A CN201910187827 A CN 201910187827A CN 110007310 A CN110007310 A CN 110007310A
Authority
CN
China
Prior art keywords
measurement
light
receiving system
photoelectric receiving
spectroscope
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910187827.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110007310B (zh
Inventor
张庆君
蔡娅雯
刘杰
刘久利
尹建凤
王涛
梁建
吴冠豪
周思宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Original Assignee
Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing Institute of Spacecraft System Engineering filed Critical Beijing Institute of Spacecraft System Engineering
Priority to CN201910187827.0A priority Critical patent/CN110007310B/zh
Publication of CN110007310A publication Critical patent/CN110007310A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110007310B publication Critical patent/CN110007310B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/66—Tracking systems using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Measurement Of Optical Distance (AREA)

Abstract

一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，***包括第一飞秒光梳GS1、第二飞秒光梳GS2、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、跟踪转镜ZJ、CCD、参考臂靶标KJZ、测量臂靶标LJZ、第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；本发明在有一定机动范围的长基线***中，引入双光梳测距原理与光斑跟踪链路，实现了基线距离、角度六自由度的高精度同步测量。

Description

一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法
技术领域
本发明涉及一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法，适用于卫星应用中有一定机动范围的天线超长基线六自由度(三个距离向维度和三个角度向维度)绝对测量，包括单星基线测量和星间基线测量。
背景技术
干涉合成孔径雷达(InSAR)中，基线的测量精度是影响卫星高程测量精度最为关键的因素之一。目前在研的InSAR***都具备超长的基线，单星天线间的基线长度从几米到几百米，双星编队天线间的基线长度从几百米到几公里之间。在这种长基线的情况下，天线支撑臂往往具有一定的机动范围。
为实现大动态范围的基线测量，目前国际上精度最高的测量方法是采用基于双频干涉的激光跟踪仪***进行测量。目前基于双频激光干涉仪的测量主要是增量测量即相对量的测量，但在星载基线测量***时，很多时候是需要对绝对量进行测量的。近几年出现的激光跟踪仪也具备了绝对距离测量的功能，但主要采用IFM(激光干涉技术)和ADM(绝对测距仪)相结合的办法来实现绝对距离测量，通过IMF测出移动的相对距离再加上ADM测出的基准距离，才可以得到跟踪头中心到空间点的绝对距离，过程较为复杂，测量精度和测量速度也有待提高。
飞秒光学频率梳的出现解决了传统激光干涉仪无法进行绝对距离测量的瓶颈，而多合作目标点的靶标设置则可以解决基线***的六自由度同步测量难题。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法，在有一定机动范围的长基线***中，引入双光梳测距原理与光斑跟踪链路，设置了5个合作目标点的靶标***，实现了基线距离、角度六自由度的高精度同步测量，解决新一代遥感卫星中对于大量程、高精度绝对基线测量的关键需求。
本发明的技术方案是：一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，包括第一飞秒光梳GS1、第二飞秒光梳GS2、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、跟踪转镜ZJ、CCD、参考臂靶标KJZ、测量臂靶标LJZ、第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一飞秒光梳GS1通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第一分光镜BS1后分为两个方向，反射光经过参考臂靶标KJZ反射回第一分光镜BS1形成参考反射光；透射光经第二分光镜BS2透射至跟踪转镜ZJ，再折转至测量臂靶标LJZ，经测量臂靶标LJZ反射回第二分光镜BS2后分为两个方向，反射光送至CCD进行成像，透射光返回至第一分光镜BS1，与参考反射光合束后形成测量光脉冲送至第三分光镜BS3；CCD内部计算得到测量目标的横向位移及俯仰角，同时计算得到跟踪转镜的跟踪转角，控制伺服机构调整跟踪转镜ZJ转动并跟踪测量目标；第二飞秒光梳GS2通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第三分光镜BS3形成本振光脉冲；在第三分光镜BS3上测量光脉冲与本振光脉冲合光后，分别进入第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一光电接收***计算得到测量目标的轴向位移，第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***计算得到偏航角和滚转角。
所述第一光电接收***包括沿光路方向依次放置的第一凸透镜L1和第一光电探测器PD1；
所述第二光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M2、第二凸透镜L2、第二光电探测器PD2；
第三光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M3、第三凸透镜L3和第三光电探测器PD3；
第四光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M4、第四凸透镜L4和第一光电探测器PD4；
第五光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M5、第五凸透镜L5和第一光电探测器PD5。
所述测量臂靶标LJZ包括五个角锥LJZ1～5，所述角锥LJZ1位于中心位置，角锥LJZ2～5环绕角锥LJZ1在四个象限两两对称排列。
所述角锥LJZ2～5的放置位置满足：d＝d0+2*L*tanθ，其中，d为测量臂靶标LJZ构成四边形的边长，d0为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时的初始间距，θ为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时周围四路光线相对中心光线的倾角，L为测量臂靶标LJZ相对跟踪转镜ZJ的初始距离。
所述参考臂靶标KJZ包括五个角锥KJZ1～5，所述角锥KJZ1位于中心位置，KJZ2～5环绕角锥KJZ1在四个象限两两对称排列。
所述角锥KJZ2～5的放置位置满足d'＝d0'+2*l*tanθ，其中，d'为参考臂靶标KJZ构成四边形的边长，d0'为五路光线从第一分光镜BS1反射时的初始间距，θ为五路光线中周围四路光线相对中心光线的倾角，l为参考臂靶标KJZ相对第一分光镜BS1的距离。
一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，步骤如下：
(1)根据CCD得到的测量臂中心角锥的位移，计算得到跟踪转镜的跟踪转角，从而反馈控制跟踪转镜ZJ跟踪测量目标，使得测量光路能够打到测量臂角锥***上；
(2)光束进入第一分光镜后，与参考反射光合光，再在第三分光镜与第二飞秒光梳的本振光脉冲合光，进入5路光电探测***，投影在5路光电探测器上；
(3)根据第一光电探测器得到的干涉信息与跟踪角锥的跟踪转角，计算得到测量目标的Y向位移；
(4)根据第二～第五光电探测器得到的干涉信息，计算得到测量目标的偏航角、滚转角；
(5)根据CCD得到的测量反射光，计算得到测量目标的俯仰角以及X、Z向的位移。
所述计算得到跟踪转镜的跟踪转角的具体方法为：
CCD记录测量反射光的中心光脉冲，提取出其质心位置(x1’,z1’)；根据质心位置的偏移量，得到跟踪转镜的二维跟踪角度
A为由CCD记录的质心位移量到跟踪转镜转角的转移矩阵，由地面标定得到；(x1,z1)为中心脉冲在CCD上的标称投影。
所述计算得到测量目标的偏航角、滚转角的具体方法为：
根据光电探测器PD2～5计算得到的距离信息L2～L5，计算得到合作目标的滚转角αx和偏航角αz：
L6＝L2-L5+L3-L4αx＝A1·L6+B1
L7＝L2-L3+L5-L4αz＝A2·L7+B2；
其中，为已知合作目标的三维距离向位移(Δx,Δy,Δz)以及俯仰角αy后，进行直线拟合的参数。
所述计算得到测量目标的俯仰角以及X、Z向的位移的具体方法为：
根据CCD记录的测量反射光的周围四个光斑位置(xi’,zi’)，计算得到X、Z向的位移(Δx,Δz)：
其中，β为CCD的镜头放大倍率，Δxi＝xi'-xi，Δzi＝zi'-zi；
测量臂中心角锥绕Y轴的俯仰角αy：
其中，Δθ1表示光斑1和光斑2的连线转角，Δθ2表示光斑2和光斑3的连线转角，Δθ3表示光斑3和光斑4的连线转角，Δθ4表示光斑4和光斑1的连线转角，Δθ5表示光斑1和光斑3的连线转角，Δθ6表示光斑2和光斑4的连线转角。
本发明与现有技术相比的优点在于：
基于双光梳测距的六自由度高精度基线测量***及方法，在有一定机动范围的长基线***中，引入双光梳测距原理与光斑跟踪链路，实现了基线距离、角度六自由度的高精度同步测量。
(1)本发明提出的一种基于双光梳测距的六自由度高精度基线测量方法，在有一定机动范围的长基线***中，采用多合作目标点的靶标设置，实现高同步性的多参数采集，从测量信号的多个维度信息中将六自由度参数解耦，实现了大范围、高精度的六自由度信息同步采集。
(2)本发明设计了光斑跟踪链路，根据CCD得到的光斑位置，驱动跟踪转镜进行实时跟踪，有效解决了长基线***中测量目标的不稳定问题，提高了合作目标的监测范围。
附图说明
图1为本发明基于双光梳测距的基线测量***光路示意图；
图2为本发明基线测量***中跟踪***的二维转角示意图；
图3为本发明基线测量***中俯仰角测量示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。
如图1所示，本发明一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，包括第一飞秒光梳GS1、第二飞秒光梳GS2、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、跟踪转镜ZJ、CCD、参考臂靶标KJZ、测量臂靶标LJZ、第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一飞秒光梳GS1通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第一分光镜BS1后分为两个方向，反射光经过参考臂靶标KJZ反射回第一分光镜BS1形成参考反射光；透射光经第二分光镜BS2透射至跟踪转镜ZJ，再折转至测量臂靶标LJZ，经测量臂靶标LJZ反射回第二分光镜BS2后分为两个方向，反射光送至CCD进行成像，透射光返回至第一分光镜BS1，与参考反射光合束后形成测量光脉冲送至第三分光镜BS3；CCD内部计算得到测量目标的横向位移及俯仰角，同时计算得到跟踪转镜的跟踪转角，控制伺服机构调整跟踪转镜ZJ转动并跟踪测量目标；第二飞秒光梳GS2通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第三分光镜BS3形成本振光脉冲；在第三分光镜BS3上测量光脉冲与本振光脉冲合光后，分别进入第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一光电接收***计算得到测量目标的轴向位移，第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***计算得到偏航角和滚转角。
所述第一光电接收***包括沿光路方向依次放置的第一凸透镜L1和第一光电探测器PD1；
所述第二光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M2、第二凸透镜L2、第二光电探测器PD2；
第三光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M3、第三凸透镜L3和第三光电探测器PD3；
第四光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M4、第四凸透镜L4和第一光电探测器PD4；
第五光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M5、第五凸透镜L5和第一光电探测器PD5。
所述测量臂靶标LJZ包括五个角锥LJZ1～5，所述角锥LJZ1位于中心位置，角锥LJZ2～5环绕角锥LJZ1在四个象限两两对称排列。
所述角锥LJZ2～5的放置位置满足：d＝d0+2*L*tanθ，其中，d为测量臂靶标LJZ构成四边形的边长，d0为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时的初始间距，θ为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时周围四路光线相对中心光线的倾角，L为测量臂靶标LJZ相对跟踪转镜ZJ的初始距离。
所述参考臂靶标KJZ包括五个角锥KJZ1～5，所述角锥KJZ1位于中心位置，KJZ2～5环绕角锥KJZ1在四个象限两两对称排列。
所述角锥KJZ2～5的放置位置满足d'＝d0'+2*l*tanθ，其中，d'为参考臂靶标KJZ构成四边形的边长，d0'为五路光线从第一分光镜BS1反射时的初始间距，θ为五路光线中周围四路光线相对中心光线的倾角，l为参考臂靶标KJZ相对第一分光镜BS1的距离。
为了更清楚的体现出本发明的技术指标优势，本发明以美国SRTM为例，进行指标对比。
所述SRTM的基线长度为60m，所述基线测量***除了测量臂角锥***，均位于飞机本体，测量臂角锥***位于天线端。SRTM***的测量精度结果为：Y向距离测量精度0.6mm；X、Z向距离测量精度0.8mm；滚转角和偏航角测量精度39″；俯仰角测量精度59″。为体现所述基线测量***可适用于有一定机动范围的天线***，以下实施过程设定天线末端即所述测量臂角锥***的三维距离机动范围为60m±10cm，三维角度机动范围为±0.3°。
基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法可分为四个部分，说明如下：
(1)在地面测试过程中，通过多次测量，记录测量反射光的五路光脉冲在CCD上的标称投影中心(xi,zi)；如图3所示。
(2)在轨测量过程中，CCD记录测量反射光的中心光脉冲，提取出其质心位置(x1’,z1’)。根据质心位置的偏移量，可以得到跟踪转镜的二维跟踪角度从而使得测量光脉冲指向测量臂角锥***，定义见附图2：
A为由CCD记录的质心位移量到跟踪转镜转角转移矩阵，由地面标定得到。
横向位移(Δx,Δz)：
(3)根据CCD记录的测量反射光的周围四个光斑位置(xi’,zi’)，可以计算得到X、Z向的位移(Δx,Δz)，由于俯仰角产生的周围四个角锥X、Z向位移是彼此互补的，因此四个角锥的X、Z向位移相加可以补偿俯仰角的影响：
其中，β为CCD的镜头放大倍率，Δxi＝xi'-xi，Δzi＝zi'-zi。
径向位移精度可表示为：
根据光斑质心定位算法，精度可以达到0.2个像元，当像元尺寸为5.5μm，单光斑定位精度能够达到1.1μm，而镜头放大倍率为100时，可以达到0.08mm的测量精度，高于SRTM的X、Z向测量精度(0.8mm)。
俯仰角αy：
(4)根据CCD记录的测量反射光的周围四个光斑位置，可以计算得到俯仰角。测量臂角锥***中的五个角锥在CCD中成像为五个光斑，其中围绕中心光斑的四个光斑质心的连线共有6条，具体见附图，其中(xi,zi)光斑表示未发生俯仰旋转时的光斑位置，(xi’,zi’)光斑表示发生俯仰旋转后的光斑位置，(xi,zi)为光斑i质心坐标。当测量臂角锥***绕Y轴旋转角度αy时，利用高精度光斑中心定位技术，提取光斑的质心位置，通过光斑质心位置分别计算六对光斑旋转角Δθi，通过取平均值即可得到测量臂中心角锥绕Y轴的俯仰角αy：
其中，Δθ1表示光斑1和光斑2的连线转角，Δθ2表示光斑2和光斑3的连线转角，Δθ3表示光斑3和光斑4的连线转角，Δθ4表示光斑4和光斑1的连线转角，Δθ5表示光斑1和光斑3的连线转角，Δθ6表示光斑2和光斑4的连线转角。因此有：
Δθ1＝Δθ2＝Δθ3＝Δθ4＝Δθ5＝Δθ6＝αy
对于Δθ1有：
由于Δθ1在(-1°,+1°)范围内，满足Δx12＝dsinΔθ1 Δz12＝dcosΔθ1，则：
因相机的定位精度为0.08mm，测量臂上角锥间距为d为300mm，则δΔθ1小于377μrad。
同理可得Δθ2～Δθ4的测量精度均优于135μrad。
对于Δθ5有：
由于Δθ5在(-1°,+1°)内，满足则：
由此可得，δΔθ5小于267μrad。同理可得Δθ6的测量精度优于267μrad。
综上可得，俯仰角的测量精度优于141μrad(30角秒)，因此优于SRTM的测量结果(59角秒)。
轴向位移Δy：
(5)PD1接收到的光脉冲信息是信号光脉冲和本振光脉冲的合光。其中信号光脉冲经过迈克尔逊干涉仪，由测量光脉冲和参考光脉冲形成干涉，以时间间隔Δτ出现脉冲峰值，测量光路和参考光路的路程差即测量目标的Y向位移与Δτ成正比，即ΔY＝cΔτ。然而Δτ非常小，PD1无法响应光脉冲在时域上的实际位置，为了准确确定脉冲的时间间隔，***中采用了本振光脉冲对信号光脉冲进行了时域采样。设信号光脉冲的重频间隔为frep1，则本振光脉冲的重频间隔为frep2＝frep1+Δfrep，二者有一个非常小的重频差。以信号光脉冲作为参考，则本振光脉冲在时域内以步长为1/frep1-1/frep2扫描信号光脉冲，形成时域光学扫描，得到时延为Δt＝frep1/ΔfrepΔτ的干涉信号。***中令重频为50MHz，重频差5kHz时，信号光的脉冲展宽1万倍，也即光程差放大1万倍，这样光电探测器能够更准确的探测到光脉冲的时域位置，从而提高测距精度。最终Y向位移为ΔY＝cΔtΔfrep/2frep1。目前，双光梳测距可以达到μm级、甚至nm级的测距精度，并且测量范围可以扩展到30km。
根据PD1接受到光干涉信号，可以得到测量臂中心角锥的距离为L1，结合跟踪转镜的二维跟踪角度可得到合作目标的Y向位移Δy：
由于天线末端在轨振动幅度很小，跟踪转镜的二维跟踪角度所以假定双光梳测距精度为20μm，轴向距离的测量精度为：
因此，所述基线测量***的Y向距离测量精度为微米级，远高于SRTM的Y向测量精度(0.6mm)。
偏航角αx与滚转角αx
(6)PD2～5接收到的光脉冲信息同样是信号光脉冲和本振光脉冲的合光，根据PD2～5计算得到的距离信息L2～L5可以得到合作目标的滚转角αx和偏航角αz：
L6＝L2-L5+L3-L4 αx＝A1·L6+B1
L7＝L2-L3+L5-L4 αz＝A2·L7+B2
其中，为已知合作目标的三维距离向位移(Δx,Δy,Δz)以及俯仰角αy后，进行直线拟合的参数。
可知偏航角的误差公式为：
通过数值仿真可得：
将10-5量级的偏导数忽略，则有：
当径向测量精度为80μm，俯仰角测量精度为150μrad，跟踪角锥的跟踪精度为50μrad，则偏航角可以达到优于50μrad(10角秒)的测角精度，滚转角的测量精度同理可得相同的测量精度。因此，所述基线测量***的偏航角和滚转角的测量精度高于SRTM***(39″)。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。
本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (10)

1.一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：包括第一飞秒光梳GS1、第二飞秒光梳GS2、第一分光镜BS1、第二分光镜BS2、第三分光镜BS3、跟踪转镜ZJ、CCD、参考臂靶标KJZ、测量臂靶标LJZ、第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一飞秒光梳GS1通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第一分光镜BS1后分为两个方向，反射光经过参考臂靶标KJZ反射回第一分光镜BS1形成参考反射光；透射光经第二分光镜BS2透射至跟踪转镜ZJ，再折转至测量臂靶标LJZ，经测量臂靶标LJZ反射回第二分光镜BS2后分为两个方向，反射光送至CCD进行成像，透射光返回至第一分光镜BS1，与参考反射光合束后形成测量光脉冲送至第三分光镜BS3；CCD内部计算得到测量目标的横向位移及俯仰角，同时计算得到跟踪转镜的跟踪转角，控制伺服机构调整跟踪转镜ZJ转动并跟踪测量目标；第二飞秒光梳GS2通过内部的分束器分成五路，再经过准直器发出五路准直光束至第三分光镜BS3形成本振光脉冲；在第三分光镜BS3上测量光脉冲与本振光脉冲合光后，分别进入第一光电接收***、第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***；第一光电接收***计算得到测量目标的轴向位移，第二光电接收***、第三光电接收***、第四光电接收***、第五光电接收***计算得到偏航角和滚转角。
2.根据权利要求1所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：所述第一光电接收***包括沿光路方向依次放置的第一凸透镜L1和第一光电探测器PD1；
所述第二光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M2、第二凸透镜L2、第二光电探测器PD2；
第三光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M3、第三凸透镜L3和第三光电探测器PD3；
第四光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M4、第四凸透镜L4和第一光电探测器PD4；
第五光电接收***包括沿光路方向依次放置的平面镜M5、第五凸透镜L5和第一光电探测器PD5。
3.根据权利要求1所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：所述测量臂靶标LJZ包括五个角锥LJZ1～5，所述角锥LJZ1位于中心位置，角锥LJZ2～5环绕角锥LJZ1在四个象限两两对称排列。
4.根据权利要求3所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：所述角锥LJZ2～5的放置位置满足：d＝d0+2*L*tanθ，其中，d为测量臂靶标LJZ构成四边形的边长，d0为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时的初始间距，θ为五路光线从跟踪转镜ZJ出射时周围四路光线相对中心光线的倾角，L为测量臂靶标LJZ相对跟踪转镜ZJ的初始距离。
5.根据权利要求1所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：所述参考臂靶标KJZ包括五个角锥KJZ1～5，所述角锥KJZ1位于中心位置，KJZ2～5环绕角锥KJZ1在四个象限两两对称排列。
6.根据权利要求1所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量***，其特征在于：所述角锥KJZ2～5的放置位置满足d'＝d0'+2*l*tanθ，其中，d'为参考臂靶标KJZ构成四边形的边长，d0'为五路光线从第一分光镜BS1反射时的初始间距，θ为五路光线中周围四路光线相对中心光线的倾角，l为参考臂靶标KJZ相对第一分光镜BS1的距离。
7.一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，其特征在于步骤如下：
(1)根据CCD得到的测量臂中心角锥的位移，计算得到跟踪转镜的跟踪转角，从而反馈控制跟踪转镜ZJ跟踪测量目标，使得测量光路能够打到测量臂角锥***上；
(2)光束进入第一分光镜后，与参考反射光合光，再在第三分光镜与第二飞秒光梳的本振光脉冲合光，进入5路光电探测***，投影在5路光电探测器上；
(3)根据第一光电探测器得到的干涉信息与跟踪角锥的跟踪转角，计算得到测量目标的Y向位移；
(4)根据第二～第五光电探测器得到的干涉信息，计算得到测量目标的偏航角、滚转角；
(5)根据CCD得到的测量反射光，计算得到测量目标的俯仰角以及X、Z向的位移。
8.根据权利要求7所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，其特征在于：所述计算得到跟踪转镜的跟踪转角的具体方法为：
CCD记录测量反射光的中心光脉冲，提取出其质心位置(x1’,z1’)；根据质心位置的偏移量，得到跟踪转镜的二维跟踪角度
A为由CCD记录的质心位移量到跟踪转镜转角的转移矩阵，由地面标定得到；(x1,z1)为中心脉冲在CCD上的标称投影。
9.根据权利要求7所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，其特征在于：所述计算得到测量目标的偏航角、滚转角的具体方法为：
根据光电探测器PD2～5计算得到的距离信息L2～L5，计算得到合作目标的滚转角αx和偏航角αz：
L6＝L2-L5+L3-L4 αx＝A1·L6+B1
L7＝L2-L3+L5-L4 αz＝A2·L7+B2；
其中，为已知合作目标的三维距离向位移(Δx,Δy,Δz)以及俯仰角αy后，进行直线拟合的参数。
10.根据权利要求8所述的一种基于双光梳测距的大动态范围高精度基线测量方法，其特征在于：所述计算得到测量目标的俯仰角以及X、Z向的位移的具体方法为：
根据CCD记录的测量反射光的周围四个光斑位置(xi’,zi’)，计算得到X、Z向的位移(Δx,Δz)：
其中，β为CCD的镜头放大倍率，Δxi＝xi'-xi，Δzi＝zi'-zi；
测量臂中心角锥绕Y轴的俯仰角αy：
其中，Δθ1表示光斑1和光斑2的连线转角，Δθ2表示光斑2和光斑3的连线转角，Δθ3表示光斑3和光斑4的连线转角，Δθ4表示光斑4和光斑1的连线转角，Δθ5表示光斑1和光斑3的连线转角，Δθ6表示光斑2和光斑4的连线转角。
CN201910187827.0A 2019-03-13 2019-03-13 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法 Active CN110007310B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910187827.0A CN110007310B (zh) 2019-03-13 2019-03-13 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910187827.0A CN110007310B (zh) 2019-03-13 2019-03-13 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110007310A true CN110007310A (zh) 2019-07-12
CN110007310B CN110007310B (zh) 2020-10-23

Family

ID=67166951

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910187827.0A Active CN110007310B (zh) 2019-03-13 2019-03-13 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110007310B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110895339A (zh) * 2019-11-01 2020-03-20 清华大学 双光梳多脉冲测距***及其应用
CN111736165A (zh) * 2020-07-07 2020-10-02 清华大学 一种位姿参数测量方法和装置
CN112305512A (zh) * 2020-09-30 2021-02-02 北京空间飞行器总体设计部 一种双频干涉成像高度计高精度基线估计方法
CN112505716A (zh) * 2020-11-11 2021-03-16 天津大学 一种高更新频率的电控双光学频率梳测距***

Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1870029A1 (en) * 2006-06-23 2007-12-26 OPTOPOL Technology Spolka z o.o. Apparatus and method for frequency domain optical coherence tomography
CN101498588A (zh) * 2009-02-27 2009-08-05 北京空间机电研究所 航天三线阵ccd相机镜头间6自由度变化在轨监测方法
EP2182319A1 (en) * 2008-11-04 2010-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Interferometric distance measuring apparatus
WO2010101071A1 (ja) * 2009-03-03 2010-09-10 株式会社トプコン 距離測定装置
CN103196419A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 中国科学院光电研究院 飞秒激光频率梳测距装置和方法
CN203720351U (zh) * 2013-12-03 2014-07-16 华东师范大学 精确测定物体角度和角速度的激光雷达测量仪
WO2016123812A1 (zh) * 2015-02-06 2016-08-11 浙江理工大学 具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法
CN107192355A (zh) * 2017-06-30 2017-09-22 清华大学 一种双光梳精密测角方法及测角***
CN107727058A (zh) * 2017-09-28 2018-02-23 清华大学 一种光频梳六自由度测量方法及测量***
CN108873008A (zh) * 2018-06-12 2018-11-23 天津大学 一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法
CN108917643A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 天津大学 基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法
CN109238153A (zh) * 2018-09-12 2019-01-18 清华大学深圳研究生院 双光频梳测厚光路结构、***、方法、装置及存储介质

Patent Citations (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP1870029A1 (en) * 2006-06-23 2007-12-26 OPTOPOL Technology Spolka z o.o. Apparatus and method for frequency domain optical coherence tomography
EP2182319A1 (en) * 2008-11-04 2010-05-05 Canon Kabushiki Kaisha Interferometric distance measuring apparatus
CN101498588A (zh) * 2009-02-27 2009-08-05 北京空间机电研究所 航天三线阵ccd相机镜头间6自由度变化在轨监测方法
WO2010101071A1 (ja) * 2009-03-03 2010-09-10 株式会社トプコン 距離測定装置
CN103196419A (zh) * 2013-04-01 2013-07-10 中国科学院光电研究院 飞秒激光频率梳测距装置和方法
CN203720351U (zh) * 2013-12-03 2014-07-16 华东师范大学 精确测定物体角度和角速度的激光雷达测量仪
WO2016123812A1 (zh) * 2015-02-06 2016-08-11 浙江理工大学 具有六自由度检测的激光外差干涉直线度测量装置及方法
CN107192355A (zh) * 2017-06-30 2017-09-22 清华大学 一种双光梳精密测角方法及测角***
CN107727058A (zh) * 2017-09-28 2018-02-23 清华大学 一种光频梳六自由度测量方法及测量***
CN108873008A (zh) * 2018-06-12 2018-11-23 天津大学 一种基于双光梳干涉的水下距离高精度测量方法
CN108917643A (zh) * 2018-07-04 2018-11-30 天津大学 基于双光梳扫描测距的三维形貌测量***及方法
CN109238153A (zh) * 2018-09-12 2019-01-18 清华大学深圳研究生院 双光频梳测厚光路结构、***、方法、装置及存储介质

Non-Patent Citations (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
K.H.WAGNER,F.SCHLOTTAU,M.COLICE, G.KRIEHN，R.T.WEVER: "《Photonic multiple beam forming systems for broadband RF antenna arrays》", 《 MWP 2003 PROCEEDINGS. INTERNATIONAL TOPICAL MEETING ON MICROWAVE PHOTONICS, 2003.》 *
L.ROVATI: "《A PC-controlled non-incremental distance meter based on a comb-spectrum combined with a frequency modulated continuous wave interferometer》", 《 IMTC 2001. PROCEEDINGS OF THE 18TH IEEE INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT TECHNOLOGY CONFERENCE》 *
吴翰钟: "《光学频率梳的绝对距离测量研究》", 《中国博士学位论文全文数据库 工程科技Ⅱ辑》 *
尹建凤;张庆君;刘杰;张润宁;赵良波: "《国外编队飞行干涉SAR卫星***发展综述》", 《航天器工程》 *
张弘元: "《光频梳非线性异步光学采样大尺寸绝对距离测量》", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
李岩: "《光频梳在精密测量中的应用》", 《仪器仪表学报》 *
王国超: "《基于飞秒激光光学频率梳的大尺寸绝对测距方法研究》", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *
许艳: "《基于飞秒光频梳的绝对距离测量技术研究》", 《中国博士学位论文全文数据库 信息科技辑》 *

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110895339A (zh) * 2019-11-01 2020-03-20 清华大学 双光梳多脉冲测距***及其应用
CN110895339B (zh) * 2019-11-01 2022-02-25 清华大学 双光梳多脉冲测距***及其应用
CN111736165A (zh) * 2020-07-07 2020-10-02 清华大学 一种位姿参数测量方法和装置
CN111736165B (zh) * 2020-07-07 2023-08-25 清华大学 一种位姿参数测量方法和装置
CN112305512A (zh) * 2020-09-30 2021-02-02 北京空间飞行器总体设计部 一种双频干涉成像高度计高精度基线估计方法
CN112305512B (zh) * 2020-09-30 2023-07-28 北京空间飞行器总体设计部 一种双频干涉成像高度计高精度基线估计方法
CN112505716A (zh) * 2020-11-11 2021-03-16 天津大学 一种高更新频率的电控双光学频率梳测距***
CN112505716B (zh) * 2020-11-11 2022-05-17 天津大学 一种高更新频率的电控双光学频率梳测距***

Also Published As

Publication number Publication date
CN110007310B (zh) 2020-10-23

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110007310A (zh) 一种基于双光梳测距的大动态范围基线测量***及方法
CN108050933B (zh) 角锥棱镜回射光斑定位精度检测装置与方法
CN107727058A (zh) 一种光频梳六自由度测量方法及测量***
CN108534801B (zh) 三维坐标基准场室内空间测量定位扫描光面校准方法
CN109141223A (zh) 一种基于psd的激光干涉仪光路高效精确校准方法
CN108519589B (zh) 基于无源目标的星载激光测高仪足印定位方法
CN106425691B (zh) 基于激光干涉原理的精密主轴回转精度检测装置及方法
CN105823420B (zh) 一种角锥组合件回光能量中心坐标精密导出方法
US7558688B2 (en) Angle calibration of long baseline antennas
CN116184465B (zh) 基于单颗卫星与一地面站的星基量子定位导航***及方法
CN106017864B (zh) 摆镜特性参数测试装置及测试方法
CN107561495A (zh) 一种基于激光跟踪的室内三维定位方法
CN115932888A (zh) 高分辨率空间目标三维探测***
CN105066983A (zh) 原子团冷却温度、飞行速度及运动轨迹的探测方法及装置
CN112082514B (zh) 便携式角度测量仪及其使用方法
CN206192364U (zh) 基于x射线的vlbi测量***以及地面验证装置
CN109579707A (zh) 一种基于飞秒光梳的六自由度高精度基线测量***及方法
CN110455181B (zh) 一种位姿快速测量***及方法
CN103529650B (zh) 一种高度测量装置及其测量方法
Campbell et al. A novel co-ordinate measurement system based on frequency scanning interferometry
CN115031630B (zh) 一种光频梳色散干涉的平面位姿测量装置及测量方法
CN110058256A (zh) 一种基于分离腔的跟踪定位***
CN205940927U (zh) 摆镜特性参数测试装置
CN211072866U (zh) 带光路漂移补偿的收发分体式五自由度测量装置
CN103292911B (zh) 一种哈特曼复合传感器内各探测器光轴基准实时探测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant
CB03 Change of inventor or designer information

Inventor after: Zhang Qingjun

Inventor after: Cai Yawen

Inventor after: Liu Jie

Inventor after: Liu Jiuli

Inventor after: Yin Jianfeng

Inventor after: Wang Tao

Inventor after: Liang Jian

Inventor before: Zhang Qingjun

Inventor before: Cai Yawen

Inventor before: Liu Jie

Inventor before: Liu Jiuli

Inventor before: Yin Jianfeng

Inventor before: Wang Tao

Inventor before: Liang Jian

Inventor before: Wu Guanhao

Inventor before: Zhou Siyu

CB03 Change of inventor or designer information