一种用激光对目标物进行定位的装置及方法与流程

本公开涉及定位技术领域，尤其涉及一种用激光对目标物进行定位的装置及方法。

背景技术：

当目标物浮于水面或位于水下时，对其进行定位的目的之一是为了与其进行激光通信。现有技术披露了当目标物位于水下时的一种定位装置及方法，其首先要将水下目标上浮至接近水面位置，然后释放由电缆或光纤连接的gps接收器，使gps接收器的天线浮出水面以接收gps卫星信号，从而确定目标物的位置。

上述的现有技术存在的主要问题是：定位的准确性不高。因为定位得到的实际上是水面gps卫星信号接收器的位置，而不是水下目标的真实位置。

技术实现要素：

本公开的目的在于提供一种用激光对目标物进行定位的装置及方法，以解决现有技术中存在的上述技术问题。

本发明的一个实施例提供了一种用激光对目标物进行定位的装置，目标物浮于水面或位于水下，该装置包括：至少三个激光组发射器，其位于水下或浮于水面，至少三个激光组发射器中的每一个均发射至少两个激光，至少两个激光的波长相等且腰半径不等，其中，激光的传播途径全部位于水中；激光组接收器，其位于目标物上，用于接收来自至少三个激光组发射器中的每一个的激光；距离计算模块，其与激光组接收器相连接，距离计算模块根据激光组接收器接收到的至少两个激光的理论分布函数与至少两个激光在激光组接收器处的实际分布函数值计算至少三个激光组发射器中的每一个到所述目标物的距离；以及坐标计算模块，其根据距离计算目标物的坐标位置。

本发明的另一个实施例提供了一种用激光对目标物进行定位的方法，目标物浮于水面或位于水下，该方法包括：激光组发射步骤：发射至少三组激光组，至少三组激光组中的每一组发射至少两个激光，至少两个激光波长相等且腰半径不等，其中，激光的传播途径全部位于水中；激光组接收步骤：通过位于目标物上的激光组接收器接收所述激光组；距离计算步骤：根据接收到的至少两个激光的理论分布函数与至少两个激光在所激光组接收器处的实际分布函数值计算至少三个激光组发射器中的每一个到所述目标物的距离；以及坐标计算步骤，根据所述距离计算目标物的位置坐标。

本公开提供的用激光对目标物进行定位的装置及方法能够提高对浮于水面或位于水下的目标物的定位精度，并且容易实现，成本较低。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。其中在附图中，参考数字之后的字母标记指示多个相同的部件，当泛指这些部件时，将省略其最后的字母标记。在附图中：

图1示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置的一个实施例的总体结构图；

图2示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置中的距离计算模块的一个实施例的结构框图；

图3示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置中的距离计算模块的另一个实施例的结构框图；

图4示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的方法的一个实施例的流程图；

图5示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤的一个实施例的流程图；

图6示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤的另一个实施例的流程图。

在附图中，使用相同或类似的标号来指代相同或类似的元素。

具体实施方式

现在将参考附图来详细描述本发明的示例性实施方式。应当理解，附图中示出和描述的实施方式仅仅是示例性的，意在阐释本发明的原理和精神，而并非限制本发明的范围。

本发明的一个实施例提供了一种用激光对目标物进行定位的装置。

参考图1，图1图1示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的装置100的一个实施例的总体结构图。如图1所示，装置100可以包括：至少三个激光组发射器101、102、103、104，激光组接收器105，距离计算模块106以及坐标计算模块107。

根据本发明的一个实施例，当目标物位于水下时，激光组发射器可以浮于水面上或位于水下；当目标物浮于水面上时，激光组发射器可以位于水下。总之，目标物与激光组发射器之间的相对位置使得激光的传播路径全部位于水中。

下面以激光组发射器浮于水面且目标物位于水下的情况为例予以说明。本领域技术人员应当知晓，对于上述的其他情况，本公开所披露的技术方案亦适用。

根据本发明的一个实施例，如图1所示，激光组发射器可以位于水面上，激光组发射器可以有四个，每个激光组发射器可以包含两个激光发射源，这两个发射源可以相互靠近，例如：同一激光组发射器内的两个发射源可以贴在一起。同一激光组发射器内的两个发射源发射的激光的波长可以相等但腰半径不等。

激光组接收器105可以位于水下目标上，激光组接收器105可以接收来自每一个激光组发射器的激光。

距离计算模块106可以与激光组接收器通过有线或无线方式连接，距离计算模块106可以根据同一激光组发射器发出的至少两个激光中的理论分布函数与至少两个激光在激光组接收器处的实际分布函数值来逐个计算出每一激光组发射器到目标物的距离。

根据本发明的一个实施例，参考图2，距离计算模块106可以进一步包括功率测量模块201、实际分布函数值计算模块202、判断模块203和第一距离计算子模块204。

功率测量模块201可以用于测量至少两个激光在激光组接收器的接收屏上的功率。激光功率的测量功率可以采用任何现有的测量工具和/或测量方法。

实际分布函数值计算模块202可以用于根据功率和接收屏的面积计算至少两个激光在所述激光组接收器处的实际分布函数值。根据本发明的一个实施例，实际分布函数值可以是激光组接收器105上接收到的激光的功率与激光组接收器的接收屏的面积的比值。

判断模块203可以用于判断同一激光组发射器发射的至少两个激光在激光组接收器105处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限值。

第一距离计算子模块204可以用于当该差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算激光组发射器到目标物的距离：

bsf1analy(r,zrec)-bsf1＝0

其中，r为激光传输正方向的偏离值，bsf1analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最大的一个的理论分布函数，bsf1为至少两个激光中腰半径最大的一个在激光组接收器105处的实际分布函数值，zrec为激光组发射器到目标物的距离。

根据本发明的另一个实施例，参考图3，距离计算模块106还可以进一步包括功率测量模块301、实际分布函数值计算模块302和第二距离计算子模块303。其中的功率测量模块301和实际分布函数值计算模块302分别与上述的子模块201至202类似，这里不再赘述。其中的第二距离计算子模块303用于可以根据如下方程组计算距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，bsf1analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最大的一个的理论分布函数，bsf1为至少两个激光中腰半径最大的一个在所述激光组接收器处的实际分布函数值，bsf0analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最小的一个的理论分布函数，bsf0为至少两个激光中腰半径最小的一个在激光组接收器处的实际分布函数值zrec为所述距离。

坐标计算模块107可以根据距离计算模块106计算得到的距离计算目标物的坐标位置。

根据本发明的一个实施例，当激光组发射器有三个时，坐标计算模块107可以通过求解如下方程组(1)计算目标物的坐标位置：

由于在方程组(1)中没有考虑时间延迟等因素，因此，计算得到的水下目标位置做标还不够准确。

因此，根据本发明的另一个实施例，可以设置四个激光组发射器，相应地，坐标计算模块107可以通过求解如下方程组(2)计算水下目标的坐标位置：

上述的方程组中，(x1,y1,z1),(x2,y2,z2),(x3,y3,z3),(x4,y4,z4)分别为激光组发射器101、102、103、104的坐标位置信息，(x,y,z)表示目标物的位置坐标，zrec1,zrec2,zrec3,zrec4分别表示激光组发射器101、102、103、104到目标物的距离，c为激光在水中的传播速度，υ0表示接收屏的钟差，υ1,υ2,υ3,υ4分别表示激光组发射器101、102、103、104中的激光源的平均钟差。

根据本发明的一个实施例，装置100可以采用硬件与软件相结合的方式来实现。也就是说，装置100中的一些组件可以用硬件方式实现，一些组件可以用软件方式实现。

具体来说，装置100中位于水面的部分可以包括激光组发射器101至104和与激光组发射器相连接的水面控制器，水面控制器可以包括cpu、存储器和必要的输入输出接口。

坐标计算模块107可以通过软件方式实现，该软件的代码可以存放在水面控制器中的存储器内并被水面控制器中的cpu所执行以完成坐标位置的计算。

激光组发射器101至104可以与水面控制器相连接，并在水面控制器的控制下按照预先设定的波长和腰半径发射相应的激光。由于一开始向激光组接收器发射激光时，激光组发射器并不知晓激光组接收器的位置，因此，根据本发明的一个实施例，激光组发射器可以在水面控制器的控制下转动地发射激光，并且激光组发射器还可以在水面控制器的控制下在发射出的激光上携带定位消息，当激光组接收器接收到该定位消息以后，可以向水面控制器回复定位确认消息，当水面控制器接收到该定位确认消息以后，就可以停止转动。

类似地，装置100中位于目标物上的部分可以包括激光组接收器105和与激光组接收器105相连接的水下控制器。激光组接收器105可以包括激光接收屏，水下控制器可以包括cpu、存储器和必要的输入输出接口。水下控制器与水上控制器之间可以进行数据传输。

根据本发明的一个实施例，距离计算模块106可以通过软件结合硬件的方式实现。例如，距离计算模块106中的功率测量模块201可以采用硬件方式，即：功率测量模块201是用硬件方式实现的激光功率测量装置。相应地，功率测量模块201可以位于目标物上。

而实际分布函数值计算模块202、判断模块203、第一距离计算子模块204和第二距离计算子模块303则可以采用软件方式实现。根据本发明的一个实施例，这些模块的软件代码可以全部存于水下控制器中的存储器内并被水下控制器中的cpu所执行以完成每一个激光组发射器到水下目标距离的计算。在此情况下，水下控制器还可以将计算得到的距离值发送给水面控制器，以使得水面控制器中的坐标计算模块107可以根据距离值计算出目标物的位置坐标。根据本发明的另一个实施例，这些模块中的某些模块的软件代码可以存于水下控制器的存储器内，而另一些模块的软件代码可以存于水面控制器的存储器内。

在实际使用本发明的装置100时，可以在水面控制器的控制下，逐个打开激光组发射器101至104，并逐个计算出激光组发射器101至104到水下目标的距离，从而根据这些距离最终计算出目标物的坐标位置。在定位过程中，如果判断模块203的输出为“否”，则可以通知水面控制器调整该激光组发射器的发射角度以便在激光接收屏上再次接收到激光，直至这些分布函数值的差异超过预先设定的门限值。

至此描述了根据本发明实施例的用对激光目标物进行定位的装置。该装置能够以安全的方式提高定位精度，并且容易实现，成本较低。

本发明还提供了用激光对目标物进行定位的方法。目标物浮于水面或位于水下。

参考图4，图4示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位的方法400的一个实施例的流程图。如图4所示，方法400可以包括如下步骤401至404。

步骤401为激光组发射步骤：发射至少三组激光组，至少三组激光组中的每一组发射至少两个激光，至少两个激光波长相等且腰半径不等，其中，激光的传播途径全部位于水中。

根据本发明的一个实施例，一个激光组内可以包含两个波长相等但腰半径不等的激光，这两个激光可以通过两个相互靠近的发射源发出，比如：这两个发射源可以相互贴合在一起。

根据本发明的一个实施例，由于在刚开始时激光组发射器并不知道水下目标的位置，因此，激光组发射器可以转动地发射激光并在发射的激光中包含定位消息。

步骤402为激光组接收步骤：通过位于目标物上的激光组接收器接收激光组。

当激光组接收器收到含有定位消息的激光时，可以向激光组发射器回复定位确认消息。当激光组发射器收到定位确认消息后，可以停止转动。

步骤403为距离计算步骤：根据接收到的至少两个激光的理论分布函数与至少两个激光在所激光组接收器处的实际分布函数值计算至少三个激光组发射器中的每一个到目标物的距离。

根据本发明的一个实施例，参考图5，图5示意性地示出了本发明的用激光对目标物进行定位过程中的距离计算步骤403的一个实施例的流程图。如图5所示，步骤403可以进一步包括如下子步骤501至504。

子步骤501为功率测量步骤，测量至少两个激光在激光组接收器的接收屏上的功率。

根据本发明的一个实施例，可以采用任何现有的激光功率测试装置和/或方法来测量该功率。

子步骤502是实际分布函数值计算步骤：根据功率和接收屏的面积计算至少两个激光在激光组接收器处的实际分布函数值。

根据本发明的一个实施例，实际分布函数值可以是功率与激光组接收器的接收屏的面积的比值。

子步骤503为判断步骤：判断至少两个激光在激光组接收器处的实际分布函数值的差异是否超过预先设定的门限值。

根据本发明的一个实施例，预先设定的门限值可以为5db。

当该差异超过了预先设定的门限值时，可以进入子步骤504，否则，可以返回步骤401，转动激光组发射器以改变发射角度并再次发射激光，直至该差异超过该门限值。

子步骤504为第一距离计算子步骤：当差异超过预先设定的门限值时，在r＝0的条件下，根据如下公式计算激光组发射器到水下目标的距离：

bsf1analy(r,zrec)-bsf1＝0

其中，r为激光传输正方向的偏离值，bsf1analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最大的一个的理论分布函数，bsf1为至少两个激光中腰半径最大的一个在激光组接收器处的实际分布函数值，zrec为激光组发射器到目标物的距离。

由于bsf1analy(r,zrec)和bsf1都是r和距离的函数，当r＝0时，就可以求解出距离。

根据本发明的另一个实施例，参考图6，距离计算步骤403还可以包括子步骤601至603。其中的子步骤601至子步骤602与上述的子步骤501至502类似，这里不再赘述。

子步骤603为第二距离计算子步骤：根据如下方程组计算距离：

其中，r为激光传输正方向的偏离值，bsf1analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最大的一个的理论分布函数，bsf1为至少两个激光中腰半径最大的一个在所述激光组接收器处的实际分布函数值，bsf0analy(r,zrec)为至少两个激光中腰半径最小的一个的理论分布函数，bsf0为至少两个激光中腰半径最小的一个在激光组接收器处的实际分布函数值zrec为距离。

步骤404为坐标计算步骤，当计算出至少三个激光组发射器到水下目标的距离时，根据距离计算水下目标的位置坐标。

根据本发明的一个实施例，可以根据上述的步骤401至403，逐个打开至少三个激光组发射器中的每一个以发射激光，并逐个计算出至少三个激光组发射器中的每一个到水下目标的距离，从而根据这些距离最终计算出水下目标的坐标位置。

根据本发明的一个实施例，可以采用上述的方程组(1)或(2)来计算出水下目标的坐标位置。

至此描述了根据本发明实施例的用激光对目标物进行定位的方法。该方法能够以安全的方式提高对目标物的定位精度，并且容易实现，成本较低。