基于激光的无人机回收引导系统的制作方法

本发明涉及激光应用技术领域，特别涉及一种基于激光的无人机回收引导系统。

背景技术：

目前国外对无人机回收引导测量系统已有一些公开报道和成熟研究成果，大致有雷达测量，gps与惯性器件测量，光电测量这几种方式或其组合，比较典型的系统例如：

美国sierranevada公司基于雷达技术开发了ucars-v2无人机战术回收系统，以解决舰上雷达测量系统近距离定位精度较低，跟踪性能差且容易遭到干扰的问题，但是提高雷达测量精度和抗干扰性的成本也较为昂贵。

美国raytheon公司采用了基于gps技术的jpals(jointpreciseapproachandlandingsystem，联合精密进近和着陆系统)系统，于2013年7月10日成功完成了x-47b隐身无人机的自主着舰试验，但由于众所周知的原因，gps不作为我国无人机引导的主要手段。惯性器件具有较强的抗干扰能力，但是其误差随时间增加逐步积累，不适宜作为无人机末端引导的主要手段。

瑞士ruag公司开发了基于激光的opats(objectpositionandtrackingsystem，目标定位跟踪系统)系统，在无人机通过雷达或者gps引导入降落窗口后可以对无人机进行精密姿态测量，为着陆提供可靠保障。该系统成本较低，证明了激光测量跟踪技术在无人机引导上的可行性，但是该系统仅针对陆地降落设计，缺乏抑制舰船摇摆的必要手段，同时引导信息上传链路也不是激光通信链路。

目前，几乎所有无人机引导系统的通信方式仍然依赖无线电，考虑到舰船上现有的雷达与射频通信造成的电磁兼容性问题越来越复杂，使用传统的射频方式与无人机进行数据通信，势必会对数据的可靠性与实时性产生影响。

为了解决复杂电磁对抗环境下卫星拒止与无线电通信不可用等问题，利用大气激光传输波束定向精准、通信传输速率高、通信容量大、传输不易受干扰、保密性高等优点，提出一种面向陆基中小型无人机着陆/回收引导需求的激光引导系统有着极其重要的实际意义。

技术实现要素：

卫星定位系统容易受到外界干扰，为保障无人机高精度、高可靠性以及复杂环境下的精确回收，本发明提出了一种基于激光的无人机回收引导系统，具备位置测量与通讯同步传输的能力，能满足在卫星与无线电通讯拒止条件下无人机自主精确回收要求。

本发明采用如下技术方案实现：

一种基于激光的无人机回收引导系统，包括机载端和地面端，地面端包括由两轴稳定跟踪转台、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、ccd相机和安装有图像处理与控制程序的总控电脑组成的pat单元，测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及i/o接口；pat单元实现对无人机的瞄准、捕获、跟踪；二维快速振镜、引导/通信激光发射单元、ccd相机、测距激光发射模块，测距激光接收模块，以及i/o接口均设置在两轴稳定跟踪转台上，ccd相机、测距激光接收模块、二维快速振镜、引导/通信激光发射单元分别通过i/o接口与总控电脑连接，测距激光发射模块与二维快速振镜连接；

机载端包括由角反镜和指示灯构成的合作目标以及光电探测器；角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的ccd相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收；合作目标、光电探测器分别与机载飞控单元连接；

在无人机通过引导方式进入降落窗口后，引导/通信激光发射单元发射引导激光，激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描，回波激光或者机载指示灯会在ccd相机光敏面上成像，由i/o接口进入总控电脑，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上，实现对无人机的主动跟踪；此时，测距激光发射模块发射的测距激光也会稳定照射到无人机上，机载端的角反镜反射的测距激光的回波信号会被测距激光接收模块接收到，解算出无人机的相对距离信息；无人机的方位、俯仰、距离三维位置信息通过i/o接口输出，以电信号的形式经过调制电路调制通信激光光束，再由引导/通信激光发射单元经二维快速振镜上行发射向无人机；这样，无人机就可基于收到的不断刷新的三维位置信息控制飞行航向与降落，在不依赖无线电通信的情况下完成激光引导降落过程；

本系统通过对激光进行信息调制，使系统在完成测距、测角等信息测量的同时，兼具高速信息通信的能力，实现在无线电拒止条件下对无人机精确回收引导。

所述地面端pat单元中的两轴稳定跟踪转台和二维快速振镜，两者形成了一种复合轴结构，从二维快速振镜的出射反射镜射出激光束扫描到机载端角反镜后，回波激光或者机载指示灯会在ccd相机光敏面上成像，经图像处理程序获取无人机的相对角位置信息，图像处理及控制程序利用该角信息来控制二维快速振镜的扫描动作，将引导/通信激光激光束稳定跟踪照射到无人机上；其中，两轴稳定跟踪转台采用u-o结构设计，实现运动目标的粗跟踪；二维快速振镜执行激光高速扫描功能，实现运动目标的精跟踪；二维快速振镜包括入射反射镜、出射反射镜、扫描电机和控制电路，反射镜固定在扫描电机轴上，通过电机转动控制反射镜的偏转角度；扫描电机内集成有转角位置传感器；二维快速振镜通过驱动器和i/o接口与总控电脑进行数据交换，把转角位置信息传递给图像处理及控制程序，接收总控电脑输出的位置电压信号，驱动扫描电机转到指定转角位置。

所述激光束经由二维快速振镜对降落窗口区域进行扫描时采用螺旋光栅复合扫描，从捕获概率高的区域向捕获概率低的区域扫描，易于实现。

本发明在继承传统激光测量技术的基础上，借鉴激光通信原理，通过对发射激光进行信息调制，使激光系统在完成测距、测角等信息测量的同时，兼具高速信息传输的能力，实现了在无线电拒止条件下对无人机精确回收引导。

附图说明

图1为无人机回收激光引导系统组成图。

图2为无人机回收激光引导系统工作示意图。

图3为pat工作原理框图。

图4为两轴稳定跟踪转台原理图。

图5为二维快速振镜原理图。

图6为螺旋光栅扫描原理与捕获时间示意图。

图7为脉冲测距原理图。

图8为副载波工作示意图。

图9为pat单元组成图。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本发明为一种基于激光的无人机回收引导系统，系统采用地面激光主动扫描实现对无人机目标的捕获、跟踪、测量，可提供飞机相对位置信息。同时，本发明中采用激光引导与激光通信模块一体化融合设计，可提供无线电拒止下的引导信息上传通讯能力。系统由机载端和地面端两部分构成，如图1所示。地面端主要包括：由两轴稳定跟踪转台、二维振镜、测距激光发射模块、测距激光接收模块、引导/通信激光发射单元、ccd相机和i/o接口组成的pat(瞄准-pointing,捕获-acquisition,跟踪-tracking)控制单元，以及具备图像处理及控制功能的总控电脑。pat控制单元实现无人机目标的瞄准、捕获、跟踪。机载端则包括角反镜/指示灯组成的合作目标和光电探测器。角反镜/指示灯用于反馈信号给地面端的ccd相机和测距激光接收模块，光电探测器工作在单工模式下，用于实现无人机的方位、俯仰、距离信息的激光通信接收。

本发明的主要工作原理为：在无人机通过雷达或gps等其他导航方式引导进入降落窗口后，激光引导系统开启激光器和激光快速扫描器，对降落/回收窗口进行激光扫描，一旦有激光照射到角反射器，ccd相机便可捕获到反射回来的激光，这样回波激光或者机载指示灯会在ccd相机光敏面上成像，经由图像处理和pat算法处理后获取无人机的相对角位置信息，如图2所示。利用该角信息经由pat算法来控制扫描激光束的偏转角度，即可将激光束稳定跟踪照射到无人机上，实现对无人机的主动跟踪。同时，激光测距单元测算出无人机的相对距离信息。此外，为了在不依赖无线电通信的情况下将回收引导位置等信息可靠上传到无人机上，本发明对发射激光器的通信光束进行数据的载波调制后发射给机载合作目标，从而实现激光引导与激光通信的同步工作。无人机上加装的高灵敏度光电探测器接收到调制的激光信号后传输给机载飞控单元，从而实现了无人机的回收引导。

下面对本发明的技术方案做详细说明：

pat单元基于复合轴方式构建，其中两轴稳定跟踪转台为粗跟踪的执行机构，二维快速振镜为精跟踪的执行机构。pat单元主要由二维快速振镜、两轴稳定跟踪转台、ccd相机、引导/通信激光发射单元、驱动器和图像处理与控制程序构成。

两轴稳定跟踪转台为俯仰轴、方位轴独立构成的万向常平架式结构，使用力矩电机直接驱动，最大角速度为60度每秒，位置检测编码器为20位增量式编码器，4倍频后角度分辨率为1.5μrad；利用二维转台可以弥补扫描振镜转动的盲区，使pat系统既能够大角度、快速度运动，也能在同时保证跟踪精度。

二维快速振镜的通光口径为50mm，在±20°转动范围时带宽为30hz，在±1°转动范围时带宽为200hz，定位精度为15μrad。地面端发射的引导/通信激光、测距激光共用它作为发射天线。由于振镜的速度非常快，因此共发射天线的设计有三点好处：(1)振镜的反射镜视轴稳定方式相比机械转台的整体稳定方式可以更有效的抑制舰船的摇摆。(2)可以极大减小无人机的捕获时间，提高捕获概率；(3)可以在无人机做快速大动态运动时仍然保持有效跟踪范围，保证通信链路的畅通。

ccd相机工作在可见光波段，与二维快速振镜一样安装在两轴稳定跟踪转台内，采样帧频为100fps，分辨率为752ⅹ480，与之配套的变焦镜头工作在焦距50mm左右。

信标激光使用808nm波段，最大发射功率2w，远场发散角2mrad，发射功率能够通过控制程序(该控制程序集成了图像处理和控制各种动作机构的功能)实时调整，防止近距离使探测器饱和。

地面端与机载端的通信采用激光进行单向通信，其中地面端的激光通信单元由调制电路、引导/通信激光发射单元组成。为了不增加无人机负载及不改动设备，机载端的激光通信接收单元采用光电探测器和角反射镜/指示灯，不设置pat功能，通信信号收到后的解调由机载飞控单元实现。

机载端的光电探测器有效面积3mm×3mm，探测器前方有汇聚镜头，其接收口径为20mm；角反射镜直径35mm，反射率大于0.9，散射角0.1mrad；重量约40g；指示灯为高亮度白光led，功率为3w。

为克服太阳背景光对激光通信的干扰，采用激光载波调制的方法调制电路，地面调制电路将57.6khz的载波信号与外部输入的串行数据信号相乘后送至发射激光器。发射激光器使用808nm波段，发射功率500mw～5w，发射角1mrad。机载接收模块的探测器有效面积3mm×3mm，探测器前方有汇聚镜头，其焦距为3mm。解调电路从探测器输出信号中提取有用信号。激光通信速率可达到4.8kbps～1mbps可调。

考虑到针对陆基中小型无人机平台的着陆/回收阶段使用，激光测距单元采用950nm激光，设定激光测距最大作用距离为3～5km，测距精度为±0.8m，测距更新频率20hz。

图像处理采用了光斑质心计算方法与波门抗干扰方法，图像处理及控制程序单次执行总耗时为25.4μs，目标角度信息的更新频率为100hz。图像处理及控制程序的工作流程如下：

无人机首先通过雷达或gps等其它导航方式飞行至设定降落空域，引导系统利用提供的降落窗口目标数据指向目标，如果由于能见度等原因导致引导系统未能直接发现目标则使用宽激光束主动搜索这个空域，直至捕获无人机(无人机机身装有角反镜)；若在特定时间内未能捕获无人机，则无人机进入复飞和重新降落流程。

捕获到无人机后系统进入pat跟踪流程，pat单元保证引导/通信激光光束稳定地照射在无人机上，且使飞机位于跟踪视场中心处，在跟踪执行过程中，程序解算出无人机的俯仰角，水平角信息。同时，测距激光也被稳定地照射在无人机上，反射回来的测距激光进入测距激光接收模块，解算出无人机的距离信息。

上文中的无人机三维位置信息(方位、俯仰、距离)通过i/o接口输出为电信号进入调制电路调制通信激光光束，再由引导/通信激光发射单元经二维快速振镜上行发射向无人机。这样，无人机就可基于收到的不断刷新的三维位置信息控制飞行航向与降落，完成激光导引降落过程。

本发明的创新包括以下内容：

创新一：高精度目标瞄准/捕获/跟踪单元(pat)，其工作原理框图如图3所示。

pat是无人机回收激光引导系统的关键部分，其核心是两轴稳定跟踪转台和二维快速振镜，两者组成了复合轴结构。从二维快速振镜出射反射镜发出的扫描激光束扫描到机载角反镜后，回波激光或者机载指示灯会在ccd相机光敏面上成像，经图像处理和pat算法处理后，根据获取的无人机相对角位置信息控制两轴稳定跟踪转台和二维快速振镜的复合动作，可将激光束稳定跟踪照射到无人机上。

其中，两轴稳定跟踪转台(现有设备)采用u-o结构设计，如图4所示，实现运动目标的粗跟踪；二维快速振镜(现有设备)执行激光高速扫描功能，实现运动目标的精跟踪。二维快速振镜由入射反射镜、出射反射镜、扫描电机和控制电路组成，反射镜固定在扫描电机轴上，通过电机转动控制反射镜的偏转角度。扫描电机内集成有转角位置传感器。二维快速振镜通过驱动器和i/o接口与总控电脑进行数据交换，把转角位置信息传递给图像处理及控制程序，接收总控电脑输出的位置电压信号，驱动扫描电机转到指定转角位置，如图5所示。

为实现引导无人机目标的快速、高概率捕获，激光引导系统首先应尽量减小捕获不确定区域，尽量减小捕获时间，其次是优化捕获模式和扫描方式，提高捕获概率。无人机首先可通过雷达或gps等其他导航方式引导进入预先设置的着陆/回收窗口，激光对该窗口区域进行扫描。从扫描方式而言，扫描方式可分为螺旋扫描、光栅扫描、螺旋光栅复合扫描、玫瑰形扫描等方式。本发明采用螺旋光栅扫描，可以从捕获概率高的区域向捕获概率低的区域扫描，而且也易于实现，如图6(a)所示。根据激光发散角和视轴抖动误差选择扫描区间和重叠区域，可缩短捕获运动目标的时间，如图6(b)所示。捕获时间取决于捕获不确定区域面积θxθy，信标激光发散角θbc，驻留时间td，扫描重叠系数p，其近似表达式为

式中，td为捕获过程中，发射激光束停留时间，以使捕获相机接收到超过设定阈值的光子，以区分探测到的是有效信号还是噪声。扫描重叠系数p以减少发射平台的振动对捕获过程的影响，通常取10％～15％，p的增加将会增加捕获时间。以上2个参数受到硬件条件的限制，变动范围有限。由上式可见，扫描不确定区域与激光发散角的比值越大，需要的捕获时间平方倍增加。因此，工程实际中可根据需要设计合适的激光发散角。

创新二：精密远程激光测距，其原理如图7所示。

激光测距采用脉冲测距法，使用近红外激光，该波段激光测距对光束相干性要求低、速度快、实现结构简单、峰值输出功率高、重复频率高且范围大。脉冲法激光测距的激光测距设备对准测量目标发送光脉冲，光脉冲在经过光学镜头时，一束被透镜前的平面镜反射，进入激光反馈计时模块，经光电转换及放大滤波整流后，电平信号送入时间数字转换芯片的开始计时端。另一束激光脉冲经过透镜压缩发散角后开始飞行，遇到目标障碍物后发生漫反射，部分激光返回到激光接收处理电路，同样地经过光电转换及放大滤波整流后，所形成的电平信号送入时间数字转换芯片结束计时端，即完成整个测量过程，图7中的微处理器和时数转换芯片集成在i/o接口中。

创新三：宽波束照射式激光通信技术。

激光通信技术具有传输速率高，通信容量大，通信光束方向性好、保密性高，几乎不受电磁干扰等优点。传统的激光通信应用中采用的通信激光束非常窄，宽度只有约10μrad，这对激光通信系统种pat单元的对准精度、动态性能、可靠性要求极高，难度较大。

本发明在满足无人机回收引导精度和通信容量的基础上，还尽可能的减小激光通信部件的设计开发难度，减小机载通信部件的重量体积，机上通信接收单元采用了大视场探测器接收方式，通光通信波束采用1mrad宽度波束，波束宽度在回收距离内具有足够范围以跟踪照射无人机，从而避免了采用精跟踪跟瞄机构带来的设计难度、体积重量等方面的代价。

激光通信单元采用单工通信，将地面测量的无人机相对着陆/回收点的位置和方位信息上传至无人机。为提高抗干扰能力，解决太阳背景光的干扰，通信采用副载波调制方式。激光副载波调制与发射比特流的关系如图8所示，在发射端将二进制数据与副载波信号相乘得到一个新的高频数字信号，将该信号接到激光器数字调制输入端口上并对光载波进行调制；在接收端首先使用光电探测器探测光强度信号，然后通过特定的检波器将已调副载波信号与背景光分离，最后再从已调副载波信号中解调出二进制数据。实验证明，这种副载波调制方法可以有效解决背景光的干扰问题。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充，如采用类似功能但参数不同的器件替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。