本發(fā)明涉及一種用于光場駕束引導(dǎo)的空間光場編碼方法，具體涉及一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼裝置及編碼方法。

背景技術(shù)：

1、空間光場編碼技術(shù)主要應(yīng)用于光場駕束引導(dǎo)技術(shù)。光場駕束引導(dǎo)是指采用調(diào)制的光場控制待引導(dǎo)裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)的一種技術(shù)，在引導(dǎo)過程中，因待引導(dǎo)裝置始終位于光波束內(nèi)，因此也被稱為光場駕束引導(dǎo)。

2、在光場駕束引導(dǎo)系統(tǒng)中，待引導(dǎo)裝置通過空間編碼確定自身的位置。首先，空間光照射器需要對(duì)輸出的光場進(jìn)行空間編碼，編碼后的光束截面不同的空間位置具有不同的信息碼，置于光場中的待引導(dǎo)裝置經(jīng)解碼后可以獲得自身的位置，進(jìn)而反饋給控制系統(tǒng)并調(diào)整自身運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向指定的空間位置運(yùn)動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距引導(dǎo)，其原理如圖1所示。

3、現(xiàn)有的空間編碼光照射器主要應(yīng)用于地面環(huán)境，其核心部件采用機(jī)械調(diào)制盤的方式進(jìn)行空間光場編碼。如圖2和圖3所示，圖2為機(jī)械調(diào)制盤示意圖，圖3為機(jī)械調(diào)制盤機(jī)理圖，機(jī)械調(diào)制盤為一圓盤，對(duì)于光場中的坐標(biāo)點(diǎn)，其坐標(biāo)位置可從不同頻率的時(shí)間占比求出，計(jì)算公式為：k＝2(τ1-τ2)/t，其中，k表示位置系數(shù)，即偏離中心的程度，范圍為(-1，1)；τ1表示空間頻率f1的掃描時(shí)間，τ2表示空間頻率f2的掃描時(shí)間，t表示調(diào)制盤掃描周期。調(diào)制盤的空間編碼方式，因需要電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤高速連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，功耗大，編碼頻率較低，可靠性差。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有用于光場駕束引導(dǎo)的空間編碼采用機(jī)械調(diào)制盤的方式，導(dǎo)致編碼頻率較低、可靠性差的技術(shù)問題，而提供一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼裝置及編碼方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：

3、一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼裝置，其特殊之處在于：包括光電感應(yīng)器、依次設(shè)置在激光器光路上的準(zhǔn)直鏡和復(fù)合棱鏡，設(shè)置在復(fù)合棱鏡一側(cè)的投影鏡頭，設(shè)置在復(fù)合棱鏡相對(duì)側(cè)的空間光調(diào)制器；

4、所述復(fù)合棱鏡包括相對(duì)設(shè)置且均為三棱柱結(jié)構(gòu)的下棱鏡和上棱鏡；

5、所述下棱鏡的下底面構(gòu)成復(fù)合棱鏡的編碼光入射面；

6、所述下棱鏡的其中一個(gè)側(cè)面構(gòu)成復(fù)合棱鏡的第一復(fù)合面；

7、所述下棱鏡的另一個(gè)側(cè)面構(gòu)成復(fù)合棱鏡的激光入射面；

8、所述上棱鏡的上底面構(gòu)成復(fù)合棱鏡的編碼光出射面；

9、所述上棱鏡中與第一復(fù)合面平行且相對(duì)的面構(gòu)成復(fù)合棱鏡的第二復(fù)合面；

10、所述第一復(fù)合面與第二復(fù)合面之間設(shè)置有空氣間隙；

11、所述激光入射面和編碼光入射面之間的夾角為鈍角；

12、所述第一復(fù)合面和激光入射面之間的夾角為45°；

13、所述編碼光入射面與編碼光出射面平行；

14、所述激光器的輸出光經(jīng)準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后形成準(zhǔn)直激光，準(zhǔn)直激光經(jīng)復(fù)合棱鏡投射至空間光調(diào)制器進(jìn)行光場強(qiáng)度編碼調(diào)制，調(diào)制后的光場返回復(fù)合棱鏡再通過投影鏡頭投影形成像空間光場，所述像空間光場覆蓋待引導(dǎo)裝置的運(yùn)動(dòng)范圍；

15、所述光電感應(yīng)器設(shè)置在待引導(dǎo)裝置上，用于接收像空間光場的編碼并進(jìn)行解碼獲取待引導(dǎo)裝置的位置，并根據(jù)該位置調(diào)整舵機(jī)使待引導(dǎo)裝置向預(yù)設(shè)的位置運(yùn)動(dòng)。

16、進(jìn)一步地，所述復(fù)合棱鏡的折射率n為1.5，發(fā)生全反射的臨界角為41.8°。

17、進(jìn)一步地，所述復(fù)合棱鏡的材料采用h-k9。

18、進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器的微鏡相對(duì)于水平面的傾斜角為±12°；所述空間光調(diào)制器與編碼光入射面之間的間隙為3.5mm。

19、進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器的分辨率為1024×768，微鏡陣列對(duì)角線為0.55英寸，微鏡間距為10.8μm，，微鏡交叉時(shí)間為2.5μs，微鏡反射率為88％，陣列衍射效率為86％，陣列填充因子為92％，輸入數(shù)據(jù)時(shí)鐘速率為400mhz。

20、進(jìn)一步地，所述空間光調(diào)制器的長為40.64mm，寬為31.75mm，高為5.98mm；所述空間光調(diào)制器中微鏡陣列尺寸為長25.05mm，寬17.27mm；所述編碼光入射面和激光入射面的寬度分別為43.35mm和30mm，第二復(fù)合面和編碼光出射面的寬度分別為48.25mm和55.09mm。

21、進(jìn)一步地，所述激光器的參數(shù)如下：波長為808nm，最大功率為2w，半波寬度為3nm，輸出光纖芯徑為400μm，數(shù)值孔徑為0.22；所述準(zhǔn)直鏡的參數(shù)如下：材料為n-bk7，外形為平凸透鏡，外徑為25.4mm，中心厚度為4.7mm，后焦為56.7mm；所述投影鏡頭的參數(shù)如下：焦距為20mm，相對(duì)孔徑為f2.8，像方視場≥30mm。

22、同時(shí)，本發(fā)明還提供了一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼方法，采用上述的基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼裝置，其特殊之處在于，包括以下步驟：

23、1)激光自復(fù)合棱鏡的激光入射面垂直入射后，經(jīng)復(fù)合棱鏡反射至空間光調(diào)制器；

24、2)空間光調(diào)制器對(duì)激光進(jìn)行編碼：

25、若空間光調(diào)制器中某個(gè)微鏡為開狀態(tài)，則該微鏡反射的激光從編碼光出射面垂直方向出射至待引導(dǎo)裝置運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)；

26、若空間光調(diào)制器中某個(gè)微鏡為關(guān)狀態(tài)，則該微鏡反射的激光從編碼光出射面傾斜方向出射至待引導(dǎo)裝置運(yùn)動(dòng)區(qū)域外；

27、3)投影至待引導(dǎo)裝置運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的經(jīng)編碼的激光形成像空間光場；

28、4)待引導(dǎo)裝置通過光電感應(yīng)器接收像空間光場的編碼并進(jìn)行解碼，獲取自身的位置，并根據(jù)該位置調(diào)整舵機(jī)使待引導(dǎo)裝置向預(yù)設(shè)的位置運(yùn)動(dòng)。

29、進(jìn)一步地，步驟4)中，所述編碼具體包括：

30、s1)空間光調(diào)制器的工作區(qū)域選擇：

31、取空間光調(diào)制器的中心區(qū)域作為工作反射面，將工作反射面按分辨率需求分成m×m個(gè)獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行操作，每個(gè)區(qū)域包括n×n個(gè)微鏡；

32、s2)對(duì)入射激光進(jìn)行空間正交時(shí)分復(fù)用編碼：

33、先將一組開始同步碼發(fā)送給待引導(dǎo)裝置，待引導(dǎo)裝置開始接收水平方向的編碼后的光信號(hào)；空間光調(diào)制器對(duì)入射激光進(jìn)行編碼，并給待引導(dǎo)裝置發(fā)送兩幅在水平方向上灰度漸變的圖像，其中一幅圖像的灰度從左到右逐漸增大，另一幅圖像的灰度從左到右逐漸變小，兩幅圖像發(fā)送完后發(fā)送一組結(jié)束同步碼；

34、再給待引導(dǎo)裝置發(fā)送一組開始同步碼，待引導(dǎo)裝置開始接收垂直方向的編碼后的光信號(hào)；空間光調(diào)制器對(duì)入射激光進(jìn)行編碼，并給待引導(dǎo)裝置發(fā)送兩幅在垂直方向上灰度漸變的圖像，其中一幅圖像的灰度從上向下逐漸增大，另一幅圖像的灰度從上向下逐漸變小，兩幅圖像發(fā)送完后發(fā)送一組結(jié)束同步碼；

35、步驟4)中，所述解碼具體包括：

36、待引導(dǎo)裝置接收四幅圖像，根據(jù)以下公式，計(jì)算空間任一位置a點(diǎn)坐標(biāo)(△x，△y)：

37、△x＝(ix1-ix2)/(ix1+ix2)

38、△y＝(iy1-iy2)/(iy1+iy2)

39、ix1和ix2分別是水平方向的兩幅圖像的灰度；

40、iy1和iy2分別是垂直方向的兩幅圖像的灰度。

41、進(jìn)一步地，步驟4)中，所述開始同步碼為101010，所述結(jié)束同步碼為0101；所述四幅圖像的灰度級(jí)均為20；

42、步驟s1)中，所述工作反射面的尺寸為760×760，并分成20×20個(gè)獨(dú)立區(qū)域進(jìn)行操作，每個(gè)區(qū)域包括38×38個(gè)微鏡。

43、本發(fā)明的有益效果：

44、1、本發(fā)明一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼裝置，采用空間光調(diào)制器進(jìn)行空間編碼，相對(duì)于現(xiàn)有的調(diào)制盤編碼技術(shù)，設(shè)備簡單，具有編碼頻率高，無運(yùn)動(dòng)部件，可靠性高，低功耗的特點(diǎn)，可應(yīng)用于星載等高可靠性、低功耗要求平臺(tái)。

45、2、本發(fā)明一種基于正交時(shí)分復(fù)用的空間光場編碼方法，采用空間光調(diào)制器進(jìn)行正交時(shí)分復(fù)用的空間編碼，操作簡單，編碼效率高，可靠性強(qiáng)。