本發(fā)明涉及智能空間，尤其是涉及一種基于動態(tài)全息光柵的角速度矢量測量系統(tǒng)和方法。

背景技術(shù)：

1、隨著人類太空活動的不斷增加，太空中的人造物體數(shù)量急劇上升，包括在軌運行的衛(wèi)星、失效的航天器以及大量的太空碎片。這些非合作物體（即無法通過常規(guī)通信手段控制或獲取其姿態(tài)信息的目標）的存在對現(xiàn)有的和未來的太空任務(wù)構(gòu)成了嚴重威脅。為了確保太空安全、促進可持續(xù)利用外層空間資源，需要對空間非合作物體進行角速度矢量測量。目前測量方法包括基于模型的點云配準的方法、基于強幾何特征的方法、基于圖像識別的方法、基于光學(xué)觀測的方法和基于傳統(tǒng)的多普勒檢測方法。

2、基于模型的點云配準的方法，首先利用雙目相機采集目標的圖像，對圖像進行處理獲取目標的三維點云信息，然后通過icp匹配算法將得到的三維點云與目標的三維模型進行配準，進而估計目標的運動參數(shù)。但此方法計算量過大，且更多應(yīng)用于空間探測器或較大的空間非合作目標，對于小型空間非合作目標的探測較差。

3、基于強幾何特征的方法，通過建立基于目標形狀反射及太陽、地球和空間目標三者的運動關(guān)系的光度量測模型，分析姿態(tài)角、角速度和目標形狀對光度觀測數(shù)據(jù)的影響，通過建立目標姿態(tài)角與角速度的運動學(xué)模型，實現(xiàn)了對姿態(tài)和角速度的聯(lián)合估計。但其在圖像測量的過程中，探測器、探測物體、太陽，三者之間的相對位置不能變化太大，因此對于低轉(zhuǎn)速的物體，其測量誤差較大。此外，還要求被測目標不能為球體等無顯著長寬高對比的形狀。

4、基于圖像識別的方法。首先，視覺相機的光軸與空間非合作目標質(zhì)心在同一水平線上?？臻g非合作目標繞最大慣性主軸自旋。接著，連續(xù)采集序列圖像，利用時間約束和運動約束方法選取關(guān)鍵幀，并對當前關(guān)鍵幀進行多尺度隨機蕨編碼，存儲在隨機蕨庫中。接著，閉環(huán)檢測到當關(guān)鍵幀的編碼與隨機蕨庫中的碼值一致，表示空間非合作目標完成一個周期的自旋。最后，利用閉環(huán)幀及起始幀的時間戳之差得到空間非合作目標自旋周期。但其計算量較大，若采取關(guān)鍵幀進行識別，視覺相機的光軸與空間非合作目標質(zhì)心必須在同一水平線上，若偏離測量，則會在后續(xù)的監(jiān)測計算過程中引入更大的誤差。

5、基于光學(xué)觀測的方法，直接對圖像進行相關(guān)處理以進行姿態(tài)估計，對于光度數(shù)據(jù)的處理，國際上傳統(tǒng)研究集中在通過反演的方法獲得目標的工作狀態(tài)和結(jié)構(gòu)等特征信息。通過時間序列分析方法提取了目標的旋轉(zhuǎn)軸和周期性。但其在對不規(guī)則物體觀測時，其測量誤差增大，且算法的收斂速度變慢。

6、基于傳統(tǒng)的多普勒檢測方法，旋轉(zhuǎn)多普勒信號只能得到角速度，而不能得到與轉(zhuǎn)動方向關(guān)聯(lián)的角速度方向。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種基于動態(tài)全息光柵的角速度矢量測量系統(tǒng)和方法，放寬了對被檢測表面的照度對準和粗糙度的要求，無需跟蹤空間非合作目標的自轉(zhuǎn)軸，僅需對散射信號進行采集處理，根據(jù)接收信號峰的峰頻率間隔的統(tǒng)計結(jié)果，可以準確地提取角速度，在此基礎(chǔ)上，僅通過單信號采集可以同時確定角速度和轉(zhuǎn)動方向。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于動態(tài)全息光柵的角速度矢量測量系統(tǒng)，包括激光器、空間光調(diào)制器、第一4f系統(tǒng)、ronchi光柵、反射鏡、第二4f系統(tǒng)和光電探測器，激光器和空間光調(diào)制器之間設(shè)置有調(diào)節(jié)系統(tǒng)，空間光調(diào)制器設(shè)置在第一4f系統(tǒng)的前焦面上，ronchi光柵設(shè)置在第一4f系統(tǒng)的后焦面上，反射鏡與ronchi光柵處在同一直線上，且位于第二4f系統(tǒng)的前焦面上，第二4f系統(tǒng)的后焦面上設(shè)置有被測目標，被測目標和光電探測器之間設(shè)置有第五透鏡，被測目標、第五透鏡和光電探測器依次連接。

3、優(yōu)選的，激光器、調(diào)節(jié)系統(tǒng)和空間光調(diào)制器依次連接，調(diào)節(jié)系統(tǒng)包括依次設(shè)置的波片、孔徑光闌一、光隔離器和第六透鏡。

4、優(yōu)選的，第一4f系統(tǒng)包括依次設(shè)置的第一透鏡和第二透鏡，第一透鏡和第二透鏡的焦平面重合處設(shè)置有孔徑光闌二。

5、優(yōu)選的，第二4f系統(tǒng)包括依次設(shè)置的第三透鏡和第四透鏡，第三透鏡和第四透鏡的焦平面重合處設(shè)置有孔徑光闌三。

6、優(yōu)選的，被測目標一側(cè)連接有可調(diào)速電機。

7、本發(fā)明還提供了一種基于動態(tài)全息光柵的角速度矢量測量方法，步驟包括：

8、s1、使用激光器生成激光光束，使其出射光束經(jīng)過調(diào)節(jié)系統(tǒng)，調(diào)整改變光束尺寸，同時消除雜散光的影響。

9、s2、利用matlab程序控制生成所需對應(yīng)拓撲荷數(shù)±m(xù)0的時變相位調(diào)制的數(shù)字動態(tài)全息光柵圖，調(diào)節(jié)適配實際光路元件的參數(shù)，將光柵圖投影到空間光調(diào)制器，光束經(jīng)過空間光調(diào)制器生成對應(yīng)拓撲荷數(shù)為±m(xù)0的不同衍射級次的光束；

10、s3、隨著光束的傳播，不同衍射級次的光束逐漸分離，照射到第一4f系統(tǒng)上，光束經(jīng)過第一4f系統(tǒng)調(diào)制后得到兩束光束，兩光束匯聚到ronchi光柵上；

11、s4、ronchi光柵重新組合兩光束，生成對應(yīng)拓撲荷數(shù)±m(xù)0的疊加渦旋光束，該疊加渦旋光束經(jīng)過反射鏡，使其照射向被測目標目標的方向；

12、s5、步驟s4中光束經(jīng)過第二4f系統(tǒng)，將照明光束的尺寸調(diào)節(jié)至合適的大小，在被測目標表明成像；

13、s6、光束照射到被測目標上后，發(fā)生散射；

14、s7、散射光經(jīng)過第五透鏡進行匯聚，并由光電探測器采集；

15、s8、光電探測器接收采集的散射信號，散射信號直接導(dǎo)入電腦，根據(jù)散射信號生成對應(yīng)的時域強度信號，對該信號進行數(shù)據(jù)提取，利用matlab對其進行傅里葉變換，得到采集信號的頻譜信息，并進行歸一化處理；

16、s9、根據(jù)s8中得到的頻譜信息，選取適當?shù)臍w一化功率閾值和頻率區(qū)域，計算提取區(qū)域內(nèi)頻率間隔，得到被測目標的角速度；

17、s10、根據(jù)s8得到的頻譜信息，比較其在高頻區(qū)域處（一般視為角速度乘以拓撲荷數(shù)再乘以2附近）得到的實際測量提取頻率值和步驟s9中計算所得到的角速度相應(yīng)倍數(shù)值，通過比較二者的大小關(guān)系，判斷被測目標的轉(zhuǎn)動方向。

18、優(yōu)選的，步驟s2中在考慮檢測器頻率響應(yīng)范圍和采樣率的同時，適當增大拓撲荷數(shù)±m(xù)0的照明vob，能使最終的rde頻率分量遠離低頻噪聲。

19、優(yōu)選的，步驟s3具體包括：不同衍射級次的光束逐漸分離，照射到第一透鏡上，第一透鏡將各衍射級次的光束分別匯聚到第一4f系統(tǒng)的兩透鏡焦平面重合處的孔徑光闌二上，孔徑光闌僅允許具有相反拓撲電荷±m(xù)0的等階正負衍射光束通過，兩束等階正負衍射光束在經(jīng)過第二透鏡后匯聚到ronchi光柵上。

20、優(yōu)選的，步驟s4中疊加渦旋光束呈現(xiàn)具有c2m0旋轉(zhuǎn)對稱性的花瓣狀強度分布，其隨著全息光柵的變化而旋轉(zhuǎn)。

21、優(yōu)選的，步驟s6中采用糙度不同表面作為被測目標，通過可調(diào)速電機保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，同時適當增加照射光束中心相對于被測目標旋轉(zhuǎn)中心的橫向偏移，也會更有利于提高主導(dǎo)頻率區(qū)間的比例，被測目標可同時處于橫向運動和自旋的疊加運動狀態(tài)。

22、優(yōu)選的，步驟s6中對被測目標測量時，不要求照明光束嚴格對心對軸照射，同時適當增加照射光束中心相對于被測目標旋轉(zhuǎn)中心的橫向偏移，也會更有利于提高主導(dǎo)頻率區(qū)間的比例。

23、優(yōu)選的，步驟s10中進行判斷時，若實際測量提取頻率值小于角速度相應(yīng)倍數(shù)值，表明旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動方向與時變相位調(diào)制預(yù)設(shè)方向相同，若實際測量提取頻率值大于角速度相應(yīng)倍數(shù)，表明旋轉(zhuǎn)物體轉(zhuǎn)動方向與時變相位調(diào)制預(yù)設(shè)方向相反。

24、因此，本發(fā)明采用上述的一種基于動態(tài)全息光柵的角速度矢量測量系統(tǒng)和方法，具有以下有益效果：

25、（1）計算量小，僅需對散射信號進行采集處理，根據(jù)接收信號峰的峰頻率間隔的統(tǒng)計結(jié)果，可以準確地提取自旋運動的角速度，在此基礎(chǔ)上，僅通過單信號采集可以同時確定角速度的值和轉(zhuǎn)動方向；

26、（2）對被測目標無嚴格要求，測量時，僅需光束照射的小范圍表面粗糙度較低即可，不要求物體整體形狀是否規(guī)則，放寬了被檢測表面粗糙度要求；

27、（3）測量時，不要求嚴格對心探測，放寬了對于被檢測表面的照度對準要求，且無需跟蹤空間非合作目標的自轉(zhuǎn)軸。

28、下面通過附圖和實施例，對本發(fā)明的技術(shù)方案做進一步的詳細描述。