专利名称：位置参照传感器的制作方法
技术领域：
本发明总地涉及ー种位置參照传感器和/或用于操作位置參照传感器的方法。更具体地，本发明的实施方案涉及ー种位置參照传感器，其朝向固定到一个或更多个对象的一个或更多个逆向反射(retro-reflective)目标引导来自航海船舶的脉冲激光的垂直扇形光束，并且探測被所述ー个或更多个逆向反射目标反射的激光。该位置參照传感器形成这样的动态定位系统的一部分，该动态定位系统通过分析被该位置參照传感器探測到的反射激光来确定航海船舶相对于所述ー个或更多个对象的位置。
背景技术：
希望能够连续地确定航海船舶相对于ー个或更多个其他对象(诸如另一航海船舶或固定平台)的位置，动态定位系统可以用于该目的。一种动态定位系统包括安装在航海船舶上的位置參照传感器，图I和图2分别是位置參照传感器10在水平平面和垂直平面的操作的示意图。位置參照传感器10包括光学组件12，其封装在安装于航海船舶14上的壳体中。光学组件12包括生成激光的垂直扇形光束18的脉冲激光设备16及相关联的光学器件。壳体和封装的光学组件12围绕大致垂直轴20连续地旋转,如旋转线24图示地所示的,或者可替换地，围绕大致垂直轴振荡，以顺序地、重复地朝向逆向反射目标22引导激光的垂直扇形光束18，逆向反射目标22在水平方向上间隔开并且被固定到一个或更多个对象。光学组件12还包括被安放为与脉冲激光设备16及其相关联的光学器件相邻的光电探测器26及相关联的光学器件。光电探测器26及相关联的光学器件随脉冲激光设备16旋转，并且光电探测器26探測被所述ー个或更多个逆向反射目标22反射的激光28。 在操作中，该动态定位系统基于所发射的并且被反射的激光的飞行时间来从光学组件12(因此，从航海船舶14)确定每个逆向反射目标22的范围。该动态定位系统还可以基于当反射激光28被光电探测器26探测到时光学组件12的旋转位置来确定相对于每个逆向反射目标22的方位(bearing)。该范围和方位数据都用于确定航海船舶14相对于逆向反射目标22 (因此，一个或更多个对象)的位置。航海船舶14经受由主要�？鲆鸬淖菀�、横摇和垂荡运动(heave motion)。因为激光光束18在垂直方向上成扇形散开(B卩，发散)，所以很可能的是，如果发生纵摇、横摇和垂荡，则垂直扇形光束18将射入(strike) —个或更多个逆向反射目标22。然而，光束发散通常限于光束中心线CL以上和以下大约±8° (图2)。基于回转仪的运动传感器和受监视的倾斜机构因此用于改变光学组件12 (因此，激光的垂直扇形光束18)的垂直傾斜角，以进ー步补偿航海船舶14的纵摇和横摇运动。受监视的倾斜机构通常能够在水平面以上和以下倾斜±20°。即使具有上述位置參照传感器10，也很可能的是，如果存在航海船舶14的大的纵摇、横摇或垂荡运动，则逆向反射目标22中的ー个或更多个可能移出激光的垂直扇形光束18的照射场。因此，很可能的是，位置參照传感器可能被致使不能操作，即使只是暂时性地。因此，存在对用于航海船舶的、补偿航海船舶的纵摇、横摇或垂荡运动的改进的位置參照传感器的需求。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供ー种包括光学组件的位置參照传感器，所述光学组件包括脉冲激光设备，所述脉冲激光设备用于发射激光；透镜装置，所述透镜装置包括透镜镜头，所述透镜镜头用于生成所述脉冲激光设备所发射的激光的垂直扇形光束(vertically fanned beam);以及
光电ニ极管，所述光电ニ极管包括用于探测被逆向反射目标反射的激光的多个光电探测器，入射在每个光电探测器上的反射激光的水平是可被单独探测的；所述位置參照传感器还包括用于改变所述光学组件的倾斜角的致动器，所述致动器是基于入射在每个光电探测器上的反射激光的水平可自动控制的。逆向反射目标的理想位置是在激光的垂直扇形光束的垂直中心处，以使得在包括所述位置參照传感器的航海船舶的纵摇、横摇或垂荡运动的情况下，该逆向反射目标将保持在垂直扇形光束的照射场中。入射在每个光电探测器上的反射激光的水平可以用于确定逆向反射目标相对于垂直扇形光束的中心线的垂直位置，并且可以如此控制致动器来改变光学组件的倾斜角，以使得逆向反射目标基本上被定位在垂直扇形光束的中心处，并且使得反射激光可以被光电ニ极管探測到。透镜镜头有利地使垂直扇形光束的输出信号幅度的一致性最大，从而进一步改进致动器所提供的自动倾斜角控制。本说明书中所使用的术语“脉冲激光设备”意图包括被以任何合适的方式操作以使得其输出幅度随时间改变的激光设备。本文所使用的术语“脉冲激光设备”因此可以包括其输出强度被以任何合适的方式调制的激光设备。所述调制可以例如为交替“开”和“关”时间段的形式或者符合合适的空号比，诸如50 50空号比。所述光学组件可操作来将入射在每个光电探测器上的反射激光转换为对应的模拟电压信号，并且该对应的模拟电压信号的幅值通常指示入射在该特定光电探测器上的反射激光的水平。各个模拟电压信号可以被处理来提供位置反馈控制信号。例如，所述位置參照传感器可以形成动态定位系统的一部分，并且各个模拟电压信号因此可以被该动态定位系统处理。用于使所述光学组件倾斜的致动器因此可以是基于位置反馈控制信号可自动控制的。分立的光电探测器可以为垂直布置阵列的形式。一个或更多个光电探测器通常位于该垂直布置阵列的中心处，并且致动器可以可自动控制来改变光学组件的倾斜角，以使得最大水平的反射激光入射在位于垂直布置阵列的中心处的ー个或更多个分立的光电探测器上。如以上所说明的，这提高了在航海船舶的纵摇、横摇或垂荡运动的情况下所述ー个或更多个逆向反射目标将保持在激光的垂直扇形光束的照射场内的可能性。至少三个光电探测器通常提供在所述垂直布置阵列中。至少三个光电探测器的提供使得逆向反射目标在垂直扇形光束的照射场中的位置可以被更精确地确定，因此，使得致动器能够更精确地控制所述光学组件以保持逆向反射目标朝向激光的垂直扇形光束的照射场的垂直中心。所述透镜镜头可以是柱面透镜镜头，并且可以包括其各个光学输出被叠加来生成激光的垂直扇形光束的柱面透镜的阵列。所述透镜装置可以包括第一透镜，其扩展脉冲激光设备所生成的激光的相对窄的光束，从而提供在垂直方向上跨透镜镜头延伸的激光光束。透镜镜头通常被安放为与第一透镜相邻，以使得来自第一透镜的激光光束可以朝向透镜镜头透射并且透射通过透镜镜头，以生成激光的垂直扇形光束。所述致动器可以是伺服电机。所述光学组件可以被封装在壳体中，该壳体在使用时可以安装在航海船舶上。该壳体通常围绕大致垂直轴旋转，以使得脉冲激光的垂直扇形光束可以顺序地、重复地照射一系列水平间隔的逆向反射目标或者实际上单个逆向反射目标。该壳体可以连续地旋转，或者可以围绕垂直轴振荡。根据本发明的第二方面，提供一种用于航海船舶的动态定位系统，该动态定位系、统包括根据本发明的第一方面的位置參照传感器，该位置參照传感器安装在航海船舶上，并且可操作来确定该航海船舶相对于ー个或更多个对象的位置。通常，该动态定位系统包括处理器，其可操作来通过分析被安放在所述ー个或更多个对象上的一个或更多个逆向反射目标反射到光电探测器上的激光来确定航海船舶的位置。该动态定位系统可以可操作来确定范围，并且还可以确定航海船舶与其上安放一个或更多个逆向反射目标的ー个或更多个对象之间的相对航向。根据本发明的第三方面，提供一种用于操作包括光学组件的位置參照传感器的方法，所述光学组件包括脉冲激光设备、包括透镜镜头的透镜装置以及包括多个光电探測器的光电ニ极管，其中，所述方法包括使用所述脉冲激光设备和所述透镜装置来生成激光的垂直扇形光束，并且朝向一个或更多个逆向反射目标引导该垂直扇形光束；探測入射在每个光电探测器上的反射激光的水平；以及通过使用可自动控制的致动器，基于所探測的入射在每个光电探测器上的反射光的水平来改变所述光学组件的倾斜角。所述方法可以包括将入射在每个光电探测器上的反射激光转换为对应的模拟电压信号，该对应的模拟电压信号的幅值通常指示入射在该特定光电探测器上的反射激光的水平。所述方法可以包括处理各个模拟电压信号以提供位置反馈控制信号，并且所述方法可以包括基于该位置反馈控制信号自动地控制所述致动器。所述光电探測器可以包括垂直布置阵列，并且所述方法因此可以包括自动地控制所述致动器来改变所述光学组件的倾斜角，以使得最大水平的反射激光入射在该垂直布置阵列的中心处的所述光电探测器中的ー个或更多个上。
图I和图2分别是显示已知的位置參照传感器的基本操作原理的水平平面和垂直平面的示意图；图3是根据本发明的位置參照传感器的一部分的示意图；图4是显示图I和图2的已知的位置參照传感器的进ー步细节的示意图5a是形成根据本发明的位置參照传感器的一部分的透镜装置的示意图；以及图5b和图5c是透镜装置的输出信号幅度的示意图。
具体实施例方式现在将仅以举例的方式參照附图对本发明的实施方案进行描述，注意的是，根据本发明的位置參照传感器的基本操作原理与以上參照图I和图2所述的位置參照传感器10的基本操作原理相同。因此，以上描述的全部内容被并入本文,并且当论及根据本发明的位置參照传感器的对应部件时将使用对应的标号。參照图3，位置參照传感器包括光电ニ极管32，其包括被安放为彼此相邻并且共同形成垂直布置阵列的三个分立的光电探测器Rx、Ry、Rz。透镜34被安放为与光电ニ极管32相邻，并且将反射激光28聚焦到光电ニ极管32上。光电ニ极管32及相关联的透镜34
与脉冲激光设备16及其相关联的光学器件一起形成光学组件12的一部分。例如伺服电机形式的致动器被提供来改变光学组件12的倾斜角。根据本发明的各方面，入射在分立的光电探测器Rx、Ry和Rz中的每个上的反射激光28的水平被自动探测，并且致动器基于所探測的入射在每个光电探测器Rx、Ry、Rz上的反射激光的水平进行自动控制，以改变光学组件12的倾斜角，从而改变脉冲激光设备16所发射的激光的垂直扇形光束18的倾斜角。这使得根据本发明的位置參照传感器能够补偿航海船舶14的动态运动，并且位置參照传感器因此能够保持逆向反射目标在激光的垂直扇形光束18的有效照射场内以及在光电ニ极管32的探測平面内。在參照图3所述的示例性实施例中，逆向反射目标22被定位在对象上，以使得它在激光的垂直扇形光束18的有效照射场的上限处、表示为Ta的位置上。该位置不是理想的，因为如果航海船舶14由于如由主要�？鲆鸬淖菀�、横摇和垂荡中的一个或更多个而导致经受向下运动，则逆向反射目标22可能会移动到激光的垂直扇形光束18的照射场外部位置，而且还可能会移动到光电ニ极管32的探測平面外部。这被图示地显示为位置Tb。逆向反射目标22的最佳位置将基本上与激光的垂直扇形光束18的中心线CL成一直线，以使得在航海船舶14的向下运动的情况下，逆向反射目标22将保持在激光的垂直扇形光束18的照射场内以及在光电ニ极管32的探测平面内。在该最佳位置上，被逆向反射目标22反射的激光将仅入射在所述阵列的中心处的分立的光电探测器Ry上。光电探测器Rx、Ry、Rz的该最佳照射(其对应于逆向反射目标22的最佳定位)因此用于控制光学组件12的倾斜角，脉冲激光设备16及其相关联的光学器件以及光电ニ极管32及其相关联的透镜34被容纳在光学组件12中。在本发明的典型实施方案中，入射在每个光电探测器Rx、Ry、Rz上的反射激光28的水平被转换为对应的模拟电压信号，并且每个模拟电压信号与入射在该特定光电探测器上的光的水平成比例。例如，当逆向反射目标22在图3所示的位置Ta上并且在光电ニ极管32上生成反射图像36时，将可见的是，光电探测器Rx将生成总电压信号的0%，光电探测器Ry将生成总电压信号的大约20%，光电探测器Rz将生成总电压信号的大约80%。另一方面，如果逆向反射目标22在其最佳位置(与激光的垂直扇形光束18的中心线CL成一直线)上，则光电探測器Rx和Rz将都生成总电压信号的0%，而在所述阵列的中心处的光电探测器Ry将生成总电压信号的100%。以下操作基于这些理想的电压信号，即，位置參照传感器能够自动地控制致动器来改变光学组件12的倾斜角以在每个光电探測器Rx、Ry、Rz上提供前述最佳电压信号，从而使激光的垂直扇形光束18的位置最佳，以使得逆向反射目标22基本上与激光的垂直扇形光束18的中心线CL成一直线。在一些实施方案中，各个模拟电压信号被处理以提供位置反馈控制信号，并且该位置反馈控制信号被位置參照传感器用于自动地控制致动器的操作以使光学组件的倾斜角最佳。在实践中，主要�？霾欢细谋洌虼肆販y量并处理瞬时模拟电压信号以提供瞬时位置反馈控制信号。因此，可以根据需要考虑主要�？龊腿魏嗡贾碌暮胶４�14的动态运动来连续地改变光学组件12的倾斜角。现在參照图示说明图I和图2的已知的位置參照传感器10的进ー步细节的图4，将可见的是，与脉冲激光设备16相关联的光学器件(通常为半导体激光器)包括用于生成激光的垂直扇形光束18的单个柱面透镜38。脉冲激光设备16及相关联的柱面透镜38所生成的输出信号幅度的典型实施例也在图4(从图4，将容易意识到输出信号幅度在垂直平面上是不一致的)中被图示说明，其中最小信号幅度出现在激光的垂直扇形光束18的中心 线CL附近，最大信号幅度出现在中心线CL的任ー侧。这是有问题的，因为即使逆向反射目标22可以在与垂直扇形光束18的中心线CL成一直线的最佳位置上，由于峰值信号幅度的偏移性质，最大水平的反射能量也可能不能入射在图3中所图示说明的布置中的中心光电探測器Ry上。为了克服这个问题，如图5a所示，根据本发明的位置參照传感器的光学组件12包括包含柱面透镜镜头40的透镜装置。柱面透镜镜头40包括以单个整体模塑而形成的多个单个柱面透镜42。在图5b中将看到，形成柱面透镜镜头40的每个柱面透镜42生成其自身特有的输出信号。然而，柱面透镜镜头40叠加各个柱面透镜42的各个光学输出来生成如图5c所图示说明的跨透镜镜头40为一致的并且不具有峰或谷的所得输出信号幅度。在图5a所示的实施方案中，透镜装置另外包括第一透镜44，其被定位为与柱面透镜镜头40相邻，并且提供在垂直方向上跨透镜镜头40的整个宽度延伸的激光的平行光束。该平行光束朝向柱面透镜镜头40透射并且透射通过柱面透镜镜头40，以提供激光的垂直扇形光束18。虽然已在前面的段落中參照各个实施例描述了本发明的实施方案，但是应该理解，在不脱离要求保护的本发明的范围的情况下，可以对这些实施例进行各种修改。例如，虽然图示说明的光电探测器32包括三个光电探測器，但是可以提供多于三个的光电探测器。除了伺服电机之外的致动器可以用于控制光学组件12的倾斜角。
权利要求
1.ー种包括光学组件的位置參照传感器，所述光学组件包括 脉冲激光设备，所述脉冲激光设备用于发射激光； 透镜装置，所述透镜装置包括透镜镜头，所述透镜镜头用于生成所述脉冲激光设备所发射的激光的垂直扇形光束；以及 光电ニ极管，所述光电ニ极管包括用于探测被逆向反射目标反射的激光的多个光电探测器，入射在每个光电探测器上的反射激光的水平是可被单独探测的； 所述位置參照传感器还包括用于改变所述光学组件的倾斜角的致动器，所述致动器是基于入射在每个光电探测器上的反射激光的水平可自动控制的。
2.如权利要求I所述的位置參照传感器，其中所述光学组件可操作来将入射在每个光电探测器上的反射激光转换为对应的模拟电压信号，所述对应的模拟电压信号的幅值指示入射在特定光电探测器上的反射激光的水平。
3.如权利要求2所述的位置參照传感器，其中所述各个模拟电压信号在使用时被处理以提供位置反馈控制信号。
4.如权利要求3所述的位置參照传感器，其中所述致动器是基于所述位置反馈控制信号可自动控制的。
5.如前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，其中所述光电探测器为垂直布置阵列的形式。
6.如权利要求5所述的位置參照传感器，其中所述致动器是可自动控制的来改变所述光学组件的倾斜角，以使得最大水平的反射激光入射在处于所述垂直布置阵列的中心处的所述光电探测器中的一个或更多个上。
7.如权利要求5或权利要求6所述的位置參照传感器，其中所述阵列中的光电探测器的数量为至少三个。
8.如前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，其中所述透镜镜头包括其各个光学输出被叠加来生成激光的垂直扇形光束的柱面透镜的阵列。
9.如前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，其中所述透镜装置包括第一透镜，所述第一透镜提供在垂直方向上跨所述透镜镜头延伸的激光光束，以用于朝向所述透镜镜头透射并且透射通过所述透镜镜头，从而生成激光的所述垂直扇形光束。
10.如前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，其中所述致动器为伺服电机。
11.如前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，其中所述光学组件被封装在壳体中，所述壳体在使用时安装在航海船舶上，并且其中所述壳体在使用时围绕大体上垂直的轴旋转或振荡。
12.一种用于航海船舶的动态定位系统，所述动态定位系统包括根据前述任一项权利要求所述的位置參照传感器，所述位置參照传感器安装在所述航海船舶上，并且可操作来确定所述航海船舶相对于ー个或更多个对象的位置。
13.一种用于操作包括光学组件的位置參照传感器的方法，所述光学组件包括脉冲激光设备、包括透镜镜头的透镜装置以及包括多个光电探測器的光电ニ极管，其中，所述方法包括 使用所述脉冲激光设备和所述透镜装置来生成激光的垂直扇形光束，并且朝向ー个或更多个逆向反射目标引导所述垂直扇形光束；探測入射在每个光电探测器上的反射激光的水平；以及 通过使用可自动控制的致动器，基于所探測的入射在每个光电探测器上的反射光的水平来改变所述光学组件的倾斜角。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述方法包括将入射在每个光电探测器上的反射激光转换为对应的模拟电压信号。
15.如权利要求14所述的方法，其中所述方法包括处理各个模拟电压信号以提供位置反馈控制信号。
16.如权利要求15所述的方法，其中所述方法包括基于所述位置反馈控制信号自动地控制所述致动器。
17.如权利要求13至16中的任一项所述的方法，其中所述光电探测器为垂直布置阵列的形式，并且所述方法包括自动地控制所述致动器来改变所述光学组件的倾斜角，以使得最大水平的反射激光入射在处于所述垂直布置阵列的中心处的所述光电探測器中的ー个或更多个上。
18.—种基本上如前參照附图的图3和图5所述的位置參照传感器。
19.ー种用于控制基本上如前參照附图的图3和图5所述的位置參照传感器的方法。
全文摘要
一种用于航海船舶的位置参照传感器包括光学组件，该光学组件包括脉冲激光设备、透镜装置和光电二极管(32)，该脉冲激光设备用于发射激光，该透镜装置包括用于生成该脉冲激光设备所发射的激光的垂直扇形光束(18)的透镜镜头，该光电二极管(32)包括多个光电探测器Rx、Ry和Rz，这些光电探测器Rx、Ry和Rz用于探测该脉冲激光设备发射的且被逆向反射目标(22)朝向该光电二极管(32)反射的激光(28)。入射在每个光电探测器上的反射激光的水平是可被单独探测的，并且该位置参照传感器还包括用于改变光学组件的倾斜角的致动器。该致动器是基于入射在每个光电探测器Rx、Ry和Rz上的反射激光的水平可自动控制的。一种用于航海船舶的位置参照传感器包括光学组件，该光学组件包括脉冲激光设备、透镜装置和光电二极管(32)，该脉冲激光设备用于发射激光，该透镜装置包括用于生成该脉冲激光设备所发射的激光的垂直扇形光束(18)的透镜镜头，该光电二极管(32)包括多个光电探测器Rx、Ry和Rz，这些光电探测器Rx、Ry和Rz用于探测该脉冲激光设备发射的且被逆向反射目标(22)朝向该光电二极管(32)反射的激光(28)。入射在每个光电探测器上的反射激光的水平是可被单独探测的，并且该位置参照传感器还包括用于改变光学组件的倾斜角的致动器。该致动器是基于入射在每个光电探测器Rx、Ry和Rz上的反射激光的水平可自动控制的。
文档编号G01S17/48GK102667524SQ201080051278
公开日2012年9月12日 申请日期2010年9月20日 优先权日2009年9月22日
发明者I·伯赫林 申请人:盖当斯Ip有限公司
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