[0001] 本发明涉及，尤其是涉及一种分离式耦合腔激光系统的定位和异常检测方法。

[0002] 复杂动态场景下，无人机、工业机器人、分离模块卫星等无人设备的智能感知和协同是无线自组织网络、自主智能系统等方向的研究重点。它们尤其关注“如何保障单节点所需能量开销以维持其计算和通信能力”、“异构节点间如何高精度高动态自主协同”问题，涉及的基础研究和技术主要包括：基于声、电、光(视觉/激光)等手段的“传能、通信、感知、定位”新方法和新系统。

[0003] 对于“从‘易获能量节点’向‘不易获能量节点’的高功率高安全自对准传能定位”这一应用需求，传统研究中主要关注“传能通信一体”和“通信定位一体”两个方面，较少关注传能定位一体化。传能通信一体化方面的研究，以侧重通信的无线携能通信技术为主，侧重传能的能量信息同时传输技术研究较少。通信定位一体化方面的研究，随着通感一体化的发展，已引起工业界和学术界的广泛兴趣，一般分为通信辅助定位和定位辅助通信。但是，以上研究均难以满足以下需求：从“易获能量节点”向“不易获能量节点”的高功率高安全自对准传能定位。

[0004] 近年来腔内激光无线传输技术已在高功率传能和数能同传方面取得进展；其次，腔内激光对异物的灵敏响应能力，也让它具备显著感知测量能力。但是，现有的相关工作要么基于极低反射率的外腔腔镜(弱反馈条件)展开近似建模，此时与分离式耦合腔激光系统的典型结构特征不相符(外腔腔镜反射率相对较高，属于强反馈条件)；要么采用非分离式结构(外腔位于发射端)，利用腔外激光测距，难以保证激光辐射安全。其次，相关定位方法与腔内激光在自由空间传输的理论分析模型结合不紧密，并且对无干扰环境要求较高，还不能有效解决复杂动态场景下利用腔内激光进行定位的问题。

[0040] 下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

[0041] 名词解释：

[0042] DCCL：分离式耦合腔激光系统；

[0043] AOA：到达角；

[0044] LCD：液晶；

[0045] ToF：飞行时间法测距；

[0046] CMOS：互补金属氧化物半导体，可用作传感器。

[0047] 利用分离式耦合腔激光系统中腔内激光进行信号和能量的同时传输，需要突破传统方法中窄波束面向移动接收端的实时对准和高功率安全传输瓶颈，并在外腔强反馈条件下克服自由空间谐振腔带来的动态干扰和腔内激光振荡干扰效应。以此为基础，有望实现自适应对准、人眼安全和通信保密(避免无线信道被窃听)三方面特性显著提升的腔内激光数能同传技术。本发明面向分离式耦合腔激光系统，提出一种分离式耦合腔激光系统的定位和异常检测方法。方法的流程图如图1所示。

[0048] 在定位感知方面，本发明实现了基于自对准特征的到达角AOA估计计算和基于混动激光相关法的测距计算。在腔内激光分析模型方面，本发明建立了激光谐振腔模式分析和基于速率方程的增益模拟的联立分析模型。分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型部署在系统的发射端，分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型的应用依赖于定位感知方法提供的自由空间谐振腔腔长L2和到达角等信息。本发明利用感知到的接收端位置信息，实现腔内激光分析模型的即时计算，支持对信号和能量传输通道的动态分析，实现定位和异常检测。

[0049] 本发明提出的分离式耦合腔激光系统的结构图如图2所示。系统包括一个发射端和多个接收端，主谐振腔位于系统的发射端，自由空间谐振腔位于发射端和接收端之间，发射端设有图像传感器、ID解调模块、回复反射器、偏振调制器、偏振分束器、分束器、AOA测定模块和ToF测定模块，接收端设有LCD快门调制器、回复反射器、能量接收机、微处理器。系统的发射端还设有融合单元，用于部署分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型。

[0050] 在定位方面，本发明拟优先采用分离式耦合腔激光系统的空间分离数能同传方案实现单目定位。在拟采用的定位方法中，除了通过ToF距离测定和AoA到达角测定被动获得接收端空间三维坐标，还同时可为接收端传能，让接收端信息处理和发射单元冷启动，从而获得接收端主动传输的信息(比如接收端ID)，支持无人设备间互操作。接收端ID信息主要通过LCD快门调制器和ID解调模块实现接收端到发射端的反向传输。基于ID信息，方案拟采用的单目定位方法可以在发射端视场角FoV范围内，实现一对多的传能、通信、定位，支持发射端对多接收端进行智能控制。

[0051] 本发明的定位和异常检测方法的包括以下步骤：

[0052] S1、控制泵浦源发射激光，激光通过回复反射器在主谐振腔传播，主谐振腔两侧的回复反射器之间设有增益介质，激光经过主谐振腔后进入自由空间谐振腔，通过回复反射器在自由空间谐振腔的发射端和接收端之间传播，同时射向接收端的自由空间谐振腔外；

[0053] S2、设置泵浦源发射低功率激光，在LCD快门调制器上施加电压，通过改变电压，每个LCD快门调制器发送与对应的接收端对应的ID信息的调制信号，发射端基于图像传感器接收到的自由空间谐振腔内激光光斑的有无，以及ID解调模块对调制信号的解调获取所有接收端的ID信息；

[0054] S3、判断ID信息对应的接收端是否为获得授权的目标接收端，若是，则继续与该接收端通信，完成握手，反之，停止与该接收端通信，对于授权的目标接收端执行S4；

[0055] S4、设置泵浦源发射高功率激光，发射端获取目标接收端发射的自由空间谐振腔的腔内激光，腔内激光经过偏振调制器和偏振分束器，分为参考信号X(t)与待测信号Y(t)，待测信号Y(t)经过分束器，一部分进入ToF测定模块，另一部分进入图像传感器；

[0056] S5、基于ToF测定模块计算参考信号X(t)与待测信号Y(t)的互相关函数，提取互相关曲线中峰值对应的时间延迟，得到发射端和接收端之间的距离L2；

[0057] S6、AOA测定模块根据分离式耦合腔激光系统的分析模型计算发射端理论上的视场角，确定视场角与图像传感器的像素点位置的映射关系，通过图像传感器上真实感知到的腔内激光光斑与质心算法，获得光斑质心的像素点位置，并根据映射关系确定实际的接收端对应的到达角α2；

[0058] S7、根据S5测得的距离L2和实际的接收端对应的到达角α2，对接收端进行定位，同时将距离L2和到达角α2代入分离式耦合腔激光系统的分析模型，确定分析模型理论上对应的参数，将理论的参数与图像传感器、AOA测定模块、ToF测定模块和功率计测得的实际的参数进行比较，检测发射端和接收端相对静止时传输通道中的异常状态，所述理论上对应的参数包括输出功率。

[0059] S2的接收端ID信息获取的原理如下：

[0060] 接收端ID信息主要通过LCD快门调制器和ID解调模块实现接收端到发射端的上行传输。LCD快门包含两个线性偏振器和一个液晶。根据马卢斯定律，线偏振器可以选择性地阻挡入射在其上的光束。如果入射角θ＝0，入射光束可以通过线性偏振器；如果θ＝90°，则入射光束被阻挡。液晶层充当调制器，可以旋转偏振光束的偏振方向。通常，如果不施加电压，液晶层会将光束的偏振方向旋转90度，从而阻挡光束；另一方面，如果施加电压，液晶层不会旋转光束的偏振方向，从而维持光束。因此，LCD快门在未施加电压的情况下“关闭”(显示变黑且完全不透明)，如果施加电压，则快门“打开”(变为透明)。

[0061] 根据上述原理，本发明采用通‑断键控(OOK)调制方案，在接收端通过改变施加在LCD快门上的电压发送ID信息：如果LCD快门打开，则对应调制信号“1”，如果LCD快门关闭，则对应调制信号“0”。这样就可以在发射端的CMOS图像传感器上通过腔内激光光斑的有无和ID解调模块实现ID信息获取。可以知道，从接收端到发射端的信息传输速率取决于LCD的切换速度。接收端ID信息传输的原理示意图如图3所示。

[0062] S2的低功率激光满足IEC 60825‑1‑2014等激光安全标准中的人眼安全要求，功率2
密度的典型值小于5mW/cm。

[0063] S4的高功率激光功率密度的典型值大于5mW/cm2。

[0064] S5中，进行腔内激光ToF距离测定的原理如下：

[0065] 本发明拟采用的腔内激光ToF距离测定方案如图4所示。腔内激光是一种特殊的混沌激光，本方案拟借鉴混动激光相关法进行测距，利用参考信号和待测信号两路腔内激光波形的相关特性来测量接收端距离。图4中τ是待测信号相对于参考信号的延迟时间，两路信号的互相关函数如下：

[0066]

[0067] 其中， 表示互相关运算，k是归一化系数，δ表示参考信号和待测信号的互相关曲线函数。通过提取互相关曲线中峰值对应的时间延迟τ，可以得到接收端的距离：

[0068] L2＝cτ/2nair

[0069] c是光速，nair是自由空间谐振腔光路上的折射率。在ToF距离测定方案中也要考虑多个电路延迟。两路腔内激光的相关曲线特性是实现测距的关键，大气扰动带来的误差可以通过nair等引入。

[0070] S6中，测量到达角AOA，即α2的原理如下：

[0071] 本发明通过CMOS图像传感器捕获自由空间谐振腔中发射侧腔内激光光斑随接收端位置移动的变化信息，并利用质心算法和分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型，实现到达角AoA测量。首先将通过分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型获得发射端在理论上的视场角FoV，估算CMOS图像传感器的感知范围是否满足到达角AoA测量需要。再利用该理论分析模型建立接收端移动角度与CMOS图像传感器上像素点位置的映射关系。最后通过CMOS图像传感器上感知腔内激光光斑与质心算法(比如小波自适应阈值质心算法)，获得光斑质心的像素点位置，并根据前述映射关系估算接收端移动角度。

[0072] 分离式耦合腔激光系统的分析模型部署在感算融合单元，感算融合单元处理系统中的信息流，支持部署的分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型在线计算。感算融合单元中还可针对感知到的光斑信息，部署小样本连续学习模块，用于学习真实场景中光斑的多类隐含信息，比如异物侵入、接收端异常工作状态等。

[0073] S7中根据S5测得的距离L2和实际的接收端对应的到达角α2，通过感算融合单元中部署的分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型，在高功率运转模式下，自由空间谐振腔腔长为L2时，计算发射端理论上的视场角FoV，FoV∈(‑α2,max，α2,max)。所选用的CMOS图像传感器的感知范围需要大于发射端理论上的视场角FoV。再利用分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型，建立FoV(FoV∈(‑α2,max，α2,max))与CMOS图像传感器上像素点位置的映射关系。最后通过CMOS图像传感器上真实感知到腔内激光光斑与质心算法(比如小波自适应阈值质心算法)，获得光斑质心的像素点位置，并根据前述映射关系测定接收端此时的AoA角度α2。

[0074] α2,max的计算可以通过以下步骤实现：第一步，确定系统高功率运转模式下稳定运转时的Pin值；第二步，搜索Pout＝0时，对应的α2；第三步，将搜索到的确定为发射端理论上的视场角FoV。同时，由于分离式耦合腔激光系统中主谐振腔的腔内激光以α1的入射角投射到CMOS图像传感器，因此S4中FoV与CMOS图像传感器上像素点位置的映射关系图2中分束器到CMOS图像传感器距离Lx与α1共同决定。

[0075] S6和S7的分离式耦合腔激光系统的分析模型的原理如下：

[0076] 分离式耦合腔激光系统的分析模型如图5所示，基于衍射理论和速率方程，建立了DCCL的分析模型，以模拟光束通过两个耦合腔体的光束传播情况，以及模拟DCCL中光束传播损耗和增益之间的相互作用。通过模拟模型，在给定的系统参数下(通过定位感知得到)，即反射器尺寸、输入功率、移动状态等，可以直接计算输出激光功率。

[0077] 分析模型采用图5(a)所示的耦合腔激光系统的典型设计。回复反射器CERi为猫眼结构(cat’s eye retroreflector)，由一个镜子Mi和一个透镜Leni组成，i∈{1，2，3，4}，多个回复反射器联合形成激光谐振腔。每个透镜的焦距是fi，每个回复反射器中的镜子和透镜的间隔是li。CER1和CER2形成主谐振腔，CER3和CER4形成自由空间谐振腔。下面进行模型的分析：

[0078] 1)等效谐振腔模型：为了分析分离式耦合腔激光系统的自对准特性和模拟腔内激光的功率流，把一个包括了放置于任意位置的远程接收器的双回复反射谐振腔等效于具有两个镜子的FP腔。每个镜子的大小等于相应的回复反射器的等效反射面积，这个等效反射面积也可以用来估算收发机之间的相对角度。

[0079] 对于一个CERi，i∈{1，2，3，4}，li＝fi的耦合腔设计，以一个角度αi入射的光束在CERi上的等效反射面可以表示为：

[0080]

[0081] 其中rc是透镜和镜子在CERi中的半径，(0,ai)(a＝a)是由于入射光束角度而移位的透镜孔径的中心坐标，其中：

[0082] ai＝2f tan αi.   (2)

[0083] 因此，如图5(a)中，CER1,CER2间腔内激光入射角α1，CER3,CER4间腔内激光的入射角α2，每个CERi的等效反射面可以用基于fi和α1,2分别计算的ai表示，如图5(b)所示。此外，等效FP腔中的新光轴是两个等效反射面中每个中心的连接线，传输距离等于原始传输距离除以cosαi。

[0084] 2)耦合腔中的光束传播：图5(c)描述了等效的耦合腔，其中M'i表示CERi的等效反2 2
射面。M'i具有ri和ti的振幅反射率和透射率，其中|ri| +|ti|＝1。与现有的由单个谐振腔形成的腔内激光系统不同，分离式耦合腔激光系统中自由空间腔的强反馈将被强加在主谐振腔上。因此，主谐振腔保持谐振，自由空间腔保持反谐振，自由空间谐振腔为主谐振腔提供最大的反射率。对于主谐振腔来说，在给定的迭代中，M'1上的猜测场是EA,n，然后传播到M'2上，在那里被反射和透射。此外，来自自由空间腔的光束被M'4反馈后将注入主谐振腔。同时，对于自由空间腔，M'3上的猜测场是EB,n，它也传播到M'4。部分光束通过M'4传播，形成输出光束。通过这个过程分析，利用一个光束往返传播的自洽方程，我们可以推导出两个迭代关系。通过这两个迭代关系((3)式)，可以分别找到主谐振腔和自由空间谐振腔的稳态解：

[0085]

[0086] 其中 是描述主谐振腔内往返传播的算子， 是描述自由空间谐振腔内往返传播的算子， 是描述从M'1到M'2的单向传播并通过M'2
的算子， 是描述从M'3到M'1的光束传播的算子。具体来说， 和 i
∈{1，2，3，4}分别是反射和透射算子：

[0087]

[0088] 其中虚数单位j表示镜子的反射作用。 和 分别是主谐振腔和自由空间谐振腔的传播算子，它们是旁轴衍射的解。我们用一个统一的算子 m∈{A，B}来表示相应的运算为：

[0089]

[0090] 其中Lm分别代表主腔和自由空间腔的腔长。 和 分别表示快速傅里叶变换(FFT)和快速傅里叶逆变换(IFFT)。(fx,fy)是空间频率坐标，λ是腔内激光束的波长。

[0091] 使用Fox‑Li算法对公式(3)进行迭代，EA,n(x,y)和EB,n(x,y)将都收敛到一个稳定状态。在这个状态下，腔内激光光场模拟的迭代误差(残差)已经不再发生变化。在模拟中，残差是迭代的每一步之间场值的归一化差异，对于一般的腔内光束场参数E，该残差数学上的定义为：

[0092]

[0093] 其中p，q是对应于空间网格的指数，n是模拟迭代的步数step，每个step对应于腔内激光的一个来回传播过程。

[0094] 3)增益过程模拟：上述推导重点关注在裸腔(无增益介质或无增益过程)中获得稳态模式。但增益过程模拟对于系统评估也是至关重要的。基于增益过程模拟，我们可以获得系统的输出激光功率。因此，这里，我们将增益过程模拟也纳入腔内激光光束的传播过程。对于迭代的每一步，只要通过增益介质，光束场就会被增益介质更新。将增益过程纳入速率方程后，腔内激光的光束场E在增益介质处的刷新过程被概括为：

[0095]

[0096] 其中，c0＝3×108m/s是自由空间的光速，∈0＝8.85×1012F/m是真空介电常数，lg是增益介质的长度，g0是由泵浦效率ηc、泵浦功率Pin、增益介质体积V和IS计算出的小增益系数：

[0097]

[0098] (8)式代表了进入系统的泵浦功率和腔内光束功率放大之间的关系。

[0099] 最后，光束的场分布在经历了腔内的放大和损耗后，根据表达式(6)收敛。假设M'4上的稳态光束场分布为E4(x,y)和强度分布I4(x,y)，可由公式(8)得到，我们可以通过以下表达计算M'4上的输出激光功率：

[0100]

[0101] 其中 是M'4的透射率。

[0102] 4)视场角FoV：图5(a)中CER3,CER4间腔内激光的入射角α2的最大范围(‑α2,max，α2,max)，决定了发射端的视场角FoV。另一方面，分离式耦合腔激光系统(DCCL)系统其他参数(比如反射率、腔长、增益介质特征参数等)一定的情况下，α2越大系统损耗越大(增益介质泵浦越不容易充分)，α2的最大范围(‑α2,max，α2,max)由(8)式中Pin。最大范围(‑α2,max，α2,max)可由(7),(8),(9)式联立后，寻找Pin为定值情况下，对应Pout＝0时对应的α2得到。

[0103] 分离式耦合腔激光系统的整体工作流如下：

[0104] 帮助DCCL系统适应性地感知传输通道的状态(即异物入侵检测)，在空间分离数能同传方案基础(外围腔内激光功率密度低，作为保护光场)上，将传输通道内侧的高功率密度腔内激光设计为“高‑低功率时隙切换”的运转模式。在高功率模式下，接收端与发射端处于正常的数能同传工作状态。在低功率模式下，发射端与接收端处于相互识别的握手状态下，此时发射端传送低功率腔内激光到未知的接收端，以驱动目标接收端的LCD。

[0105] 目标接收端上的LCD位于CER4回复反射器上，通过一个低功率腔内激光的通过开关，实现OOK调制。目标接收端可以发送预定义的信息(比如ID信息)到发射端，以确认发射端是否对准了获得授权的目标接收端。最后，一旦目标接收端与发射端实现握手，系统启动高功率模式。

[0106] 高功率模式下，首先进行发射端与目标接收端间的距离测定，然后利用CMOS进行到达角估计，同时发射端向目标接收端传输高功率能量。在系统的运转过程中，距离测定信息和到达角估计信息传送到感算融合单元，支持部署其中的分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型计算。感算融合单元中，利用分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型，计算腔内激光信号，可用于分析异物侵入、接收端异常工作状态等。

[0107] 本发明的分离式耦合腔激光系统包括如下几个核心子系统：分离式耦合腔激光系统、接收端能量与信息接收系统、发射端定位感知系统。

[0108] 分离式耦合腔激光系统分为由泵浦源、增益介质、回复反射器组成的主谐振腔和由回复反射器组成的自由空间谐振腔。主谐振腔位于系统的发射端，其中有两个关键设计：1)激活物质的选择，可以选择Nd:YVO4薄片增益介质，采用808nm激光泵浦系统进行激励；2)回复反射器CER2、CER3的反射率设计，需要满足系统的安全传能及感知定位要求(可利用分离式耦合腔激光系统(DCCL)分析模型计算，然后加工镀膜)。自由空间谐振腔中传能/通信/定位的载体(腔内激光)在自由空间中传播，其中一个端镜CER4集成于接收端。

[0109] 接收端主要包括能量接收机、信息接收机和计算单元。基于数能同传方案设计，能量接收机和信息接收机采用多种组合方式实现同时的能量转换和信息解码。能量接收机可以使用激光光伏电池，如Si电池或GaAs电池，针对1064nm波段可实现20％～30％的转换效率，针对800nm波段可实现50％以上的转换效率。

[0110] 信息接收机可以采用光电二极管(PD)或雪崩光电二极管(APD)，计算单元集成在接收器中用于处理接收端中的信息流。发射端定位感知系统中，基于偏振调制器、偏振分束器实现信息的调制。经过分束器后一部分光进入ToF测定模块完成距离测量，一部分光进入CMOS或CCD等感光元件，完成AoA测定与ID解调。该系统同样需要信息处理模块和感算融合单元处理信息流，支持部署的移动性安全性理论分析模型与数能同传分析模型在线计算。感算融合单元中还可针对感知到的光斑信息，部署小样本连续学习模块，用于学习真实场景中光斑的多类隐含信息，比如异物侵入、接收端异常工作状态等。

[0111] 以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。