CN103116200B - 基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统，包括窄带干涉滤光片、主动标志器、摄像装置，窄带干涉滤光片置于摄像装置的镜头前，摄像装置与成像处理设备连接，工作在近红外波段的主动标志器与摄像装置的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射窄带干涉滤光片的光束经由窄带干涉滤光片滤光后被摄像装置采集，窄带干涉滤光片的通带中心波长近似等于主动标志器的峰值波长。本发明利用窄带干涉滤光片与主动标志器建立一种连续工作模式，在经由本发明得到的图象中，主动标志器的像斑与阳光干涉区域被清晰分开，可有效消除阳光及其它杂散光带来的干扰，完成主动标志器的标志识别以及相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能。

Description

基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统

技术领域

本发明涉及一种基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统，用于针对主动标志器实现标志识别、位姿参数测量与寻的跟踪功能。

背景技术

目前，在国内外的光电敏感器、光电通信及其位姿测量与跟踪系统中，其合作目标一般都采用被动的逆向反射器，例如，美国已经进行了多次飞行演示验证（DART）中的视频导航敏感器（VGS）及其改进型号AVGS和视觉导航敏感器（VNS）等，还有正在应用的美国的轨迹控制敏感器（TCS）、日本的接近敏感器（PXS）和欧洲的视频仪（VMD）等，它们采用的都是被动的逆向反射器构成的一组合作目标。这种合作目标的工作模式大都是在跟踪飞行器上使用两种不同波长的激光束依次照射目标飞行器上的反射器，而反射器只反射其中一个波长的激光束而吸收另一个波长的激光束，对两次反射光束组合交替成像，对所成图象进行相减操作，从而抑制阳光及其它杂散光干扰，提取出反射器的像斑，进而基于一组反射器的像斑完成标志识别、相对位姿参数测量和寻的跟踪。

很显然，上述使用反射器在工作模式上存在两个问题：

一是不同波长的激光束在两次相邻照射反射器的时间段内，反射器附近的阳光及其它杂散光干扰背景不能有显著变化，若有显著变化，则不能达到消除阳光和其他杂散光干扰的要求。在上述应用中，帧速最大只有5Hz，帧间间隔大于200ms，尽管激光照射功率很高（VGS：450W，AVGS：150W），但其辐射强度还是难以与阳光照射的强度相比，不能保障满足上述消除杂散光干扰的要求。

二是与主动标志器所成像斑比较，反射器所成像斑质量较差，难以保证均匀性和对称性的要求，不能保证较高的测量精度，在残留干扰严重的情况下，甚至产生严重错误。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统，该适配系统可有效地消除阳光及其它杂散光带来的干扰，完成主动标志器的标志识别以及相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能。

为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统，其特征在于：它包括窄带干涉滤光片、主动标志器、摄像装置，该窄带干涉滤光片置于该摄像装置的镜头前，该摄像装置与成像处理设备连接，工作在近红外波段的该主动标志器与该摄像装置的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射该窄带干涉滤光片的光束经由该窄带干涉滤光片滤光后被该摄像装置采集，其中：该窄带干涉滤光片的通带中心波长近似等于该主动标志器的峰值波长；该窄带干涉滤光片包括由石英玻璃材料制成的基片，在该基片的上、下表面上分别镀制主峰膜系、截次峰膜系，其中：该主峰膜系为四半波膜系，该主峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该主峰膜系由至少48层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至1.5之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至3.0之间；该截次峰膜系为截次峰膜堆，该截次峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该截次峰膜系由至少118层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.2至2.0之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.1至2.0之间。

在所述窄带干涉滤光片的四周侧壁上涂敷黑色消光漆。

所述主动标志器朝向所述窄带干涉滤光片辐射呈圆锥形的近红外光，所述主动标志器为至少三个近场主动标志器和/或至少三个远场主动标志器。

当考虑所述窄带干涉滤光片的斜入射漂移和所述主动标志器的温度效应因素影响时，在所述主动标志器的发光器件处于室温及令光束准直入射窄带干涉滤光片的工作面的情况下，根据下式对所述窄带干涉滤光片的通带中心波长进行斜入射补偿，

${\mathrm{\λ}}_{00}=\frac{{2\mathrm{\λ}}_{p0}+T_{{\mathrm{K\λ}}_p}\×(T_{\max }+T_{\min }-{2T}_0)}{1+\sqrt{1-{(1-\frac{n_0\sin {\mathrm{\θ}}_{\max }}{e})}^2}}$

在上式中，T_max为温度上限，T_min为温度下限，T₀为室温，n₀为所述窄带干涉滤光片的基片的折射率，e为与所述窄带干涉滤光片的膜层材料和膜系相关的参数，n_H>e>n_L，n_H为所述主峰膜系、截次峰膜系中的五氧化二铌膜层的折射率，n_L为所述主峰膜系、截次峰膜系中的二氧化硅膜层的折射率，θ_max为倾斜入射所述窄带干涉滤光片的工作面的光束的最大斜入射角，T_Kλp为所述主动标志器的发光器件的温度系数，λ₀₀为光束准直入射所述窄带干涉滤光片的工作面时所述窄带干涉滤光片的通带中心波长，λ_p0为所述主动标志器在室温时的峰值波长。

本发明的优点是：

基于通过阳光效应分析而得到的反干扰措施，本发明利用窄带干涉滤光片与主动标志器建立一种连续工作模式，在该模式中，窄带干涉滤光片具有逼近矩形的窄通带且窄带干涉滤光片的通带适配于该主动标志器的光谱特性，通带透过率高，止带覆盖该摄像装置的光谱敏感波段范围且截止深，而主动标志器以较小的辐射功率（例如，远场主动标志器：390～460mW，近场主动标志器：30～40mW）、较大的作用范围（例如，远场主动标志器：>（150m，±24°），近场主动标志器：>（30m，±24°））工作在近红外波段。只要该主动标志器与该摄像装置的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射该窄带干涉滤光片的光束经由该窄带干涉滤光片滤光后被该摄像装置采集，本发明的成像数据率便不受主动标志器工作方式的约束，工作环境不受有无阳光的约束，经由本发明得到的图象质量好，单峰、均匀、对称，且信杂比很高，并且在经由本发明得到的图象中，主动标志器的像斑与阳光干涉区域被清晰分开，可有效消除阳光及其它杂散光带来的干扰，完成主动标志器的标志识别以及相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能，且本发明探测距离远、范围大、精度高，可广泛应用于光电敏感器、光电通信系统中。需要说明的是，为了同时完成标志的准确识别、相对位姿参数的精确测量和寻的跟踪，主动标志器应为至少三个近场主动标志器和/或至少三个远场主动标志器，对所使用的主动标志器，应力求建立固有某些不变特征的立体布局，在仅使用三个近场主动标志器或三个远场主动标志器时，不应设置在一条直线上，近、远场主动标志器的数量及具体布局形式视测量精度要求和应用布局环境而定。

附图说明

图1是本发明适配系统的组成示意图；

图2是窄带干涉滤光片的组成示意图；

图3是窄带干涉滤光片第一实施例的主峰膜系的光学透过率特性曲线图；

图4是窄带干涉滤光片第一实施例的截次峰膜系的光学透过率特性曲线图；

图5是窄带干涉滤光片第一实施例的光学透过率特性曲线图；

图6是主动标志器的辐射光谱曲线示意图；

图7是光束斜入射时窄带干涉滤光片通带中心波长向短处漂移的曲线图；

图8是温度上限时主动标志器的光谱曲线图与光束准直、斜入射时窄带干涉滤光片的通带透过率曲线图；

图9是温度下限时主动标志器的光谱曲线图与光束准直、斜入射时窄带干涉滤光片的通带透过率曲线图；

图10是阳光光束以3.6°斜入射窄带干涉滤光片时，成像处理设备处理后得到的图象；

图11是阳光光束入射窄带干涉滤光片的斜入射角大于摄像装置的视场角时，成像处理设备处理后得到的图象。

具体实施方式

如图1，本发明基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统包括窄带干涉滤光片200、主动标志器100、摄像装置300，该窄带干涉滤光片200置于该摄像装置300的镜头前，该摄像装置300与成像处理设备400连接，工作在近红外波段的该主动标志器100与该摄像装置300的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射该窄带干涉滤光片200的光束（指主动标志器100辐射的近红外光光束以及阳光等杂散光辐射的光束）经由该窄带干涉滤光片200滤光后被该摄像装置300采集，其中：该窄带干涉滤光片200的通带中心波长与该主动标志器100的峰值波长相适配，即该窄带干涉滤光片200的通带中心波长近似等于该主动标志器100的峰值波长。

基于上述这种适配模式，本发明即可实现消除阳光及其它杂散光对主动标志器100识别带来的干扰问题，可精确地对主动标志器100进行识别。

在本发明中，如图2，窄带干涉滤光片200包括由石英玻璃（JGS1）材料制成的基片210，在该基片210的上、下表面上分别镀制主峰膜系220、截次峰膜系230，其中：该主峰膜系220为四半波膜系，该四半波膜系是指采用四个谐振腔串联的膜系，可改善窄带干涉滤光片的矩形系数和止带截止深度；该截次峰膜系230为截次峰膜堆，该截次峰膜堆是指截止的膜系形成的周期结构。

该主峰膜系220为低折射率的二氧化硅膜层（由SiO₂材料制成）、高折射率的五氧化二铌膜层（由Nb₂O₅材料制成）交替层叠而成，主峰膜系220由至少48层膜层构成，且在主峰膜系220中，距离基片210最近的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，距离基片210最远的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，每层该二氧化硅膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.5至1.5之间，例如比值可取0.5、1.0、1.5，每层该五氧化二铌膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.5至3.0之间，例如比值可取0.5、2.0、3.0。在实际设计中，主峰膜系220的各层二氧化硅膜层的层厚可各不相同，各层五氧化二铌膜层的层厚可各不相同，可通过相应算法对主峰膜系220的各层二氧化硅膜层的层厚以及各层五氧化二铌膜层的层厚进行进一步地厚度优化，以更好地消除通带波纹，使矩形系数小于等于1.5。

该截次峰膜系230为低折射率的二氧化硅膜层、高折射率的五氧化二铌膜层交替层叠而成，截次峰膜系230由至少118层膜层构成，且在截次峰膜系230中，距离基片210最近的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，距离基片210最远的膜层为二氧化硅膜层或五氧化二铌膜层，每层该二氧化硅膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.2至2.0之间，例如比值可取0.2、1.0、2.0，每层该五氧化二铌膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长（λ₀/4）的比值介于0.1至2.0之间，例如比值可取0.1、1.0、2.0。在实际设计中，截次峰膜系230的各层二氧化硅膜层的层厚可各不相同，各层五氧化二铌膜层的层厚可各不相同，可通过相应算法对截次峰膜系230的各层二氧化硅膜层的层厚以及各层五氧化二铌膜层的层厚进行进一步地厚度优化，以消除透射区和截止区高透射率尖峰，使止带截止深度在0.01%以下，透射区的透过率大于95%。

而在实际中，窄带干涉滤光片200的通带中心波长λ₀一般在780nm～1100nm范围内。

本发明中的窄带干涉滤光片选用了Nb₂O₅材料，虽然TiO₂材料的折射率比Nb₂O₅更高，但是，TiO₂材料的化学稳定性较差，在强辐照条件下，其折射率会发生变化，不能直接用于航天等对稳定性要求高的空间环境中，因而采用了Nb₂O₅材料。而Nb₂O₅与SiO₂这两种材料的折射率差大，且它们的化学稳定性和辐照稳定性都很好，所以选用了这两种材料交替层叠的结构设计。而这种交替层叠的结构设计可以有效地降低斜入射时的角度效应，保证波长位置、矩形系数和透过率。

在实际设计中，对基片210的厚度没有限制，一般为毫米量级，如在0.3mm～5mm范围内，应根据实际应用条件来确定。基片210的上、下表面在分别镀制主峰膜系220、截次峰膜系230之前，基片210应进行抛光处理。

在实际设计中，主峰膜系220、截次峰膜系230的镀制优选采用离子源镀膜工艺（此工艺为公知技术，但工艺中的参数是通过大量实验总结得到的，需要花费创造性的劳动），从而保证五氧化二铌膜层的吸收性和二氧化硅膜层的致密度，保障二氧化硅膜层与五氧化二铌膜层交替层叠后的应力，实现窄带干涉滤光片200通带中心波长无漂移，长期的高稳定性和高可靠性。在离子源镀膜工艺中，使用的烘烤温度为200℃～300℃，离子源的参数为：阳极电压220～270V，阳极电流5～8A，以使得窄带干涉滤光片200的通带中心波长漂移可减小到1nm以下。通过对二氧化硅膜层和五氧化二铌膜层的修正板调整，可使通带中心波长的均匀性在1nm以内。另外，二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层之间优选采用离子辅助沉积技术（公知技术）实现结合，离子辅助沉积技术可大大提高膜层间的结合力，使膜层的牢固度大大提高。

为了防止光谱的散射，在窄带干涉滤光片200的四周侧壁（非工作面）上应涂敷黑色消光漆（例如采用S956消光漆）240，该消光漆240通过环氧树脂胶（例如采用环氧树脂胶E51（618））与窄带干涉滤光片200的四周侧壁粘接。当消光漆240涂覆上后，在120℃的温度下进行60分钟的固化，以解决消光漆240与基片210结合力不强的问题。另外，可保证窄带干涉滤光片200的四周侧壁不会有杂散光进入，提高滤光片的滤光效果。

综上，通过大量实验证实，窄带干涉滤光片200的光学性能好，具有通带透过率高（T_ou≥95%）、止带截止深（止带截止深度J_s小于0.01%）、通带逼近矩形（通带矩形系数μ_ju≤1.5）、斜入射漂移小（通带中心波长λ₀的漂移不大于12nm）等优点，且稳定性高，可靠性高。

窄带干涉滤光片举例：

窄带干涉滤光片第一实施例由基片以及镀制在该基片上、下表面上的主峰膜系、截次峰膜系构成，其中：

对于主峰膜系，从距离基片最近的膜层开始，主峰膜系的各膜层为：

0.947L；0.801H；0.967L；0.974H；0.976L；2.004H；1.016L；1.065H；1.092L；1.081H；1.023L；0.849H；0.828L；0.783H；0.933L；0.944H；1.011L；2.081H；1.019L；1.012H；0.999L；0.984H；1.028L；1.096H；1.068L；1.009H；1.019L；0.994H；1.003L；1.999H；1.005L；1.014H；1.009L；0.974H；0.925L；0.673H；1.049L；1.072H；1.048L；0.994H；0.991L；1.943H；0.998L；1.047H；1.043L；1.154H；1.205L；0.86H；1.074L，其中：

L代表二氧化硅膜层，H代表五氧化二铌膜层，H前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，同样，L前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，例如，0.947L表示该膜层为二氧化硅膜层，该膜层的层厚为λ₀/4乘以0.947，λ₀为窄带干涉滤光片将要得到的通带中心波长。

通过上述的结构设计，主峰膜系的通带透过率可达到95%以上，通带矩形系数小于1.5，在±12°斜入射时，通带中心波长λ₀的漂移小于7nm，主峰膜系的光学透过率特性如图3所示。

对于截次峰膜系，从距离基片最近的膜层开始，截次峰膜系的各膜层为：

1.027L；0.481H；1.671L；0.190H；1.576L；0.617H；1.156L；1.246H；0.838L；1.042H；0.777L；1.186H；1.033L；0.948H；0.945L；1.257H；1.152L；0.81H；0.678L；1.195H；1.470L；1.086H；0.663L；1.235H；0.841L；1.011H；1.035L；1.038H；1.033L；0.916H；0.919L；1.083H；0.897L；1.074H；0.749L；1.188H；0.779L；1.001H；0.655L；0.798H；0.794L；0.690H；0.783L；0.956H；0.828L；1.034H；0.836L；0.712H；0.833L；0.855H；0.668L；0.752H；0.939L；0.810H；0.829L；0.723H；0.688L；0.749H；0.804L；0.794H；0.886L；0.717H；0.619L；0.534H；0.685L；0.774H；0.806L；0.968H；0.595L；0.525H；0.612L；0.578H；0.588L；0.583H；0.643L；0.610H；0.614L；0.402H；0.437L；0.588H；0.667L；0.551H；0.536L；0.561H；0.593L；0.536H；0.581L；0.717H；0.775L；0.575H；0.526L；0.593H；0.790L；0.735H；0.616L；0.833H；0.508L；0.520H；0.613L；0.547H；0.555L；0.729H；0.642L；0.507H；0.372L；0.437H；0.445L；0.305H；0.570L；0.595H；0.357L；0.264H；0.476L；0.43H；0.578L；0.525H；0.491L；0.460H；1.088L，其中：

L代表二氧化硅膜层，H代表五氧化二铌膜层，H前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，同样，L前的数字是指该膜层的层厚与窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值，例如，0.481H表示该膜层为五氧化二铌膜层，该膜层的层厚为λ₀/4乘以0.481，λ₀为窄带干涉滤光片将要得到的通带中心波长。

通过上述的结构设计，截次峰膜系的通带透过率可达到95%以上，止带截止深度J_s小于0.01%，止带区域在200nm～850nm之内，截次峰膜系的光学透过率特性曲线如图4所示。

而通过上述对主峰膜系和截次峰膜系的设计，窄带干涉滤光片第一实施例的光学透过率特性曲线如图5所示（图5中窄带干涉滤光片的通带透过率λ₀=943nm），得到如下主要特性：

1、通带透过率T_ou（即通带中心波长透光率）高，实际可达到T_ou≥92%。在实际中应尽量提高T_ou，以便减少接收光束能量的损失，提高接收信杂比。

2、通带宽度Δλ_0.5（即50%T_ou带宽）为23nm～28nm。反阳光效应的理论分析和实验结果表明，为了有利于提高接收信杂比，同时考虑实现可能性，窄带干涉滤光片的Δλ_0.5应尽可能窄，要求Δλ_0.5应接近20nm，可根据应用要求进行调整。

3、通带矩形系数μ_ju为1.3～1.5。通带的矩形系数μ_ju定义为Δλ_0.1与Δλ_0.9的比值，Δλ_0.9为90%T_ou带宽，Δλ_0.1为10%T_ou带宽，为了有利于提高接收信杂比，Δλ_0.9应尽量宽，Δλ_0.1应尽量窄。显然，μ_ju＞1.0，μ_ju越接近1，通带越接近矩形，效果就越好。

4、止带谱段：要求截止宽度大于接收设备响应波段范围，例如，若使用一种CCD摄像机时，则为200nm～1100nm，其中通带除外。

5、止带截止深度J_s小于0.06%。止带截止深度Js直接影响对阳光及其它杂散光的抑制程度，截止越深，干扰抑制越干净，所以应尽量减小止带截止深度，以便很好地抑制干扰，有利于提高接收信杂比。

6、在光束斜入射（如斜入射角在0°～16°内变化）时，通带中心波长λ₀的漂移不大于8nm～12nm。为了有利于保持与入射光谱的最佳适配，应尽量减少斜入射时通带中心波长λ₀的漂移。

7、精度高，均匀性好，稳定性强。通带中心波长λ₀和通带宽度Δλ_0.5的精度为±1nm，在有效透过平面区域范围内，各点的通带中心波长偏差|Δλ₀|≤1nm，通带透过率偏差|ΔT_ou|≤3%，实验表明，在6个月内，通带中心波长偏差|Δλ₀|≤1nm，通带透过率偏差|ΔT_ou|≤3%，稳定性好。

在本发明中，主动标志器100朝向窄带干涉滤光片200辐射呈圆锥形的近红外光，主动标志器100可选用近场主动标志器或远场主动标志器，其中：该近场主动标志器可选用专利号为200810102001.1的中国发明专利“合作目标标志器”中公开的合作目标标志器，该近场主动标志器与摄像装置300的镜头相距的距离为≤50米；该远场主动标志器可选用专利号为200920244346.0的中国实用新型专利“远场目标标志器”中公开的远场目标标志器，该远场主动标志器与摄像装置300的镜头相距的距离为≤200米。

需要说明的是，为了同时完成标志的准确识别、相对位姿参数的精确测量和寻的跟踪，应由至少三个近场主动标志器和/或至少三个远场主动标志器建立一种立体布局，对所使用的主动标志器，应力求建立固有某些不变特征的立体布局，在仅使用三个近场主动标志器或三个远场主动标志器时，不应设置在一条直线上，近、远场主动标志器的数量及具体布局形式视测量精度要求和应用布局环境而定。

上述近、远场主动标志器的辐射光谱曲线如图6所示，其光谱在峰值波长λ_p1附近变化平缓，相对光谱强度均接近100%，而辐射波束单峰、均匀、对称，并且在有效圆锥角内集中了大部分的能量。可见，上述近、远场主动标志器成像的像斑质量好，有利于质心的精确确定，可提高识别和测量的精度。而本发明适配系统正是需要具有这种辐射特性的近、远场主动标志器。

在本发明中，主动标志器100可工作在室内、室外、白天或夜晚等多种不同的环境中，主动标志器能主动地辐射一定波段的光能，只需单程光程，与需要双倍光程的被动标志器相比，主动标志器损耗小、作用距离远、范围大、功率负荷较轻。

但是，主动标志器100的辐射功率是有限的，无法与阳光辐射强度相比，因此，为了使本发明可在具有阳光等杂散光干扰的背景中正常工作，必须令本发明不能工作在阳光强光谱的可见光波段，偏离可见光波段越远，越有利于消除阳光及其它杂散光的干扰，因此，在使用CCD摄像机的情况下，本发明选择近红外工作波段，即令主动标志器100辐射近红外光。

需要说明的是，窄带干涉滤光片200的光学特性由制作其主峰膜系、截次峰膜系时所使用的材料、层数、各膜层层厚等因素决定，而主动标志器100的峰值波长由制作其时所使用的发光器件的辐射性能等因素决定。在本发明中，根据峰值波长的要求来制作相应的主动标志器为公知技术。

实验表明，上述窄带干涉滤光片200和主动标志器100能很好地满足本发明所建适配系统的要求，但是为了解决消除阳光及其它杂散光干扰的问题，为了将主动标志器100应用于具有阳光等杂散光干扰的背景中，基于上述窄带干涉滤光片200、主动标志器100的设计，本发明对窄带干涉滤光片200与主动标志器100间的适配问题进行了如下设计：鉴于窄带干涉滤光片200通带很窄，而主动标志器100辐射光谱偏离峰值波长渐远时，其强度逐渐下降，为了使本发明正常工作，必须解决两者光谱特性的适配问题。因此，在本发明中，令该窄带干涉滤光片200的通带中心波长与该主动标志器100的峰值波长相适配，即该窄带干涉滤光片200的通带中心波长λ₀近似等于该主动标志器100的峰值波长λ_p。

而在不考虑环境因素影响的理想条件下，令窄带干涉滤光片200的通带中心波长λ₀等于主动标志器100的峰值波长λ_p即可实现消除阳光及其它杂散光对主动标志器带来的干扰问题，可精确地对主动标志器进行识别。

一般情况，上述的通带中心波长λ₀是指光束（所有入射窄带干涉滤光片的光束）准直入射窄带干涉滤光片200的工作面时窄带干涉滤光片200的通带中心波长，上述的峰值波长λ_p是指室温时主动标志器100的峰值波长。

但是，实际使用中存在下列情形：

第一，窄带干涉滤光片200的通带在光束斜入射时向短处漂移，斜入射角越大，漂移越大；

第二，窄带干涉滤光片200的通带中心波长和主动标志器100的峰值波长都具有温度效应。

因此，使窄带干涉滤光片200与主动标志器100在强阳光、温度和相对位姿关系等变化的环境条件中保持相互适配是很困难的。

在实际设计中，本发明考虑了上述斜入射漂移和温度效应两个主要情形。

关于斜入射漂移：

对于上述窄带干涉滤光片200，在光束为平行光束的条件下，令λ_θ表示光束（指主动标志器100辐射的近红外光光束以及阳光等杂散光辐射的光束）倾斜入射窄带干涉滤光片200的工作面、斜入射角为θ（斜入射角θ为光束与窄带干涉滤光片200的工作面法线的夹角，0<θ<90°）时窄带干涉滤光片200的通带中心波长，λ₀₀表示光束（指主动标志器100辐射的近红外光光束以及阳光等杂散光辐射的光束）准直入射窄带干涉滤光片200的工作面（θ=0°）时窄带干涉滤光片200的通带中心波长，则λ_θ与λ₀₀之间应满足如下公式1）：

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{\&theta;}}={\mathrm{\&lambda;}}_{00}{(1-(n_0^2/e^2){\sin }^2\mathrm{\&theta;})}^{1/2}---1)$

式1）中，n₀为基片的折射率，e为与窄带干涉滤光片的膜层材料和膜系相关的参数，n_H>e>n_L，n_H为五氧化二铌膜层的折射率，n_L为二氧化硅膜层的折射率。

举例：使用石英玻璃制作基片，n₀=1.45，令e分别取2.40、2.45、2.50，在不同的斜入射角θ下，窄带干涉滤光片的通带中心波长向短处漂移结果如图7所示，图7中的横坐标为斜入射角θ，纵坐标为窄带干涉滤光片的通带中心波长向短处的漂移量（单位nm）。从图7中可见，当入射光束的最大斜入射角θ=14°时，窄带干涉滤光片的通带中心波长向短处漂移为10nm左右。

关于温度效应：

窄带干涉滤光片200的通带中心波长和主动标志器100的峰值波长均具有正的温度系数，两者对适配的影响具有互补作用。但是，窄带干涉滤光片200的温度系数很小，可以忽略不计，而主动标志器100的温度系数较大，不能忽略。所以，在考虑适配问题时，本发明只考虑主动标志器峰值波长的温度效应问题。

主动标志器的峰值波长的温度效应取决于其发光器件的温度系数T_Kλp。令主动标志器的峰值波长在室温T₀（一般为25摄氏度）时为λ_p0，在温度T时为λ_pT，则存在如下公式2）

${\mathrm{\&lambda;}}_{\mathrm{pT}}={\mathrm{\&lambda;}}_{p0}+T_{K_{\mathrm{\&lambda;p}}}\&times;\left({T-T}_0\right)---2)$

窄带干涉滤光片200与主动标志器100的适配就是使窄带干涉滤光片的通带中心波长与主动标志器的峰值波长在工作过程中尽可能接近，越接近，适配越好。

在高温情况下，随着环境温度T升高，由于温度效应，主动标志器的峰值波长向长处漂移，在温度上限T_max时，令主动标志器的峰值波长为λ_pTmax，而窄带干涉滤光片在斜入射角θ变大时，其通带中心波长向短处漂移，在最大斜入射角θ_max时，令窄带干涉滤光片的通带中心波长为λ_θmax。也就是说，在高温情况下，偏移量λ_pTmax-λ_θmax最大。

在低温情况下，随着环境温度T降低，由于温度效应，主动标志器的峰值波长向短处漂移，在温度下限T_min时，令主动标志器的峰值波长为λ_pTmin，而窄带干涉滤光片在准直入射（θ=0°）时，其通带中心波长λ₀₀与λ_pTmin偏离最大。也就是说，在低温情况下，偏移量λ₀₀-λ_pTmin最大。

因此，令高温和低温两种情况下的两个最大偏移量接近相等，从而得到最佳适配，即令

λ_pTmax-λ_θmax≈λ₀₀-λ_pTmin        3）

根据式1）～3）得到，窄带干涉滤光片的通带中心波长λ₀₀与室温情况下主动标志器的峰值波长λ_p0之间的关系为下式4）：

${\mathrm{\&lambda;}}_{00}=\frac{{2\mathrm{\&lambda;}}_{p0}+T_{{\mathrm{K\&lambda;}}_p}\&times;(T_{\max }+T_{\min }-{2T}_0)}{1+\sqrt{1-{(1-\frac{n_0\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{e})}^2}}---4)$

也就是说，根据上式4）可以得到光束（指主动标志器辐射的近红外光光束以及阳光等杂散光辐射的光束）准直入射窄带干涉滤光片的工作面（θ=0°）时窄带干涉滤光片的通带中心波长λ₀₀与室温时主动标志器的峰值波长λ_p0之间的关系。换句话说，在适配操作中，当考虑斜入射漂移（指窄带干涉滤光片的斜入射漂移）和温度效应（指主动标志器的温度效应）因素影响时，在处于室温及光束（指主动标志器辐射的近红外光光束以及阳光等杂散光辐射的光束）准直入射窄带干涉滤光片的工作面（θ=0°）的情况下，应根据上式4）对窄带干涉滤光片的通带中心波长进行斜入射补偿。在实际中，根据公式4）对主动标志器与窄带干涉滤光片进行相应适配操作，即可保证在环境条件变化的情况下，两者可保持相适配的最佳工作状态。

为了便于理解，举例说明上述式4）的使用。

假定主动标志器所用发光器件的温度系数T_Kλp=0.17nm/K，其所处局部空间环境的温度范围为-10℃～40℃，设定室温为25℃，取n₀=1.45，e为2.50。根据式2），高温上限时，温度升高15℃，则主动标志器的峰值波长增加2.55nm。而低温下限时，温度降低35℃，则主动标志器的峰值波长减少5.95nm，即得到如下式5）-6）：

λ_pTmax=λ_p0+2.55        5）

λ_pTmin=λ_p0-5.95        6）

在最大斜入射角θ_max=14°的情况下，根据式4），得到下式7）：

λ₀₀≈λ_p0+3.3        7）

也就是说，在适配操作中，当考虑窄带干涉滤光片的斜入射漂移和主动标志器的温度效应因素影响时，在室温及窄带干涉滤光片准直入射情况下，应对窄带干涉滤光片的通带中心波长进行斜入射补偿，补偿量为+3.3nm。实验表明，利用式7）进行适配操作可得到最佳效果。

需要提及的是，在实际中，设定入射至窄带干涉滤光片的工作面的斜入射角介于0°至最大斜入射角θ_max。

按照本发明建立的适配系统，如果室温时主动标志器的峰值波长λ_p0=941nm，其所用发光器件的温度系数T_Kλp=0.17nm/K，其所处局部空间环境的温度范围为-10℃～40℃，光束入射窄带干涉滤光片工作面的最大斜入射角θ_max=14°。那么，为了得到最佳适配，根据式7），得到λ₀₀=944.3nm。

如图8和图9，图8、图9分别给出了主动标志器内部发光器件局部空间环境在温度上限40℃、温度下限-10℃两种情况下主动标志器的光谱曲线图，同时，图8、图9中还分别给出了适配的窄带干涉滤光片在光束准直入射（θ=0°）和最大斜入射角θ=14°两种极端情况的通带位置。在图8、图9中，实线曲线为主动标志器的光谱曲线，虚线曲线为光束准直入射情况下窄带干涉滤光片的通带透过率曲线，点划线曲线为光束以最大斜入射角θ=14°斜入射情况下窄带干涉滤光片的通带透过率曲线。

图8和图9中包含四种极端情况：

第一，主动标志器发光器件局部空间环境温度为40℃，而光束准直入射窄带干涉滤光片；

第二，主动标志器发光器件局部空间环境温度为40℃，而光束以最大斜入射角14°斜入射窄带干涉滤光片；

第三，主动标志器发光器件局部空间环境温度为-10℃，而光束准直入射窄带干涉滤光片；

第四，主动标志器发光器件局部空间环境温度为-10℃，而光束以斜入射角14°斜入射窄带干涉滤光片。

在图8中，主动标志器处于高温工作状态，其发光器件局部空间环境温度上升到40℃，其光谱曲线中峰值波长约为941+2.55=943.55nm，谱线宽度约为50nm。而假设窄带干涉滤光片的通带宽度为24nm，准直入射时保持室温时的通带不漂移，所以窄带干涉滤光片的中心波长仍然为944.3nm，而以斜入射角θ=14°斜入射时的通带向短处漂移约10nm。由图8可见，在主动标志器处于高温工作状态时，窄带干涉滤光片的通带中心波长适配于主动标志器的光谱曲线中A点至B点之间，处于其谱线宽度中部较高范围内，窄带干涉滤光片的通带中心波长与主动标志器峰值波长的最大偏移仅有9.25nm，即整个工作过程中，窄带干涉滤光片的通带中心波长接近主动标志器峰值波长（近似相等），可保持最佳适配。

在图9中，主动标志器处于低温工作状态，其发光器件局部空间环境温度下降到-10℃，其光谱曲线中峰值波长约为941-5.95=935.05nm，谱线宽度约为50nm。而假设窄带干涉滤光片的通带宽度为24nm，准直入射时保持室温时的通带不漂移，所以窄带干涉滤光片的中心波长仍然为944.3nm，而以斜入射角θ=14°斜入射时的通带向短处漂移约10nm。由图9可见，在主动标志器处于低温工作状态时，窄带干涉滤光片的通带中心波长适配于主动标志器的光谱曲线中C点至D点之间，仍然处于其谱线宽度中部较高范围内，窄带干涉滤光片的通带中心波长与主动标志器峰值波长的最大偏移仅有9.25nm，即整个工作过程中，窄带干涉滤光片的通带中心波长接近主动标志器峰值波长（近似相等），可保持最佳适配。

因此，从图8和图9所示曲线可以得出，当考虑到窄带干涉滤光片的斜入射漂移和主动标志器的温度效应因素影响时，在室温及窄带干涉滤光片准直入射情况下根据式4）对窄带干涉滤光片的通带中心波长进行斜入射补偿后，可以得到主动标志器与窄带干涉滤光片的最佳适配状态。

在使用前，根据所需考虑的影响因素，对窄带干涉滤光片的通带中心波长与主动标志器的峰值波长之间进行适配计算，如进行斜入射补偿，以最终确定好所使用的窄带干涉滤光片和主动标志器。使用时，窄带干涉滤光片200置于摄像装置300的镜头前，主动标志器100辐射近红外光波，入射窄带干涉滤光片200的光束经由窄带干涉滤光片200过滤，然后被摄像装置300采集，传送至成像处理设备400，成像处理设备400对传送来的光信号进行光电转换、标志识别等处理（公知技术），在处理后得到的图象中，主动标志器100与其它发光物体被清晰区分开，消除了阳光及其它杂散光对主动标志器100带来的干扰，准确识别出了主动标志器100。

从实验可以看出，若不使用本发明，则成像处理设备400处理后得到的图象为白茫茫一片，根本无法进行主动标志器的识别。

若使用本发明，则在成像处理设备400处理后得到的图象中，主动标志器与其它发光物体被清晰区分开，消除了阳光及其它杂散光对主动标志器带来的干扰，可准确识别出主动标志器。

例如，主动标志器处于阳光背景中，令阳光光束以3.6°的斜入射角（最小临界入射角）入射窄带干涉滤光片，则成像处理设备400处理后得到的图象如图10所示。在图10中，较大白色区域为阳光干涉区域，其被限制在一个较小的局部区域内，大约为整个视场区域的二十分之一，图10中的较小白色区域为主动标志器（在这里，为了清晰表示本发明效果，此处的主动标志器仅由一个远场或近场主动标志器组成）的像斑。实验表明，只要主动标志器辐射的光束的入射角偏离一定的角度，就可使主动标志器的像斑与阳光干涉区域区分开。并且实验还表明，3.6°是使用本发明后能够分辨主动标志器像斑所允许的阳光最小临界入射角。

而当阳光光束入射窄带干涉滤光片的斜入射角大于摄像装置的视场角时，阳光的干扰可以被完全消除，如图11所示，图11中的白色区域为主动标志器（在这里，为了清晰表示本发明效果，此处的主动标志器仅由一个远场或近场主动标志器组成）的像斑。

而在夜间时，本发明可以完全消除月光和星光的干扰，在成像处理设备400处理后得到的图象中只保留主动标志器的像斑。

在本发明中，摄像装置、成像处理设备为公知设备，其具体构成不在这里描述。

本发明的优点是：

基于通过阳光效应分析而得到的反干扰措施，本发明利用窄带干涉滤光片与主动标志器建立一种连续工作模式，在该模式中，窄带干涉滤光片具有逼近矩形的窄通带且窄带干涉滤光片的通带适配于该主动标志器的光谱特性，通带透过率高，止带覆盖该摄像装置的光谱敏感波段范围且截止深，而主动标志器以较小的辐射功率（例如，远场主动标志器：390～460mW，近场主动标志器：30～40mW）、较大的作用范围（例如，远场主动标志器：>（150m，±24°），近场主动标志器：>（30m，±24°））工作在近红外波段。只要该主动标志器与该摄像装置的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射该窄带干涉滤光片的光束经由该窄带干涉滤光片滤光后被该摄像装置采集，本发明的成像数据率便不受主动标志器工作方式的约束，工作环境不受有无阳光的约束，经由本发明得到的图象质量好，单峰、均匀、对称，且信杂比很高，并且在经由本发明得到的图象中，主动标志器的像斑与阳光干涉区域被清晰分开，可有效消除阳光及其它杂散光带来的干扰，完成主动标志器的标志识别以及相对位姿参数测量、寻的跟踪等功能，且本发明探测距离远、范围大、精度高，可广泛应用于光电敏感器、光电通信系统中。需要说明的是，为了同时完成标志的准确识别、相对位姿参数的精确测量和寻的跟踪，主动标志器应为至少三个近场主动标志器和/或至少三个远场主动标志器，对所使用的主动标志器，应力求建立固有某些不变特征的立体布局，在仅使用三个近场主动标志器或三个远场主动标志器时，不应设置在一条直线上，近、远场主动标志器的数量及具体布局形式视测量精度要求和应用布局环境而定。

上述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于窄带干涉滤光片和主动标志器实现的适配系统，其特征在于：它包括窄带干涉滤光片、主动标志器、摄像装置，该窄带干涉滤光片置于该摄像装置的镜头前，该摄像装置与成像处理设备连接，工作在近红外波段的该主动标志器与该摄像装置的镜头相距的距离处于设定距离范围内，入射该窄带干涉滤光片的光束经由该窄带干涉滤光片滤光后被该摄像装置采集，其中：

该窄带干涉滤光片的通带中心波长近似等于该主动标志器的峰值波长；

该窄带干涉滤光片包括由石英玻璃材料制成的基片，在该基片的上、下表面上分别镀制主峰膜系、截次峰膜系，其中：该主峰膜系为四半波膜系，该主峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该主峰膜系由至少48层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至1.5之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.5至3.0之间；该截次峰膜系为截次峰膜堆，该截次峰膜系为二氧化硅膜层、五氧化二铌膜层交替层叠而成，该截次峰膜系由至少118层膜层构成，每层该二氧化硅膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.2至2.0之间，每层该五氧化二铌膜层的层厚与该窄带干涉滤光片四分之一通带中心波长的比值介于0.1至2.0之间。

2.如权利要求1所述的适配系统，其特征在于：

在所述窄带干涉滤光片的四周侧壁上涂敷黑色消光漆。

3.如权利要求1所述的适配系统，其特征在于：

所述主动标志器朝向所述窄带干涉滤光片辐射呈圆锥形的近红外光，所述主动标志器为至少三个近场主动标志器和/或至少三个远场主动标志器。

4.如权利要求1所述的适配系统，其特征在于：

当考虑所述窄带干涉滤光片的斜入射漂移和所述主动标志器的温度效应因素影响时，在所述主动标志器的发光器件处于室温及令光束准直入射窄带干涉滤光片的工作面的情况下，根据下式对所述窄带干涉滤光片的通带中心波长进行斜入射补偿，

${\mathrm{\&lambda;}}_{00}=\frac{{2\mathrm{\&lambda;}}_{p0}+T_{K{\mathrm{\&lambda;}}_P}\&times;(T_{\max }+T_{\min }-{2T}_0)}{1+\sqrt{1-{\left(\frac{n_0\sin {\mathrm{\&theta;}}_{\max }}{e}\right)}^2}}$

在上式中，T_max为温度上限，T_min为温度下限，T₀为室温，n₀为所述窄带干涉滤光片的基片的折射率，e为与所述窄带干涉滤光片的膜层材料和膜系相关的参数，n_H>e>n_L，n_H为所述主峰膜系、截次峰膜系中的五氧化二铌膜层的折射率，n_L为所述主峰膜系、截次峰膜系中的二氧化硅膜层的折射率，θ_max为倾斜入射所述窄带干涉滤光片的工作面的光束的最大斜入射角，T_Kλp为所述主动标志器的发光器件的温度系数，λ₀₀为光束准直入射所述窄带干涉滤光片的工作面时所述窄带干涉滤光片的通带中心波长，λ_p0为所述主动标志器在室温时的峰值波长。

Images