CN101399610B - 一种大气激光通信系统视轴自动修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及大气激光通信系统中视轴自动修正方法，其条件和步骤如下：所需设备为大气激光通信光端机主镜光学系统、粗跟踪光学系统和CCD成像与处理系统、转台控制计算机和GPS设备。实现步骤：在系统完成初始化，实现目标捕获并进入跟踪状态的情况下，转台控制计算机接收GPS距离信息，计算不同通信距离时产生的视轴偏差角度，及需要修正的CCD象元数后，送CCD成像与处理系统中的DSP处理器进行处理，从而改变成像的中心位置，完成了对粗精光轴的校正。无视轴校正时，粗跟踪误差最大(以6km通信距离计)可达到186μrad。采用本方法后，完全可以达到60μrad。

Description

一种大气激光通信系统视轴自动修正方法

技术领域

本发明涉及大气激光通信系统中视轴自动修正方法，属于激光通信技术领域。 

背景技术

1960年激光出现之后，为光通信系统提供了具有高度指向性、高相干性、高亮度的光源，促进了光通信技术的发展。由于可以将光束以非常小的发散角对准目标发射，自由空间光通信比现有的射频通信更加不容易探测。因此，自由空间激光通信对于在两个移动平台之间实现通信非常具有吸引力，如卫星之间、卫星与地面间、飞机之间、飞机和地面间、飞机与卫星间的链路等。从二十世纪七十年代开始，世界发达国家就已经开始激光通信技术的研究工作，对上述的各种链路技术进行研究，取得了显著的成果，一些实验获得了成功。 

空间光通信最初是用于军事目的，这主要是由于其良好的保密性以及大通信容量。空间光通信终端所发射的信号光束波束窄，有很强的指向性，并且发散角很小，可以控制到几个毫弧度，这就使信号光束难以被截获、窃听；空间光通信具有良好的抗电磁干扰性，如复杂电磁环境、电磁波炸弹等，而1Gbps的通信容量也足以满足战术乃至战略通信的需求；能耗低、结构简单、携带方便、组网快速灵活是空间光通信的另一突出优点。因此空间光通信非常适用于军事通信。正是看到了激光通信技术在军事通信领域的巨大应用潜力，最近两年，世界各国对激光通信系统研究的投资力度显著增加(参考文献：徐继泽.介绍两种外军激光通信机.军事通信技术，1995.9)。 

目前，大气激光通信光端机因均为静态通信系统，光学系统能够做到同轴，虽然具有主动对准装置(参考文献：余杨，张旭苹.大气激光通信机的光学模型和物理实现研究.激光杂志，2006年第27卷第1期)，但都不具备动态自动捕获、对准和跟踪(Acquisition，Pointing，Tracking简称APT)的能 力。但对于空间激光通信系统，宽范围、高精度光束的APT分系统是空间激光通信系统的核心和关键部分，它是能否正常通信的前提和基础。为实现宽范围、高精度APT控制，需要采用主从复合轴控制结构予以实现。对于空间激光通信系统，通信光束的功率空间分布接近高斯分布，这就要求通信光束的视轴中心对准接收视轴，为了减小APT动态跟踪精度对接收功率的衰减，需要非常苛刻的APT跟踪精度。以此设计的地面光端机如图1所示：1为主机组，安装在横轴中部，包括光学卡塞格林系统，通信光发射、接收分系统、精信标光发射、接收分系统；2为粗跟踪CCD组挂装在横轴左侧。因粗信标发散角和接收视场均不同于其它子系统，因此将粗信标接收和发射单元单独设计在卡式系统外。这样就使得粗跟踪与精跟踪和通信光的不同轴，产生系统误差。以往的系统误差修正方法是应用星校原理，对光学系统静态重新装调(参考文献：张孟伟.光电跟踪测量仪器的系统误差的修正方法.光电工程，1995年06期)。此种方法不能满足动态激光通信系统的误差修正要求，更不能作到实时修正。 

发明内容

为了克服上述技术和方法的不足和缺点，依据现代光学技术和动态光学技术的发展，结合野外动态实验，提出了在宽范围、高精度空间激光通信系统稳定跟踪平台中的视轴自动修正的方法。本发明的方法改革并简化了光电跟踪系统中视频捕获和伺服控制技术的应用模式，进一步提出了该技术在高精度光电跟踪系统中捕或、瞄准和跟踪的具体应用，即可采用视轴自动修正技术补偿系统误差带来的精度损失，从而实现了激光通信系统的宽范围、高精度APT控制。 

在实际应用中，由于主镜与粗跟踪CCD的布局，在激光束散角很小，通信距离在6～20km的情况下，不能认为粗精视轴同轴，如不进行视轴修正，必然存在系统误差，无法实现激光通信，所以必须进行补偿。 

本发明的方法所针对的对象就是大气激光通信光端机当中的视轴自动修正的方法。其条件和步骤如下： 

1.所需设备，如图2所示：大气激光通信光端机主镜光学系统3，该光学系统3包括卡塞格林系统，通信光发射系统、接收分系统、精信标光发射系统、接收分系统；粗跟踪光学系统和CCD成像与处理系统4；还需要转台控制计算机和GPS设备； 

2.实现步骤： 

(1)本方法实现的流程如图4所示，步骤100为开始，即要完成转台控制计算机的启动、程序和外围设备的初始化和系统实现目标捕获并进入跟踪状态； 

(2)步骤110为转台控制计算机接收GPS距离信息，转台控制计算机与GPS设备通信，接收GPS发出的数据，并通过解码得出大气激光通信光端机与激光发射端之间的距离信息； 

(3)步骤120为转台控制计算机在计算不同通信距离时产生的视轴偏差角度，如图3所示。R₀表示粗跟踪CCD位置Z₀表示主镜位置，r为两者之间距离，O₁和O₂为激光发射端在不同通信距离的位置，E₁为∠R₀O₁Z₀，E₂为∠R₀O₂Z₀，即为不同通信距离时产生的视轴偏差角度E，转台控制计算机根据GPS信息得到激光发射端与接收端的距离L，由转台控制计算机计算视轴偏差角度E，则应用如下计算表达式： 

[0013] E＝arctan(r/L)； 

[0014] (4)步骤130为转台控制计算机计算需要修正的像元数，则应用如下计算表达式： 

m＝θ/N 

已知粗跟踪CCD视场角度θ、CCD阵面大小N，转台控制计算机可求得每个像元对应的角度m， 

再由 

n＝INT(E/m) 

求得最终需要校正的象元数n，这里INT为取整函数； 

(5)步骤140为步骤130得到的校正值n通过串口送CCD成像与处理系统中的DSP处理器进行处理，从而改变成像的中心位置，完成了对粗精光轴的校正； 

(6)系统能够根据需要，自动重复上述(2)到(5)各步骤，完成了大气激光通信系统视轴自动修正。 

有益效果 

本发明的方法改革并简化了光电跟踪系统中视频捕获和伺服控制技术的应用模式，进一步提出了该技术在高精度光电跟踪系统中捕获、瞄准和跟踪的具体应用，即可采用视轴自动修正技术补偿系统误差带来的精度损失，从而实现了激光通信系统的宽范围、高精度APT控制。无视轴校正时，粗跟踪误差最大(以6km通信距离计)可达到186μrad。采用本方法后，完全可以达到60μrad。 

附图说明

图1为激光通信光端机图。 

图2为主镜与粗跟踪CCD布局图。 

图3为粗精视差自动修正示意图。 

图4为视轴自动修正软件流程图。 

图5为电视跟踪系统脱靶量显示。

具体实施方式

实施例1： 

在实际应用中，激光束散角小于＜200μrad，通信距离在6～20km； 

1.所需设备，如图2所示：大气激光通信光端机LG001主镜光学系统3，包括卡塞格林系统，通信光发射系统、接收分系统、精信标光发射系统、接收分系统；粗跟踪光学系统和CCD成像与处理系统4；还需要转台控制计算机和GPS设备； 

2.实现步骤： 

(1)本方法实现的流程如图4所示，步骤100为开始，即要完成转台控制计算机的启动、程序和外围设备的初始化和系统实现目标捕获并进入跟踪状态； 

(2)步骤110为转台控制计算机接收GPS距离信息，转台控制计算机与GPS设备通信，接收GPS发出的数据，并通过解码得出大气激光通信光端机与激光发射端之间的距离信息； 

(3)步骤120为转台控制计算机在计算不同通信距离时产生的视轴偏差角度，如图3所示。R₀表示粗跟踪CCD位置，Z₀表示主镜位置，r为两者之间距离，O₁和O₂为激光发射端在不同通信距离的位置，E₁为∠R₀O₁Z₀，E₂为∠R₀O₂Z₀，即为不同通信距离时产生的视轴偏差角度E，转台控制计算机根据GPS信息得到激光发射端与接收端的距离L，由转台控制计算机计算视轴偏差角度E，则应用如下计算表达式： 

[0036] E＝arctan(r/L)； 

[0037] (4)步骤130为转台控制计算机计算需要修正的像元数，则应用如下计算表达式： 

m＝θ/N 

已知粗跟踪CCD视场角度θ、CCD阵面大小N，转台控制计算机可求得每个像元对应的角度m， 

再由 

n＝INT(E/m) 

求得最终需要校正的象元数n，这里INT为取整函数； 

(5)步骤140为步骤130得到的校正值n通过串口送CCD成像与处理系统中的DSP处理器进行处理，从而改变成像的中心位置，完成了对粗精光轴的校正； 

(6)系统能够根据需要，自动重复上述(2)到(5)各步骤，完成了大气激光通信系统视轴自动修正。

Claims (1)

1.一种大气激光通信系统视轴自动修正方法，其特征在于，其条件和步骤如下：

所需设备：大气激光通信光端机主镜光学系统(3)，该光学系统(3)包括卡塞格林系统，通信光发射及接收分系统、精信标光发射及接收分系统；粗跟踪光学系统和CCD成像与处理系统(4)；还需要转台控制计算机和GPS设备；

实现步骤：

(1)步骤100为开始，即要完成转台控制计算机的启动、程序和外围设备的初始化和大气激光通信系统实现目标捕获并进入跟踪状态；

(2)步骤110为转台控制计算机接收GPS距离信息，转台控制计算机与GPS设备通信，接收GPS设备发出的数据，并通过解码得出大气激光通信光端机与激光发射端之间的距离信息；

(3)步骤120为转台控制计算机计算不同通信距离时产生的视轴偏差角度；R₀表示粗跟踪CCD位置，Z₀表示主镜位置，r为两者之间距离，O₁和O₂为激光发射端在不同通信距离的位置，E1为∠R₀O₁Z₀，E₂为∠R₀O₂Z₀，即为不同通信距离时产生的视轴偏差角度E，转台控制计算机根据GPS信息得到激光发射端与大气激光通信光端机的距离L，由转台控制计算机计算视轴偏差角度E，则应用如下计算表达式：

E＝arctan(r/L)；

(4)步骤130为转台控制计算机计算需要修正的像元数，则应用如下计算表达式：

m＝θ/N

粗跟踪CCD视场角度为θ、CCD阵面大小为N，转台控制计算机可求得每个像元对应的角度为m，

再由

n＝INT(E/m)

求得最终需要校正的像元数n，这里INT为取整函数；

(5)步骤140为把步骤130得到的校正值n通过串口送CCD成像与处理系统中的DSP处理器进行处理，从而改变成像的中心位置，完成了对粗精光轴的校正；

(6)大气激光通信系统能够根据需要，自动重复上述(2)到(5)各步骤，完成了大气激光通信系统视轴自动修正。

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