CN101651496A - 大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统 - Google Patents

大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统 Download PDF

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大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，其特征在于，该系统是由光学接收天线(1)，振镜(2)，分光棱镜(3)，哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，振镜控制器(5)，透镜(6)和普通CCD相机(7)组成。为了实现信标光轴指向的实时校正，本发明采用微透镜阵列的夏克哈特曼传感器对信标光束进行探测，采用泽尼克多项式模式法重构实时波前图像，从而解算大气激光通信系统中信标光轴的真实指向，最终光轴的定位精度优于2μ rad。接收端的普通CCD若要获得相同的分辨率和测量精度，其光学系统体积庞大、重量较重，与传统的平台相比，体积显著减小和重量明显减轻。有效的满足了未来空间激光通信对机载平台轻型化的需求。

Description

大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统
技术领域
本发明涉及大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，属于空间激光通信技术领域。该系统主要用于大气激光通信系统中信标光轴的精密定位。
背景技术
大气激光通信技术的核心技术是捕获、对准和跟踪APT(AcquisitionPointing Tracking)技术。大气激光通信以其高带宽、高码率、高保密性及抗干扰等优点成为光通信发展的新方向，目前已成为各国研究工作的热点。而窄的激光发射光束导致了光束对准中许多技术上的挑战，对APT技术的研究也就显得尤其重要。快速精确的捕获、瞄准和跟踪是保证实现空间远距离光通信的前提，是星际间光通信的核心，需要获得非常高的跟瞄精度，还要抑制和消除一个在很宽的频率范围内存在且幅值很大的外部干扰，从而决定了它是一个高精度、高带宽的精密跟踪系统。另外，空间光通信系统的通信信号光束发散角非常小，如果用信号光束进行捕获、瞄准和跟踪非常困难，所以要完成这一过程需要采用信标光来完成，而信号的接收由通信光来完成。APT系统的功能是在接收端探测发射端发出的信标光，并对之进行捕获、瞄准和跟踪，然后返回信标光到发射端，借以完成点对点的锁定，在两端之间建立通信链接之后，双方用通信光束开始传输数据，实现通信。
对于以机载激光通信系统或者其它以被动或主动激光目标跟踪为目标的火控系统来说，一个高质量的APT系统是必不可少的，激光光束的快速、精密定位是一个高精度、宽频带APT系统的关键。能在大气环境中工作的高精度、宽频带APT系统的设计和实现是一项难度很大的工程技术。系统的关键问题就是必须对入射的激光光束进行定位，找到与其对应的对方发射光学系统的光轴，然后调整自己的跟踪系统光轴使之指向对方，才能完成精确对准和跟踪(μrad量级)，从而使激光武器系统能够准确打击被跟踪的目标，激光通信系统能够实现高速率、低误码率的激光通信。
激光光束在大气信道传输过程中受大气湍流的扰动，激光的能量和偏振特性都受到影响，光斑发生畸变，整体上已经不再符合高斯分布特性，因此传统的探测器的光斑质心算法，已经无法准确地确定出激光光束的主光轴，系统定位精度不可能做得很高，一般定位传感器的目标跟踪系统精度大于15～20μrad，常用典型装置示意图为图1(参考文献1罗彤，等，自由空间光通信地面演示系统光束APT设计与实现，应用光学，第23卷，第2期，2002中的结构主要组成)，其他很多激光空间通信系统的光轴定位装置也基本上和文献1即图1的典型系统相类似(主要参考文献为：2曾华林，等，空间光通信ATP系统的研究，光学技术，第31卷，第1期，2005年1月；3谭靖，等，光无线通信的光束对准/跟踪技术，《激光杂志》，第26卷第3期，2005年；4岳冰，等，空间光通信中的快速倾斜镜精跟踪实验系统〔J〕.光电工程，2002，29(3)：35-42；5徐科华，等，深空光通信中光束瞄准技术研究，光学精密工程，第14卷，第1期，2006年2月；6周亚霖艾勇左韬鲍黎波.空间光束实时捕获、跟踪实验与分析，光子学报，2005年34卷6期；7王萍萍，艾勇，支新军.自由空间光通信终端机中APT系统设计应用激光2003年1223卷6期；8苏秀琴，王飞，刘文.一种提高CCD目标测量数据处理速度的新方法.光子学报，2001，30(7)：864～867Su X Q，Wang F，Liu W.Acta Photonica Sinica，2001，30(7)：864～867；9Hohn，D.H.Effects of atmospheric turbulence on the transmission of a laserbeam at 6328A.I-Distribution of intensity Applied Optics IP，vol.5，Issue 9，p.1427；10国外空间激光通信技术发展情况.内部资料.2005年10月.)，均采用探测器均为普通CCD探测器。对于激光通信系统来说，这样的跟踪精度无法使通信的技术指标进一步提高。在大气激光通信系统中也有其自身的不足之处，大气激光通信以空气为介质，决定了激光传输过程中不可避免地要受到大气环境的影响(大气吸收、散射和湍流效应的影响)，其中大气湍流对目标跟踪过程的影响最大。影响的主要表现为光束的偏折、漂移与光斑的破碎和能量闪烁等现象，以及由于成像光学系统像差的影响，使跟踪探测器在计算目标位置时产生误差，直接影响系统的捕获、瞄准和跟踪精度。为了解决大气湍流对武器装备中APT系统精度的影响，提高APT系统的跟踪精度，必须采取一定的技术措施。
发明内容
为了实现信标光轴指向的实时校正，本发明提出了一种大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统。
一种大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，其特征在于，如图1所示，该系统是由光学接收天线(1)，振镜(2)，分光棱镜(3)，哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，振镜控制器(5)，透镜(6)和普通CCD相机(7)组成；其中哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)是由缩束器(8)、微透镜阵列(9)、EMCCD高帧频相机(10)、FPGA现场可编程门阵列(11)、DMA控制器(12)和DSP数字信号处理单元(13)构成；
光学接收天线(1)和振镜(2)同轴排列，振镜(2)的镜面与光学接收天线(1)的出射光束成45度角放置；
分光棱镜(3)在光学接收天线(1)与振镜(2)所成轴的垂直方向放置，并与振镜(2)同轴排列；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)与振镜(2)、分光棱镜(3)同轴排列，并在分光棱镜(3)的光束透射方向上；
振镜控制器(5)一端与振镜(2)通过电线连接，另一端通过电线连接到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)上；振镜(2)和分光棱镜(3)、哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)、振镜控制器(5)构成光闭环电开环的信标光轴精密定位系统；
透镜(6)在分光棱镜(3)的光束反射方向上；普通CCD相机(7)、透镜(6)和分光棱镜(3)依次同轴排列；
光学接收天线(1)接收经过大气的信标光，并对信标光进行缩束后入射到振镜(2)；
入射到振镜(2)的光束通过振镜(2)的镜面反射，入射到分光棱镜(3)，由分光棱镜(3)分出两束光，一束光直接入射到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，另外一束光沿着与光学接收天线(1)出射光束的反方向入射到透镜(6)；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)实时检测信标光轴偏移量，并将控制参数通过以太网传输给振镜控制器(5)；
振镜控制器(5)通过控制参数对振镜(2)的反射镜面的方向进行实时调整，实现信标光轴指向的实时校正；
透镜(6)接收来自分光棱镜(3)的光束，经透镜(6)聚焦后由普通CCD相机(7)接收；透镜(6)和普通CCD相机(7)组成的系统具有两个作用，作用一是得到信标光轴在普通CCD相机(7)上的偏移量，用来与入射哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的信标光轴偏移量进行对比；作用二是用来监测哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)对信标光轴精密校正后的光斑图像；
所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，如图2所示，其特征在于，由缩束器(8)，微透镜阵列(9)，EMCCD高帧频相机(10)依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，用来探测基于阵列多孔径的光斑分布图像，根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术，来检测受到大气湍流影响的信标光轴偏移量；
FPGA现场可编程门阵列(11)用来快速获取数字图像数据，作为DSP数字信号处理单元(13)的缓存，提高图像处理的速度；
DMA控制器(12)为快速数据传输通道；
DSP数字信号处理单元(13)由两部分构成：一部分是图像数据实时处理系统C64xx，用来实时计算信标光轴偏移量，另一部分是控制信号处理系统C28xx，用来实时计算振镜(2)的控制参数；
所述的大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统中，有一套完整精度高、实时性好的光轴精密定位系统程序，流程图如图3所示；
其流程为：
步骤100开始，光轴精密定位系统程序的开始命令；
步骤110是FPGA现场可编程门阵列(11)捕获一帧图像为DSP数字信号处理单元(13)提供数据源；
步骤120是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤130，否则返回步骤110；
步骤130是DSP数字信号处理单元(13)的图像数据实时处理系统C64xx对微弱信号进行处理，计算哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的子孔径接收到的光斑的质心；
步骤140是用泽尼克多项式模式法计算信标光轴的偏移量；
步骤150是对数据优化和传输，删除误差大的信标光轴偏移量数据，将信标光轴偏移量传输给DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx；
步骤160是DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx根据信标光轴偏移量实时计算振镜(2)控制参数，将振镜(2)的控制参数传输给振镜控制器(5)；
步骤170是振镜控制器(5)根据从DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx接收到的控制参数对振镜(2)进行实时控制，达到对信标光轴的精密定位；
步骤180是判断是否结束，否，则继续处理下一帧图像数据，转到步骤110循环处理；是，则转到步骤190；
步骤190是结束程序。
有益效果：
大气激光通信系统中，对于光斑的偏移、散斑等现象，依据现代光学技术和动态光学技术的发展，结合自适应光学系统技术的发展现状，提出了在高技术武器装备稳定跟踪平台和大气激光通信系统中提高捕获、瞄准和跟踪精度的新方案。本发明采用微透镜阵列的夏克哈特曼传感器对通过大气的激光信标光束进行探测，采用泽尼克多项式模式法重构实时波前图像，从而解算大气激光通信系统中光轴的真实指向。有效的解决了传统CCD探测器质心算法对散斑造成的光斑质心检测精度只能在15～20μrad(RMS)，本发明所采用的系统信标光轴定位精度优于2μrad(RMS)。如果增加微透镜的数目和提高相机的帧频，在激光在强湍流的情况下精密光轴定位精度达到更高。接收端的普通CCD若要获得相同的分辨率和测量精度需要大于1.6m的焦距，其光学系统体积庞大、重量较重，本发明采用哈特曼传感器的等效焦距512mm，其系统长度为250mm分辨率达到μrad量级，而口径只有30mm，与传统的平台相比，体积显著减小和重量明显减轻。有效的满足了未来空间激光通信对机载平台轻型化的需求。
附图说明
图1为大气激光通信系统中信标光光轴精密定位系统示意图。此图也是说明书摘要附图。其中：1为光学接收天线，2为振镜，3为分光棱镜，4为哈特曼传感器光轴精密定位单元，5为振镜控制器，6为透镜，7为普通CCD相机；
图2为哈特曼传感器光轴精密定位单元的内部组成、结构示意图。其中：8为由缩束器，9为微透镜阵列，10为EMCCD高帧频相机，11为FPGA现场可编程门阵列，12为DMA控制器，13为DSP数字信号处理单元；
图3为大气激光光束偏移计算及控制流程图。
具体实施方式
一种大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，其特征在于，如图1所示，该系统是由光学接收天线(1)，振镜(2)，分光棱镜(3)，哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，振镜控制器(5)，透镜(6)和普通CCD相机(7)组成；其中哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)是由缩束器(8)、微透镜阵列(9)、EMCCD高帧频相机(10)、FPGA现场可编程门阵列(11)、DMA控制器(12)和DSP数字信号处理单元(13)构成；
光学接收天线(1)和振镜(2)同轴排列，振镜(2)的镜面与光学接收天线(1)的出射光束成45度角放置；
分光棱镜(3)在光学接收天线(1)与振镜(2)所成轴的垂直方向放置，并与振镜(2)同轴排列；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)与振镜(2)、分光棱镜(3)同轴排列，并在分光棱镜(3)的光束透射方向上；
振镜控制器(5)一端与振镜(2)通过电线连接，另一端通过电线连接到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)上；振镜(2)和分光棱镜(3)、哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)、振镜控制器(5)构成光闭环电开环的信标光轴精密定位系统；
透镜(6)在分光棱镜(3)的光束反射方向上；普通CCD相机(7)、透镜(6)和分光棱镜(3)依次同轴排列；
光学接收天线(1)接收经过大气的信标光，并对信标光进行缩束后入射到振镜(2)；
入射到振镜(2)的光束通过振镜(2)的镜面反射，入射到分光棱镜(3)，由分光棱镜(3)分出两束光，一束光直接入射到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，另外一束光沿着与光学接收天线(1)出射光束的反方向入射到透镜(6)；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)实时检测信标光轴偏移量，并将控制参数通过以太网传输给振镜控制器(5)；
振镜控制器(5)通过控制参数对振镜(2)的反射镜面的方向进行实时调整，实现信标光轴指向的实时校正；
透镜(6)接收来自分光棱镜(3)的光束，经透镜(6)聚焦后由普通CCD相机(7)接收；透镜(6)和普通CCD相机(7)组成的系统具有两个作用，作用一是得到信标光轴在普通CCD相机(7)上的偏移量，用来与入射哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的信标光轴偏移量进行对比；作用二是用来监测哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)对信标光轴精密校正后的光斑图像；考虑到普通CCD相机(7)的光学分辨率和哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的光学分辨率相同，本发明所采用的透镜(6)的焦距为1.6m，普通CCD相机(7)的帧频为1440f/s；
所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，如图2所示，其特征在于，由缩束器(8)，微透镜阵列(9)，EMCCD高帧频相机(10)依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，用来探测基于阵列多孔径的光斑分布图像，根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术，来检测受大气湍流影响的信标光轴偏移量；
FPGA现场可编程门阵列(11)用来快速获取数字图像数据，作为DSP数字信号处理单元(13)的缓存，提高图像处理的速度；
DMA控制器(12)为快速数据传输通道；
DSP数字信号处理单元(13)由两部分构成：一部分是图像数据实时处理系统C64xx，用来实时计算信标光轴偏移量，另一部分是控制信号处理系统C28xx，用来实时计算振镜(2)的控制参数；
所述的大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统中，有一套完整精度高、实时性好的光轴精密定位系统程序，流程图如图3所示；
其流程为：
步骤100开始，光轴精密定位系统程序的开始命令；
步骤110是FPGA现场可编程门阵列(11)捕获一帧图像为DSP数字信号处理单元13提供数据源；
步骤120是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤130，否则返回步骤110；
步骤130是DSP数字信号处理单元(13)的图像数据实时处理系统C64xx对微弱信号进行处理，计算哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的子孔径接收到的光斑的质心；
步骤140是用泽尼克多项式模式法计算信标光轴的偏移量；
步骤150是对数据优化和传输，删除误差大的信标光轴偏移量数据，将信标光轴偏移量传输给DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx；
步骤160是DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx根据信标光轴偏移量实时计算振镜(2)控制参数，将振镜(2)的控制参数传输给振镜控制器5；
步骤170是振镜控制器(5)根据从DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx接收到的控制参数对振镜(2)进行实时控制，达到对信标光轴的精密定位；
步骤180是判断是否结束，否，则继续处理下一帧图像数据，转到步骤110循环处理；是，则转到步骤190；
步骤190是结束程序。

Claims (4)

1、一种大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，其特征在于，该系统是由光学接收天线(1)，振镜(2)，分光棱镜(3)，哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，振镜控制器(5)，透镜(6)和普通CCD相机(7)组成；其中哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)是由缩束器(8)、微透镜阵列(9)、EMCCD高帧频相机(10)、FPGA现场可编程门阵列(11)、DMA控制器(12)和DSP数字信号处理单元(13)构成；光学接收天线(1)和振镜(2)依次同轴排列，振镜(2)的镜面与光学接收天线(1)的出射光束成45度角放置；
分光棱镜(3)在光学接收天线(1)与振镜(2)所成轴的垂直方向放置，并与振镜(2)同轴排列；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)与振镜(2)、分光棱镜(3)同轴排列，并在分光棱镜(3)的光束透射方向上；
振镜控制器(5)一端与振镜(2)通过电线连接，另一端通过电线连接到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)上；振镜(2)和分光棱镜(3)、哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)、振镜控制器(5)构成光闭环电开环的信标光轴精密定位系统；
透镜(6)在分光棱镜(3)的光束反射方向上；普通CCD相机(7)、透镜(6)和分光棱镜(3)依次同轴排列。
2、光学接收天线(1)接收经过大气的信标光，并对信标光进行缩束后入射到振镜(2)；
入射到振镜(2)的光束通过振镜(2)的镜面反射，入射到分光棱镜(3)，由分光棱镜(3)分出两束光，一束光直接入射到哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，另外一束光沿着与光学接收天线(1)出射光束的反方向入射到透镜(6)；
哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)实时检测信标光轴偏移量，并将控制参数通过以太网传输给振镜控制器(5)；
振镜控制器(5)通过控制参数对振镜(2)的反射镜面的方向进行实时调整，实现信标光轴指向的实时校正；
透镜(6)接收来自分光棱镜(3)的光束，经透镜(6)聚焦后由普通CCD相机(7)接收；透镜(6)和普通CCD相机(7)组成的系统具有两个作用，作用一是得到信标光轴在普通CCD相机(7)上的偏移量，用来与入射哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的信标光轴偏移量进行对比；作用二是用来监测哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)对信标光轴精密校正后的光斑图像。
3、如权利要求1所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)，其特征在于，由缩束器(8)，微透镜阵列(9)，EMCCD高帧频相机(10)依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，用来探测基于阵列多孔径的光斑分布图像，根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术，来检测受大气湍流影响的信标光轴偏移量；
FPGA现场可编程门阵列(11)用来快速获取数字图像数据，作为DSP数字信号处理单元(13)的缓存，提高图像处理的速度；
DMA控制器(12)为快速数据传输通道；
DSP数字信号处理单元(13)由两部分构成：一部分是图像数据实时处理系统C64xx，用来实时计算信标光轴偏移量，另一部分是控制信号处理系统C28xx，用来实时计算振镜(2)的控制参数。
4、如权利要求1所述的大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统中，有一套完整精度高、实时性好的光轴精密定位程序；
其流程为：
步骤(100)开始，光轴精密定位程序的开始命令；
步骤(110)是FPGA现场可编程门阵列(11)捕获一帧图像为DSP数字信号处理单元(13)提供数据源；
步骤(120)是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤(130)，否则返回步骤(110)；
步骤(130)是DSP数字信号处理单元(13)的图像数据实时处理系统C64xx对微弱信号进行处理，计算哈特曼传感器光轴精密定位单元(4)的子孔径接收到的光斑的质心；
步骤(140)是用泽尼克多项式模式法计算信标光轴的偏移量；
步骤(150)是对数据优化和传输，删除误差大的信标光轴偏移量数据，将信标光轴偏移量传输给DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx；
步骤(160)是DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx根据信标光轴偏移量实时计算振镜(2)控制参数，将振镜(2)的控制参数传输给振镜控制器(5)；
步骤(170)是振镜控制器(5)根据从DSP数字信号处理单元(13)的控制信号处理系统C28xx接收到的控制参数对振镜(2)进行实时控制，达到对信标光轴的精密定位；
步骤(180)是判断是否结束，否，则继续处理下一帧图像数据，转到步骤(110)循环处理；是，则转到步骤(190)；
步骤(190)是结束程序。
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