CN102095389A - 基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置及方法，属于航天应用领域，本发明为解决激光通信终端中利用天文望远镜的基准位置测量方法存在准备过程繁杂，操作过程引入误差难以控制，后期数学处理复杂的问题。本发明所述测量装置中的终端的激光器的出射光轴和潜望镜的方位轴同轴，潜望镜控制单元用于控制俯仰角和方位角的角度数值，激光器的出射光束入射至分束镜上，经分束镜透射后的透射光束入射至潜望镜内，平面镜的法线与潜望镜的方位轴同轴，所述透射光束经过潜望镜后的出射光束垂直入射至平面镜，经平面镜反射的反射光束返回入射至潜望镜，该光束经潜望镜后的出射光束入射至分束镜，经分束镜反射的反射光束入射至CCD探测器。

Description

基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置及方法

技术领域

本发明涉及基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置及方法，属于航天应用领域。

背景技术

基于潜望镜式激光通信终端方位轴基准作为通信终端控制潜望镜转动机构的重要参数，对进行准确的高精度的瞄准，捕获及跟踪具有重要的影响。现有的利用天文望远镜的基准位置测量方法(对多颗恒星进行瞄准观察)使用到激光通信终端中的测量方法存在准备过程繁杂，测试环境要求高，操作过程引入误差难以控制，后期数学处理复杂，此外由于需要经过相关复杂的数学处理造成实时性较差。

发明内容

本发明目的是为了解决激光通信终端中利用天文望远镜的基准位置测量方法存在准备过程繁杂，测试环境要求高，操作过程引入误差难以控制，后期数学处理复杂，此外由于需要经过相关复杂的数学处理造成实时性较差的问题，提供了一种基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置及方法。

本发明所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，潜望镜式激光通信终端包括激光器、分束镜、CCD探测器、潜望镜和潜望镜控制单元，激光器的出射光轴和潜望镜的方位轴同轴，潜望镜控制单元用于控制潜望镜的俯仰角和方位角的角度数值，激光器的出射光束入射至分束镜上，经分束镜透射后的透射光束入射至潜望镜内，

基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置还包括平面镜，平面镜的法线与潜望镜的方位轴同轴，所述透射光束经过潜望镜后的出射光束垂直入射至平面镜，经平面镜反射的反射光束返回入射至潜望镜，该光束经潜望镜后的出射光束入射至分束镜，经分束镜反射的反射光束入射至CCD探测器。

基于上述所述基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置的测量方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、启动激光器，发射光束；

步骤二、固定潜望镜的方位轴不动；通过潜望镜控制单元调节潜望镜的俯仰角n次，第i次调整后的角度为El_i，i＝1，2，..，n，在CCD探测器上获取n个光斑，并记录所述n个光斑的位置信息(Y_i，Z_i)；n个为大于零的整数；

步骤三、每个光斑聚焦在CCD探测器上的光束矢量T_CCD(i)表示为

并存在以下等式成立：

T_CCD(i)＝T_分·T_Az·T_El(i)·T_反·T_El·T_Az·A₀，

即：

公式一

上式中：A₀为激光束出射光束矢量，A₀＝[001]^T，

T_分为分束镜反射矩阵，

T_反为平面镜反射矩阵，

T_AZ为潜望镜的方位角反射矩阵，T_Az＝S_Az·T·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{Az}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Az}& -\sin \mathrm{Az}& \\ \sin \mathrm{Az}& \cos \mathrm{Az}& \\ & & 1\end{array}\right],$

T_El(i)为潜望镜的俯仰角反射矩阵，T_El(i)＝S_Az·S_El(i)·T·S_El(i)^-1·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{El}}\left(i\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos {\mathrm{El}}_i& -{\sin \mathrm{El}}_i\\ & {\sin \mathrm{El}}_i& {\cos \mathrm{El}}_i\end{array}\right],$

步骤四、根据步骤二获得的n个光斑位置信息，通过公式一计算这些光斑位置拟合的直线的斜率k；

公式二 $k=\frac{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Z}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}=\frac{T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}(i-1)}{T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}(i-1)},$

步骤五、将n个光斑的位置信息分别代入公式一和公式二，获取多个方位角Az，取多个方位角Az的平均值作为潜望镜的方位轴基准。

本发明的优点：本发明提出一种基于通信系统内部光学机构的潜望镜式激光通信终端方位轴基准的测量方法。巧妙的利用终端内部的光学机构，及平面镜和潜望镜控制机构对潜望镜方位轴基准进行测量，测量精度优于5μrad，很好的解决了在工程中对潜望镜方位轴基准的要求。

附图说明

图1是本发明基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置的结构示意图；

图2是基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量方法流程图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，潜望镜式激光通信终端包括激光器1、分束镜2、CCD探测器3、潜望镜4和潜望镜控制单元5，激光器1的出射光轴和潜望镜4的方位轴同轴，潜望镜控制单元5用于控制潜望镜4的俯仰角和方位角的角度数值，激光器1的出射光束入射至分束镜2上，经分束镜2透射后的透射光束入射至潜望镜4内，

基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置还包括平面镜6，平面镜6的法线与潜望镜4的方位轴同轴，所述透射光束经过潜望镜4后的出射光束垂直入射至平面镜6，经平面镜6反射的反射光束返回入射至潜望镜4，该光束经潜望镜4后的出射光束入射至分束镜2，经分束镜2反射的反射光束入射至CCD探测器3。

图1中潜望镜控制单元5用于控制潜望镜4的方位轴4-1旋转，还控制俯仰轴4-2旋转。

激光器1采用发射功率为100mW～500mW的激光器。

CCD探测器3采用型号为MTV-1801面阵CCD探测器。

平面镜6的半径选取300mm～900mm。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，激光器1采用发射功率为200mW的激光器，发射波长为830nm，其它与实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，平面镜6的半径选取600mm，其它与实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括衰减机构7，衰减机构7设置在潜望镜4和平面镜6之间，衰减机构7与平面镜6平行，所述透射光束经过潜望镜4后的出射光束垂直入射至衰减机构7，经衰减机构7衰减后的光束垂直入射至平面镜6，经平面镜6反射的反射光束入射至衰减机构7，经衰减机构7再次衰减后的光束入射至潜望镜4，该光束经潜望镜4后的出射光束入射至分束镜2，经分束镜2反射的反射光束入射至CCD探测器3，其它与实施方式一相同。

衰减机构7的衰减通过率为0.0001～0.0003。衰减机构7的衰减通过率根据激光器1功率及CCD探测器3的要求设定的。

具体实施方式五：本实施方式与实施方式四的不同之处在于，衰减机构7的衰减通过率为0.0002，其它与实施方式四相同。

具体实施方式六：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式基于实施方式一所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、启动激光器1，发射光束；

步骤二、固定潜望镜4的方位轴不动；通过潜望镜控制单元5调节潜望镜4的俯仰角n次，第i次调整后的角度为El_i，i＝1，2，...，n，在CCD探测器3上获取n个光斑，并记录所述n个光斑的位置信息(Y_i，Z_i)；n个为大于零的整数；

步骤三、每个光斑聚焦在CCD探测器3上的光束矢量T_CCD(i)表示为

并存在以下等式成立：

T_CCD(i)＝T_分·T_Az·T_El(i)·T_反·T_El·T_Az·A₀，

即：

公式一

上式中：A₀为激光束1出射光束矢量，A₀＝[001]^T，

T_分为分束镜反射矩阵，

T_反为平面镜反射矩阵，

T_AZ为潜望镜4的方位角反射矩阵，T_Az＝S_Az·T·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{Az}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Az}& -\sin \mathrm{Az}& \\ \sin \mathrm{Az}& \cos \mathrm{Az}& \\ & & 1\end{array}\right],$

T_El(i)为潜望镜4的俯仰角反射矩阵，T_El(i)＝S_Az·S_El(i)·T·S_El(i)^-1·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{El}}\left(i\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos {\mathrm{El}}_i& -{\sin \mathrm{El}}_i\\ & {\sin \mathrm{El}}_i& {\cos \mathrm{El}}_i\end{array}\right],$

步骤四、根据步骤二获得的n个光斑位置信息，通过公式一计算这些光斑位置拟合的直线的斜率k；

公式二 $k=\frac{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Z}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}=\frac{T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}(i-1)}{T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}(i-1)},$

步骤五、将n个光斑的位置信息分别代入公式一和公式二，获取多个方位角Az，取多个方位角Az的平均值作为潜望镜4的方位轴基准。

如图1所示，终端中激光器1与CCD探测器3位置安装理想，终端的潜望镜4的方位轴与激光器1出射光轴同方向(同轴)，调节平面镜6，使平面镜6与终端出射光束垂直。测量过程中，激光器1出射光束经过准直后，通过潜望镜4激光出射终端，被反射镜反射回到终端内部，经过分束镜2分束后，聚焦在CCD探测器3的焦平面上，这时可以在CCD探测器3上获得光斑的位置信息。通过潜望镜控制单元5，使潜望镜4的方位轴位置不变，而改变潜望镜4的俯仰轴，同时记录CCD探测器上的光斑位置信息。

聚焦在CCD探测器3上的光束矢量T_CCD(i)表示为

对于不同的俯仰轴角度变化，在CCD探测器3上将存在一条斜率为k的光斑曲线，则斜率k为：

$k=\frac{T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}(i-1)}{T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}(i-1)},$

步骤四中采用最小二乘法拟拾出n个光斑位置构成的直线的斜率：

$k=\frac{\mathrm{\ΣYi\ΣZi}-\mathrm{n\ΣYiZi}}{\mathrm{\ΣYi\ΣYi}-\mathrm{n\ΣYiZi}},$

则存在如下等式：

$k=\frac{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Z}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}=\frac{T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}(i-1)}{T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}(i-1)}.$

将多组相邻的光斑的位置信息代入公式一和公式二中，获取多个方位角Az，取多个方位角Az的平均值作为潜望镜4的方位轴基准。

Claims (10)

1.基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，潜望镜式激光通信终端包括激光器(1)、分束镜(2)、CCD探测器(3)、潜望镜(4)和潜望镜控制单元(5)，激光器(1)的出射光轴和潜望镜(4)的方位轴同轴，潜望镜控制单元(5)用于控制潜望镜(4)的俯仰角和方位角的角度数值，激光器(1)的出射光束入射至分束镜(2)上，经分束镜(2)透射后的透射光束入射至潜望镜(4)内，

其特征在于：基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置还包括平面镜(6)，平面镜(6)的法线与潜望镜(4)的方位轴同轴，所述透射光束经过潜望镜(4)后的出射光束垂直入射至平面镜(6)，经平面镜(6)反射的反射光束返回入射至潜望镜(4)，该光束经潜望镜(4)后的出射光束入射至分束镜(2)，经分束镜(2)反射的反射光束入射至CCD探测器(3)。

2.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：它还包括衰减机构(7)，衰减机构(7)设置在潜望镜(4)和平面镜(6)之间，衰减机构(7)与平面镜(6)平行，所述透射光束经过潜望镜(4)后的出射光束垂直入射至衰减机构(7)，经衰减机构(7)衰减后的光束垂直入射至平面镜(6)，经平面镜(6)反射的反射光束入射至衰减机构(7)，经衰减机构(7)再次衰减后的光束入射至潜望镜(4)，该光束经潜望镜(4)后的出射光束入射至分束镜(2)，经分束镜(2)反射的反射光束入射至CCD探测器(3)。

3.根据权利要求2所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：衰减机构(7)的衰减通过率为0.0001～0.0003。

4.根据权利要求2所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：衰减机构(7)的衰减通过率为0.0002。

5.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：激光器(1)采用发射功率为100mW～500mW的激光器。

6.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：激光器(1)采用发射功率为200mW的激光器。

7.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：平面镜(6)的半径选取300mm～900mm。

8.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：平面镜(6)的半径选取600mm。

9.根据权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置，其特征在于：CCD探测器(3)采用型号为MTV-1801面阵CCD探测器。

10.基于权利要求1所述的基于潜望镜式激光通信终端的方位轴基准的测量装置的测量方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

步骤一、启动激光器(1)，发射光束；

步骤二、固定潜望镜(4)的方位轴不动；通过潜望镜控制单元(5)调节潜望镜(4)的俯仰角n次，第i次调整后的角度为El_i，i＝1，2，...，n，在CCD探测器(3)上获取n个光斑，并记录所述n个光斑的位置信息(Y_i，Z_i)；n个为大于零的整数；

步骤三、每个光斑聚焦在CCD探测器(3)上的光束矢量T_CCD(i)表示为

并存在以下等式成立：

T_CCD(i)＝T_分·T_Az·T_El(i)·T_反·T_El·T_Az·A₀，

即：

公式一

上式中：A₀为激光束1出射光束矢量，A₀＝[001]^T，

T_分为分束镜反射矩阵，

T_反为平面镜反射矩阵，

T_AZ为潜望镜(4)的方位角反射矩阵，T_Az＝S_Az·T·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{Az}}=\left[\begin{array}{ccc}\cos \mathrm{Az}& -\sin \mathrm{Az}& \\ \sin \mathrm{Az}& \cos \mathrm{Az}& \\ & & 1\end{array}\right],$

T_El(i)为潜望镜(4)的俯仰角反射矩阵，T_El(i)＝S_Az·S_El(i)·T·S_El(i)^-1·S_Az ^-1，

其中： $S_{\mathrm{El}}\left(i\right)=\left[\begin{array}{ccc}1& & \\ & \cos {\mathrm{El}}_i& -{\sin \mathrm{El}}_i\\ & {\sin \mathrm{El}}_i& {\cos \mathrm{El}}_i\end{array}\right],$

步骤四、根据步骤二获得的n个光斑位置信息，通过公式一计算这些光斑位置拟合的直线的斜率k；

公式二 $k=\frac{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Z}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}{\mathrm{\Σ}{Y}_i\mathrm{\Σ}{Y}_i-\mathrm{n\Σ}{Y}_i{Z}_i}=\frac{T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(y\right)}(i-1)}{T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}\left(i\right)-T_{\mathrm{CCD}\left(x\right)}(i-1)},$

步骤五、将n个光斑的位置信息分别代入公式一和公式二，获取多个方位角Az，取多个方位角Az的平均值作为潜望镜(4)的方位轴基准。

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