CN102255655B - 激光通信中跟踪相机兼容实现链路效率的检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种激光通信中跟踪相机兼容实现链路效率的检测方法。利用激光通信中ATP系统的跟踪相机测算信标光光斑质心的同时计算接收光束能量。它采用激光器、衰减片、分光棱镜、CMOS相机、光功率计等组成地面定标系统事先测算相机阵面单个像元上单位像素值所示能量a(单位J)将此值存储在相机中。通信时在ATP系统中使用该相机，计算探测阵面上所有像元的像素值总和，乘以标定值a再除以相机积分时间就可得到接收光束功率，根据已知发射端光功率、发散角、通信距离可得链路效率。该方法可使激光通信ATP系统实时监测链路效率β，以及时调整相机积分时间或通信系统信标光发射能量，保证系统精确跟瞄，进而顺利实现激光通信。

Description

激光通信中跟踪相机兼容实现链路效率的检测方法

技术领域：

本发明涉及一种激光通信中测量链路效率的方法，具体涉及一种在空间尺度激光通信中利用ATP系统内部图像传感器直接测算系统所接收到的光束能量，进而得到激光通信链路效率的方法。

背景技术：

在星地或者星间激光通信中，由于通信距离远、光束窄以及存在外界干扰(如大气影响、卫星振动等)，必须采用捕获(Acquisition)，跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)系统来建立维持光通信链路。该系统简称ATP系统。ATP系统中，通信链路的一方发出一束较宽的信标光进行扫描，另一方搜索该信标光。信标光进入该相机视场并且被正确探测到，这个过程称为捕获；ATP系统将信标光捕获后，双方根据相机提供的视轴偏差，控制跟踪机构，使其视轴跟随入射光的视轴变化，称为跟踪；在跟踪的基础上，双方的视轴正确地指向对方视轴，称为瞄准。双方视轴可靠瞄准后，此时光通信链路已经建立，可以打开光束很窄的信号激光进行通信。

其中捕获跟瞄过程的关键在于将信标光视场轴中心与信号激光发射模块光轴中心对准至一致。而在ATP系统中，信号激光发射模块视场轴中心与ATP精跟踪相机的跟踪中心等价。ATP系统通过测量信标光光斑在相机阵面上的质心位置，获得与跟踪中心的偏差，从而进一步去控制跟踪机构，将双方光路对准至一致，有效建立通信链路。

通常远距离的激光通信系统，对建立通信链路的信标光能量监测既通信链路的效率十分关注。激光通信系统的链路效率β计算公式如下：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P}\·{\left(\frac{\mathrm{\αD}}{d}\right)}^2$

其中P为通信系统发射端发射的光功率值，α为发射端光束的发散角，P₂为接收端接收到的光束功率值，D为通信距离，d为接收端光学系统的接收口径。

接收到的信标光能量太强会使探测器进入光饱和工作状态，探测器上的像素点已经进入光饱和状态，无法准确测量比感光上限值更高能量的光，使得入射光视轴变化计算出现误差；同样，接收到信标光的太弱又使得探测器无法检测到入射光，无法建立通信链路。所以一般需要在系统内部设计一个能量检测模块，单独监测接收到的信标光能量，也就是监测整个通信链路的效率。使ATP系统及时调整探测器积分时间以求调整探测器对光的探测敏感度，或者通知通信对方及时调整信标光发射能量，以适应此时的通信链路效率。

目前已有的激光通信ATP系统中一般采取在系统内部设计一个独立的光路模块用光能量监测器去获得的信标光光束能量，这样增加了系统光路的复杂程度，同时相关配置部件也在增加。现在可以采用新的更有效的方法来实现光束能量监测：利用跟踪相机在计算信标光质心位置的同时，直接测量得到信标光能量，简化了复杂的光路，也省去了额外的光能量监测器。

发明内容：

本发明的目的在于针对星间或星地激光通信ATP系统，提供一种正确有效的方法使激光通信系统在发射到太空轨道后在轨工作时，设备能够利用ATP系统内部的信标光跟踪相机直接测量接收到的光束能量获得链路效率。本方法同样适用于地面激光通信ATP系统实时监测光通信的链路效率。

本发明的方法是不在ATP系统内部增加一路光束能量检测的光路，而是直接利用计算信标光光斑质心位置的跟踪相机去计算获得的光束能量。在地面标定单个像元上单位像素值对应的能量，工作状态时只要计算相机阵面上所有像元的像素值总和就可以获得接收光束的能量。

跟踪相机在计算光斑质心位置的时候需要统计下列数值：如图1所示，相机阵面上单个像元的像素值I(x，y)，其中x、y为该像素的横坐标地址和纵坐标地址；相机阵列上光斑的像素值总和S；每个像元横坐标地址与该像素上像素值乘积的总和S_x；每个像元纵坐标地址与该像元上像素值乘积的总和S_y。

根据以下公式对信标光的光斑质心进行提取：

$S=\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}I(x,y)$

$S_x=\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}x\·I(x,y)$

$S_y=\underset{(x,y)}{\mathrm{\Σ}}y\·I(x,y)$

Centroid_x＝S_x/S

Centroid_y＝S_y/S

计算得到的Centroid_x、Centroid_y就是光斑在相机阵面上的质心位置。本发明可以利用计算质心位置时得到的像素值总合S，来计算接收光束的能量。

首先在ATP系统安装发射前，在地面采用如图2所示系统对跟踪相机阵面上单个像元上单位像素值所代表的能量进行定标测算。激光器1发出的激光光束通过分光棱镜4分为能量比为1∶1的两路光。一路光进入探测相机6成像，计算光束光斑在相机阵面上的像素值总和S₁，另一路光进入光功率计8测量此时的光束功率P₁，此时相机的积分时间设定为t₁，则单个像元上单位像素值所代表的能量a(单位为J)可用下述公式得到：

$a=\frac{P_1\·t_1}{S_1}$

设备安装时将此参数存储在相机之中。然后进入激光通信工作状态时，可采用如图3所示的跟踪系统，在获取信标光光斑质心位置的同时监测光能量：将像素值总和S₂与单位像素值代表的能量相乘，再除以相机此时的积分时间t₂，就是此时接收到光束的功率值P₂。公式如下：

$P_2=\frac{S_2\·a}{t_2}$

根据已知的发射端发射光功率P，发散角α，通信距离D，以及望远镜直径d，便可利用下述公式计算实时得到通信链路效率β：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P}\·{\left(\frac{\mathrm{\αD}}{d}\right)}^2$

所有计算过程都可在相机内部的FPGA完成，可实时传输计算结果获得光束能量信息，并及时调整相机积分时间以适应光束能量变化，或者发送信息及时调整信标光发射端能量的输出，用以保障ATP系统的精确跟踪，实现远距离激光通信。

可以实现本发明方法的相机单个像元上单位像素值能量定标的系统结构如图2所示，包括：激光器1，非球面准直镜2，衰减片3，分光棱镜4，非球面会聚镜5，非球面会聚镜7，光功率计8。

所述的激光器1是波长在400至700nm可见光波段激光器；所述的非球面准直镜2是焦距为10mm至20mm的非球面准直镜；所述衰减片3是对400nm至700nm可见光波段光束衰减30％至60％的玻片；所述的分光棱镜4是可将入射光束分为两路能量比为1∶1光束的棱镜；所述的非球面会聚镜5是焦距为10mm至20mm的非球面透镜；被定标的相机6采用面阵探测器，帧频1～2KHz，与ATP系统的跟踪相机为同一相机；所述的非球面会聚镜7是焦距为10mm至20mm的非球面透镜；所述光功率计8是测量波长范围在200nm至1100nm，可测功率范围为50nw至50mw的光功率计。

可以实现本发明方法的激光通信ATP系统结构如图3所示，包括：信号激光器9，非球面准直镜10，分色片11，带通滤光片12，非球面会聚镜13，相机6，跟踪快速指向镜14，接收望远镜15。

所述的量子激光器9是波长在800nm至1000nm红外波段的激光器，发射发散角20至40μrad；所述的非球面准直镜10是焦距为10mm至20mm的非球面准直镜；所述的分色片11反射接收到的信标光光束，透过信号激光光束；所述的带通滤光片12透过接收到的信标光，过滤其它波段的光；所述的非球面会聚镜13是焦距为10mm至20mm的非球面透镜；所述的相机6采用面阵探测器，帧频1～2KHz，与地面单位像素能量定标时采用的相机为同一相机；所述的跟踪快速指向镜14为采用压电陶瓷驱动的快速指向镜；所述的接收望远镜15是透射式或反射式望远镜系统。

信号激光经过的光路：在该系统中信号激光器9发射信号光，通过非球面准直镜10将光纤中的信号光转换成平行光，射向分色片11；信号光大部分透过分色片再射向跟踪快速指向镜14，进一步通过望远镜15发射出去。

接收到的信标光经过的光路：自望远镜15接收进来的信标光射向跟踪快速指向镜14，然后反射至分色片11，信标光大部分由分色片反射至带通滤光片12，滤除其中可能杂有的外界其它波长的光，再通过非球面会聚镜13将信标光光斑投射在跟踪相机6的探测阵面上。

实现通信链路效率检测方法的具体步骤：

1.首先需在地面完成相机单个像元上单位像素值所代表能量的定标：

1).在设备安装发射之前，将跟踪相机取下，使用到如图2所示的相机单位像素值能量的定标系统中。打开图1中的激光器1，衰减片3将激光光束衰减至光束可在相机探测阵面上准确成像的光强状态；

2).光束通过分光棱镜4，被分成能量比为1∶1的两路光。一路进入相机6成像，计算得到在积分时间为t₁时，得到的像素值总和S₁。另一路进入光功率计(8)测量得到光束功率P₁；

3).通过公式

计算得到相机单位像素值所代表的能量a，并存储在相机内部。

2.激光通信状态时实时监测接收光束能量：

1).如图3所示的ATP系统进入激光通信状态时，信号激光器9发射信号光，通过非球面准直镜10将光纤中的信号光转换成平行光，射向分色片11；信号光大部分透过分色片再射向跟踪快速指向镜14，进一步通过望远镜15发射出去；同时信标光自望远镜16接收进来的信标光射向跟踪快速指向镜14，反射至分色片11，信标光大部分由分色片再反射至带通滤光片12，滤除其中可能杂有的外界其它波长的光，再通过非球面会聚镜13将信标光光斑投射在跟踪相机6的探测阵面上；

2).测算相机阵面上得到所有像元点的像素值总和S₂；

3).相机内部通过公式

可实时监测计算得到接收到的信标光功率值。

4).根据已知的发射端发射光功率P，发散角α，通信距离D，以及望远镜直径d，便可利用下述公式计算实时得到通信链路效率β：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P}\·{\left(\frac{\mathrm{\αD}}{d}\right)}^2$

本发明有如下有益效果：

通过地面定标得到相机阵面上单个像元单位像素值对应的能量，并在激光通信中通过ATP系统跟踪相机测算探测阵面上所有像元点的像素值总和，可使系统实时精确计算接收到的信标光能量，进而根据已知的发射端光功率、发散角、通信距离以及望远镜口径便可实时计算得到激光通信的链路效率，而无需增加测量该光功率的光路，非常适用于空间尺度的激光通信。

附图说明：

图1是跟踪相机探测阵面上光斑的示意图。

图2是在地面对相机单个像元上单位像素值能量定标的系统结构图。

图中：1.激光器；  2.非球面准直镜；  3.衰减片；

      4.分光棱镜；5.非球面镜会聚镜；6.相机；

      7.非球面镜会聚镜；8.光功率计。

图3是激光通信ATP系统的结构图；

图中：9.信号激光器；10.非球面准直镜； 11.分色片；

     12.带通滤光片；13.非球面镜会聚镜；6.相机；

     14.跟踪快速指向镜；15.望远镜。

具体实施方式：

在地面可用于单位像素所代表能量定标的系统结构与部件组成如图2所示。具体定标的实施方式：

1).在设备安装发射之前，将跟踪相机取下，使用到如图2所示的相机单位像素值能量定标的系统中。打开图1中波长为571nm的激光器1，通过THORLABS公司生产的F220FC非球面准直镜2将光纤中的信号光转换成平行光，进而通过对400nm至700nm波段光衰减30％至60％的衰减片3将激光光束衰减至光束可在相机探测阵面上准确成像的光强状态；

2).光束通过THORLABS生产的工作波长在400nm至700nm的BS007分光棱镜4，被分成能量比为1∶1的两路光。

3).一路光经过非球面会聚镜5(THORLABS公司生产的F220FC非球面准直镜反向使用)在面阵CMOS相机6成像，计算得到在积分时间为t₁时，得到的像素值总和S₁。另一路经过非球面会聚镜7(THORLABS公司生产的F220FC非球面准直镜反向使用)，进入光功率计8测量得到光束功率P₁，该功率计为THORLABS生产的PM120VA光功率计，工作在200nm至1100nm波段，测量范围50nw至50mw；

4).通过公式

计算得到相机单位像素值所代表的能量a(单位J)，并存储在相机6内部。

在系统进入激光通信工作状态时，用于实时监测接收光束能量的ATP系统结构与部件组成如图3所示。具体实施方式如下：

1).如图3所示的ATP系统进入激光通信状态时，波长为850nm的半导体信号激光器9发射信号光，通过THORLABS公司生产的F220FC非球面准直镜10将光纤中的信号光转换成平行光，射向分色片11，透过信号激光波段的光，反射信标光波段的光；信号光大部分透过分色片再射向由德国PI公司生产的S-330压电陶瓷驱动的快速指向镜14，进一步通过透射式或反射式望远镜系统15发射出去；

2).同时信标光自望远镜15接收进来的信标光射向跟踪快速指向镜14，反射至分色片11，透过信号激光波段的光，反射信标光波段的光，信标光大部分由分色片再反射至带通滤光片12，透过信标光波段的光，滤除其它波段的光，滤除其中可能杂有的外界其它波长的光，再通过非球面会聚镜13(THORLABS公司生产的F220FC非球面准直镜反向使用)将信标光光斑投射在面阵CMOS跟踪相机6的探测阵面上，该相机与地面单个像元上单位像素值定标时采用的相机为同一相机；

3).测算相机阵面上得到所有像素点的像素值总和S₂；

4).相机内部通过公式

可实时监测计算得到接收到的信标光功率值。

5).根据已知的发射端发射光功率P，发散角α，通信距离D，以及望远镜15的直径d，便可利用下述公式计算实时得到通信链路效率β：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P}\·{\left(\frac{\mathrm{\αD}}{d}\right)}^2$

Claims (2)

1.一种激光通信中跟踪相机兼容实现链路效率的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

1).在相机的单个像元的单位像素值所示能量的定标系统中确定相机(6)单个像元上单位像素值所示能量a；

2).将存储了单个像元上单位像素值所示能量a的相机(6)安装在激光通信捕获、跟踪和瞄准系统即ATP系统之中；

3).ATP系统进入激光通信状态时，信号激光器(9)发射信号光，通过非球面准直镜(10)将光纤中的信号光转换成平行光，射向分色片(11)；信号光大部分透过分色片再射向跟踪快速指向镜(14)，进一步通过望远镜(15)发射出去；同时信标光自望远镜(15)接收进来的信标光射向跟踪快速指向镜(14)，反射至分色片(11)，信标光大部分由分色片再反射至带通滤光片(12)，滤除其中可能杂有的外界其它波长的光，再通过非球面会聚镜(13)将信标光光斑投射在相机(6)的探测阵面上；

4).测算相机阵面上得到所有像素点的像素值总和S₂；

5).相机内部通过公式

实时监测计算得到接收到的信标光功率值，式中：a为单位像素值所代表的能量，S₂为所有像素点的像素值总和，t₂为相机此时的积分时间，P₂为接收到光束的功率值；

6).根据已知的发射端发射光功率P，发散角α，通信距离D，以及接收望远镜(15)直径d，利用下述公式计算实时得到通信链路效率β：

$\mathrm{\β}=\frac{P_2}{P}\·{\left(\frac{\mathrm{\αD}}{d}\right)}^2.$

2.根据权利要求1所述的一种激光通信中跟踪相机兼容实现链路效率的检测方法，其特征在于：步骤1)中所述的单个像元的单位像素值所示能量的定标系统包括：激光器(1)，非球面准直镜(2)，衰减片(3)，分光棱镜(4)，非球面会聚镜(5)，相机(6)，非球面会聚镜(7)，光功率计(8)，其中：所述的激光器(1)是波长在400nm至700nm可见光波段激光器；所述的非球面准直镜(2)是焦距为10mm至20mm非球面准直镜；所述衰减片(3)是对400nm至700nm可见光波段光束作30％至60％衰减的玻片；所述的分光棱镜(4)是将入射光束分为两路能量比为1∶1光束的棱镜；所述的非球面会聚镜(5)是焦距为10mm至20mm非球面透镜；所述的非球面会聚镜(7)是焦距为10mm至20mm非球面透镜；所述光功率计(8)是测量波长范围在200nm至1100nm，可测功率范围为50nw至50mw的光功率计；

系统定标时，激光器(1)发射的光束经过非球面准直镜(2)成为平行光，光束经过衰减片(3)衰减至在相机探测阵面上准确成像的光强状态；光束通过分光棱镜(4)被分成能量比为1∶1的两路光，一路经过非球面会聚镜(5)在相机(6)的探测阵面上成像，一路经过非球面会聚镜(7)进入光功率计(8)；

系统具体定标步骤如下：

1).将相机(6)置于定标系统中，打开激光器(1)，调整衰减片(3)将激光光束衰减至光束可在相机探测阵面上准确成像的光强状态；

2).光束通过分光棱镜(4)，被分成能量比为1∶1的两路光，一路进入相机(6)成像，计算得到在积分时间为t₁时，得到的像素值总和S₁，另一路进入光功率计(8)测量得到光束功率P₁；

3).通过公式

计算得到相机单个像元上单位像素值所代表的能量a，并存储在相机(6)内部。

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