CN102879108B - 一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，包括成像透镜、分光四棱锥和四象限探测器，在成像透镜和四象限探测器之间加入了一分光四棱锥，利用分光四棱锥将入射波前经成像透镜后形成的光斑分割并偏转为四路光束后，由四象限探测器的探测四路光束的光强并根据光强数据计算波前的倾斜量，与传统的将四象限探测器的光敏面直接放置在成像透镜的焦平面处的方法相比，本发明的四象限倾斜跟踪传感器的死区宽度等于分光四棱锥棱的宽度，因此当四象限探测器的死区宽度大于分光四棱锥棱的宽度时，可以提高四象限倾斜跟踪传感器的波前倾斜探测的精度。

Description

一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器

技术领域

本发明涉及倾斜跟踪传感器的技术领域，特别是一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，其为一种具有大动态范围和高探测精度的光学精密跟踪传感器。

背景技术

星-地光通信是指利用激光束为载体，建立卫星与地面间的光通信链路。与目前普遍采用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系统尺寸和重量小、保密性强、电磁干扰少和频带宽等优点。因此，许多国家都投入了巨大的财力、人力和物力进行星-地光通信的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系统成功地完成星-地间激光通信试验，证明了星-地间激光通信的可行性。美国的喷气动力实验室JPL（Jet Propulsion Lab）研制的星-地光通信演示机OCD（Optical Communications Demonstrator）数据传输率可达250Mbps，美国弹道导弹防御组织于空间和导弹防御司令部共同资助的STRV2星-地激光通信计划预计在低轨道卫星与固定地面站之间建立距离为2000km，数据传输率为1Gbps的光通信链路。欧洲的欧空局ESA研制的GEO卫星AREMIS于2000年发射，其中的一条光链路可以实现卫星与位于Canary岛的地面站间之间的通信。

ATP（Acquisition,Tracking,Pointing）技术是星-地光通信中需要突破的核心技术之一，ATP系统由倾斜跟踪器、控制单元和驱动单元组成。在星-地光通信的ATP系统中，由于光传输需要经过大气这一随机信道，受大气湍流低阶相差和卫星运动的影响，到达系统的光斑会大范围地随机抖动，为了保证星-地光通信链路的畅通，ATP系统中的倾斜跟踪探测器必须具有大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等特点。

倾斜跟踪探测器一般由成像透镜、光电转换器件和波前倾斜处理机组成。来自目标的光信号经成像透镜汇集后投射在光电转换器件的光敏面上形成目标光斑，当目标波前倾斜量改变时，目标光斑在光电转换器件的光敏面上移动，光敏面上光能量分布改变，这时，波前倾斜处理机可以根据光电转换器件输出的光电信号来计算出目标光斑的质心位置从而解算出目标波前的倾斜量。光电转换器件目前多采用CCD相机、CMOS相机或四象限探测器，其中CCD相机的低读出帧频的缺点限制了其在高帧频探测中的应用；CMOS相机的大噪声和低光敏感度等缺点限制了其在弱光探测中的应用。

随着多阳极光电倍增管的发展，基于多阳极光电倍增管的四象限探测器的四路信号可以并行输出，并且单路信号具有光子灵敏度和仅暗计数噪声的特点，因此具有高帧频、高灵敏度和低噪声的特点，是一种比较理想的光斑质心探测器件。受到加工工艺的限制，基于多阳极光电倍增管的四象限探测器的死区较大，受限于系统的动态范围，成像透镜的焦距不能无限制地增大以增大四象限探测器处光斑的高斯宽度，此时死区会大幅度地降低四象限跟踪传感器的精度（参见“受限于死区的四象限跟踪传感器的性能分析”，马晓燠，母杰，饶长辉，物理学报，第22卷7期，第67页-73页，2012年7期）。

为了保证星-地光通信中ATP系统动态范围的同时提高系统的精度、减小四象限探测器死区对四象限跟踪传感器精度的影响，就成了一个很重要的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有四象限探测器生产工艺技术的不足，减小死区对四象限跟踪传感器测量精度的影响，提供一种具有大动态范围、高探测精度的光学精密跟踪传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：1、一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，包括成像透镜（1）、分光四棱锥（2）和四象限探测器（3），其特征在于：在成像透镜（1）和四象限探测器（3）之间放置一分光四棱锥（2），分光四棱锥（2）的顶点与成像透镜（1）的焦点重合，分光四棱锥（2）的中轴线与成像透镜（1）的光轴重合，四象限探测器（3）的光敏面垂直于分光四棱锥（2）的中轴线，并且四象限探测器（3）象限之间的分割线与分光四棱锥（2）的四条棱在四象限探测器（3）光敏面上的投影重合；分光四棱锥（2）将入射波前经成像透镜（1）后形成的光斑分割并偏转为四路出射光束，该四路光束分别由四象限探测器（3）的四个光敏面接收，当入射波前发生倾斜时，入射波前经成像透镜（1）后形成的光斑在会偏离分光四棱锥（2）的顶点，导致分光四棱锥（2）四路出射光束的光强发生变化，由于四象限探测器（3）的四路输出信号正比于四路光束的光强，所以将四象限探测器（3）的输出信号通过质心计算公式计算后就可以得到焦平面处光斑的位置，从而反算出入射波前的倾斜量；

为了保证四路出射光束均能落四象限探测器对应的象限上，需要保证分光四棱锥与四象限探测器之间的距离d满足：

$d\≥\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{tg}(\mathrm{\β}/2)}$

其中：Δ是四象限探测器单个象限的死区宽度，β是分光四棱锥的分光能力，β的计算公式为：

β＝(n-1)·α

其中，α为分光四棱锥顶角的补角；

四象限跟踪传感器的跟踪误差计算公式：

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_x}{|}_{{\mathrm{\α}}_x=0}=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2\·E\·N_s}}\·\frac{\mathrm{\η}\·\mathrm{\λ}}{d}\·{\exp }^{-1}[-{\left(\frac{1}{2\sqrt{2}\mathrm{\Γ}}\right)}^2]$

其中：E是四象限探测器的量子效率；N_s是到达光子数；η是光斑的高斯宽度计算常数，圆孔衍射时值为0.431、方孔衍射时值为0.353；d是成像透镜入射光瞳的尺寸；λ是入射波前的波长；Γ是光斑的高斯宽度与死区宽度之比；

显然，在不改变成像透镜参数的条件下，经成像透镜形成的光斑高斯宽度是一定的，如果分光四棱锥的死区宽度小于四象限探测器的死区宽度时，光斑的高斯宽度与死区宽度之比：Γ_四棱锥＞Γ_四象限，所以即带分光四棱锥的四象限跟踪传感器的跟踪误差低于传统的四象限跟踪传感器的跟踪误差。

所述的质心计算公式为： $x=\frac{(i_3+i_2)-(i_1+i_4)}{i_1+i_2+i_3+i_4},y=\frac{(i_3+i_4)-(i_1+i_2)}{i_1+i_2+i_3+i_4},$ 其中：i₁、i₂、i₃和i₄分别是四象限探测器第I象限、第II象限、第III象限和第IV象限的输出信号；

所述的四象限探测器可以是单个的四象限探测器，也可以是由四个独立的光强探测器拼接成的四象限探测器。

本发明与现有技术相比有如下优点：

（1）、传统的倾斜跟踪传感器将四象限探测器直接放置在成像透镜的焦面处，此时四象限探测器的死区会直接影响到倾斜跟踪传感器的精度，本发明通过分光四棱锥将入射波前经成像透镜后形成的光斑分割并偏转为四路光束，此时，死区宽度等于分光四棱锥棱的宽度，因此当四象限探测器的死区宽度大于分光四棱锥棱的宽度时，可以减小四象限倾斜跟踪传感器的死区宽度，从而提高了波前倾斜探测的精度。

（2）、由于本发明没有改变四象限跟踪传感器中成像透镜的有效焦距，因此，本发明不会影响四象限倾斜跟踪传感器原有的动态范围。

附图说明

图1为本发明的带分光四棱锥的四象限跟踪传感器示意图；

图2为传统的四象限跟踪传感器示意图；

图3为四象限探测器分割光斑示意图；

图4为本发明中分光四棱锥分割光斑示意图；

图5为分光四棱锥分割光斑后光束偏转角度示意图。

图6为本发明带分光四棱锥的四象限跟踪传感器的跟踪误差曲线与传统的四象限跟踪传感器的跟踪误差曲线图。

图中：1：成像透镜，2：分光四棱锥，3：四象限探测器。

具体实施方式

本发明包括成像透镜1、分光四棱锥2和四象限探测器3。如图1所示：分光四棱锥2位于成像透镜1和四象限探测器3之间，分光四棱锥2的顶点与成像透镜1的焦点重合，分光四棱锥2的中轴线与成像透镜1的光轴重合，四象限探测器3的光敏面垂直于分光四棱锥2的中轴线，并且四象限探测器3象限之间的分割线与分光四棱锥2的四条棱在四象限探测器3光敏面上的投影重合；分光四棱锥2将入射波前经成像透镜1后形成的光斑分割并偏转为四路出射光束，该四路光束分别由四象限探测器3的四个光敏面接收。

在本实施例中，采用多阳极光电倍增管作为四象限探测器3，其死区尺寸为0.2mm，单个象限的光敏面的尺寸为9mmx9mm；分光四棱锥2单条棱的宽度为20um，顶角为178度，直径为25mm，材料的折射率为1.55；成像透镜1的口径为50mm，等效焦距为4000mm。

首先根据分光四棱锥2的分光特性（如图4所示）计算分光四棱锥2与四象限探测器3之间的最小距离d|_min（如图1所示）。

${d|}_{\min }=\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{tg}(\mathrm{\β}/2)}---\left(1\right)$

其中：Δ是四象限探测器3单个象限的死区宽度（如图3所示），β是分光四棱锥2的分光能力，β的计算公式为：

β＝(n-1)·α     (2)

其中，α为分光四棱锥2顶角的补角。

因此，在本实施例中，分光四棱锥2与四象限探测器3之间的最小距离d|_min＝5.8mm，为了保证四路光束均能落四象限探测器3对应的象限上，本实施例取d=10mm。

由图5所示，四象限探测器3上光强的分布与光斑在分光四棱锥2四个锥面处光强的分布是关于原点镜像对称的，所以，由四象限探测器3的输出信号反算成像透镜1焦面处光斑的质心公式为：

$\left\{\begin{array}{c}x=\frac{(i_3+i_2)-(i_1+i_4)}{i_1+i_2+i_3+i_4}\\ y=\frac{(i_3+i_4)-(i_1+i_2)}{i_1+i_2+i_3+i_4}\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中：i₁、i₂、i₃和i₄分别是四象限探测器3第I象限、第II象限、第III象限和第IV象限的输出信号。

根据文献“死区对四象限跟踪传感器跟踪精度的影响，马晓燠，母杰，饶长辉，物理学报，2012第7期”中的结论可知，死区对四象限倾斜跟踪传感器精度的影响是由入射波前经成像透镜1后形成的光斑的高斯宽度与死区之比决定的。在本实施例中，入射波前经成像透镜1后形成的光斑的高斯宽度所以，当采用分光四棱锥2时，四象限跟踪传感器的死区宽度等于分光四棱锥2单条棱的宽度，即：Γ₁＝20um/20um＝1。

如图2所示，传统四象限跟踪传感器是将四象限探测器3的光敏面直接放置在成像透镜1的焦平面处，此时，四象限跟踪传感器的死区宽度等于四象限探测器3的死区宽度，即：Γ₁＝20um/200um＝0.1。

四象限跟踪传感器的跟踪误差计算公式：

${\mathrm{\σ}}_{{\mathrm{\α}}_x}{|}_{{\mathrm{\α}}_x=0}=\sqrt{\frac{\mathrm{\π}}{2\·E\·N_s}}\·\frac{\mathrm{\η}\·\mathrm{\λ}}{d}\·{\exp }^{-1}[-{\left(\frac{1}{2\sqrt{2}\mathrm{\Γ}}\right)}^2]---\left(4\right)$

其中：E是四象限探测器3的量子效率；N_s是到达光子数；η是光斑的高斯宽度计算常数，圆孔衍射时值为0.431、方孔衍射时值为0.353；d是成像透镜1入射光瞳的尺寸；λ是入射波前的波长；Γ是光斑的高斯宽度与四象限跟踪传感器的死区宽度之比。

将以上参数代入式（4）可得，本发明带分光四棱锥的四象限跟踪传感器的跟踪误差曲线与传统的四象限跟踪传感器的跟踪误差曲线如图6所示，显然，本发明带分光四棱锥的四象限跟踪传感器的跟踪误差远低于传统的四象限跟踪传感器的跟踪误差。由于没有改变成像透镜1的等效焦距，因此可以证明本发明可以在不改变四象限跟踪传感器的动态范围的同时提高四象限倾斜跟踪传感器的精度。

本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，包括成像透镜(1)、分光四棱锥(2)和四象限探测器(3)，其特征在于：在成像透镜(1)和四象限探测器(3)之间放置一分光四棱锥(2)，分光四棱锥(2)的顶点与成像透镜(1)的焦点重合，分光四棱锥(2)的中轴线与成像透镜(1)的光轴重合，四象限探测器(3)的光敏面垂直于分光四棱锥(2)的中轴线，并且四象限探测器(3)象限之间的分割线与分光四棱锥(2)的四条棱在四象限探测器(3)光敏面上的投影重合；分光四棱锥(2)将入射波前经成像透镜(1)后形成的光斑分割并偏转为四路出射光束，该四路光束分别由四象限探测器(3)的四个光敏面接收，当入射波前发生倾斜时，入射波前经成像透镜(1)后形成的光斑在会偏离分光四棱锥(2)的顶点，导致分光四棱锥(2)四路出射光束的光强发生变化，由于四象限探测器(3)的四路输出信号正比于四路光束的光强，所以将四象限探测器(3)的输出信号通过质心计算公式计算后就可以得到焦平面处光斑的位置，从而反算出入射波前的倾斜量；

为了保证四路出射光束均能落四象限探测器对应的象限上，需要保证分光四棱锥与四象限探测器之间的距离d满足：

$d\≥\frac{\mathrm{\Δ}}{\mathrm{tg}(\mathrm{\β}/2)}$

其中：Δ是四象限探测器单个象限的死区宽度，β是分光四棱锥的分光能力，β的计算公式为：

β＝(n-1)·α

其中，α为分光四棱锥顶角的补角。