CN103427904A - 基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法 - Google Patents

Abstract

基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，本发明涉及基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法。它为了解决由于加工及装调工艺的限制，存在于空间光通信终端的像差对终端角探测精度的影响，对空间光通信产生影响的问题。该像差补偿方法通过二维微动平台、二维微动平台驱动器、主控计算机、空间光调制器驱动器、空间光调制器、第二分光棱镜、波前传感器、编码器、平行光管和半导体激光器，实现了对光斑的质心坐标的测量，并根据该测量结果对像差进行补偿，提高终端角探测精度，由于角探测精度是靠光斑质心定位精度决定的，从而保证了空间光通信过程中通信链路正常运行的目的。本发明适用于航空和通信等领域。

Description

基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法

技术领域

本发明涉及一种像差补偿方法，具体涉及基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法。

背景技术

自1960年激光器诞生以来，光电子事业开始蓬勃发展。光学已开始在医疗、工业加工、测量、通信、电力等诸多领域服务社会。随着现代社会对信息的需求日益增加，光通信技术已成为人们关注与研究的重点。

随着卫星技术的不断发展，卫星对通讯数据率的需求也不断提高。卫星光通信因其通信数据率高、保密性好、抗干扰能力强、终端体积小、功耗低等优点已成为美国、日本及欧洲等国家和地区研究的热点。光通信主要分为光纤通信与卫星光通信（无线光通信）。光纤通信技术现已比较成熟，并已经到投入到社会生产生活当中。而卫星光通信则仍在积极的探索与实践中。卫星光通信与普通卫星通信（微波通信）相比，有着其自身的特点。卫星光通信的优点在于：通信数据率高（可达2～5Gb/s）、抗干扰能力强、保密性好、通信终端体积、功耗与重量远远小于微波通信等。当然，卫星光通信也存在其自身的问题，即卫星与地面的激光通信链路受大气及降雨影响比较大。然而这些问题可以通过加设地面站及通过中继星通信等光通信组网技术来解决。

在卫星光通信系统中，瞄准、捕获、跟踪（PAT）技术是关系到激光通信链路能否建立的关键技术。影响PAT技术的一个关键参量是通过跟踪传感器对对准角度的测量，其实质是通过图像传感器对信标光斑图像灰度质心的计算。

卫星激光通信系统是工作在光学衍射极限、通信距离极限及光电探测极限条件下高灵敏度的通信系统。为保证通信链路在如此苛刻的条件下具有良好的通信性能，系统对卫星光通信终端的各项性能指标及光束的质量都有极高的要求。由于加工精度、装调精度及终端整体设计的原因，星间及星地激光通信链路的接收端在完成地面装调后，系统中始终会存在残余像差，这些像差对信标光斑成像的影响会光斑灰度质心定位的精度。由于光斑灰度质心是影响角度探测的关键量，因此光斑灰度质心的定位不准确将直接影响通信的瞄准捕获跟踪过程，严重时甚至可能导致通信链路的中断。

因此，为了实现高质量的空间光通信，需要在光通信终端随航天器发射之前在地面对系统中的像差进行补偿，或在光通信终端光学系统中加装自适应系统来自动校正。但是由于自适应系统不仅造价昂贵，而且在终端中加装该系统还会带来额外的功耗，增加终端体积及重量的同时也增加了终端发射的成本。因此目前还没有空间光通信终端加装自适应系统的案例。一般的地面补偿像差方法只能是提高光学系统总各部原件的加工精度以及提高光学系统整体的装调精度。然而由于加工及装调工艺的限制，无法将空间光通信终端的像差对光斑质心计算的影响消除。

发明内容

本发明为了解决由于加工及装调工艺的限制，存在于空间光通信终端的像差对终端角探测精度的影响，对空间光通信产生影响的问题，从而提出了基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法。

基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，所述的空间光通信终端包括望远镜、第一分光棱镜、整形透镜组和CMOS图像传感器，

入射至望远镜的光束经压缩后入射至第一分光棱镜，

经第一分光棱镜折射的基准光束经整形透镜组入射至CMOS图像传感器，

像差补偿方法包括下述步骤：

步骤一、采用主控计算机向编码器发送编码指令，同时控制半导体激光器发光，编码器为半导体激光器提供调制信号，所述的半导体激光器的光纤发射头位于平行光管的焦点上，主控计算机的图像信号端连接CMOS图像传感器的图像信号端，执行步骤二；

步骤二、将波前传感器放置于平行光管的出光口，使经平行光管的原始光束入射至波前传感器表面的探测区域，主控计算机根据波前传感器采集的波形信号进行测量，获得原始光束波前像差的泽尼克多项式系数A，执行步骤三；

步骤三、将空间光通信终端的望远镜的入光口与平行光管的出光口对准，使经平行光管的激光入射至望远镜的入光口，执行步骤四；

步骤四、采用主控计算机读取CMOS图像传感器采集的基准光图像信号，将所述的基准光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a，执行步骤五；

步骤五、将二维微动平台放置在望远镜的出光口，使经望远镜出光口的光束入射至二维微动平台，经空间光调制器入射至第二分光棱镜，经第二分光棱镜透射的光束入射至波前传感器，经第二分光棱镜折射的测试光束入射至整形透镜组，经整形透镜组整形的测试光束入射至CMOS图像传感器，

采用主控计算机的微动平台驱动信号输出端连接二维微动平台驱动器，

二维微动平台驱动器的控制信号输出端连接二维微动平台的控制信号输入端；

采用主控计算机的光调制驱动信号输出端连接空间光调制器驱动器的光调制驱动信号输入端，

空间光调制器驱动器的控制信号输出端连接空间光调制器的控制信号输入端，

执行步骤六；

步骤六、采用主控计算机读取CMOS图像传感器采集的测试光束图像信号，将所述的测试光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a’，调整二维微动平台、空间光调制器、第二分光棱镜和整形透镜组的位置，使测试光图像信号的光斑质心坐标a’与基准光图像信号的光斑质心坐标a相同，执行步骤七；

步骤七、采用主控计算机读取波前传感器采集的光束质量数据，所述的光束质量数据作为泽尼克多项式系数B，执行步骤八；

步骤八、将步骤二获得的泽尼克多项式系数A与步骤七获得的泽尼克多项式系数B的相同项做差，获得空间光通信终端的真实泽尼克多项式系数C，执行步骤九；

步骤九、调整二维微动平台的倾角，并同时调整空间光调制器的相位和灰度，使CMOS图像传感器采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器和二维微动平台补偿波前像差，执行步骤十；

步骤十、采用主控计算机读取波前传感器采集的波形信号，获得新的泽尼克多项式系数B’，将泽尼克多项式系数A与新的泽尼克多项式系数B’做差，获得新的泽尼克多项式系数C’，执行步骤十一；

步骤十一、判断步骤十所述的新的泽尼克多项式系数C’的系统整体误差是否大于或等于1/20λ，若是则执行步骤八；若否则执行步骤十二；

其中，λ表示原始光束的激光波长，

步骤十二、采用主控计算机读取CMOS图像传感器采集新的光斑质心坐标b’，并存储该光斑质心坐标b’，执行步骤十三；

步骤十三、采用主控计算机经基准光图像信号的光斑质心坐标a坐标量与步骤十二存储的新的光斑质心坐标b’的坐标量做差，获得像差产生的坐标偏移量，所述的坐标偏移量即为像差修正参数，主控计算机根据像差修正参数对空间光通信终端进行像差补偿。

所述的平行光管为离轴长焦的平行光管。

空间光调制器为反射式的空间光调制器。

本发明所述的像差补偿方法在地面通过辅助设备，所述的辅助设备包括二维微动平台、二维微动平台驱动器、主控计算机、空间光调制器驱动器、空间光调制器、第二分光棱镜、波前传感器、编码器、平行光管和半导体激光器，实现了对光斑的质心坐标的测量，并根据该测量结果对像差进行补偿，提高终端角探测精度，由于角探测精度是靠光斑质心定位精度决定的，从而保证了空间光通信过程中通信链路正常运行的目的。

附图说明

图1为对空间光通信终端的像差进行质心补偿的结构示意图；

图2为空间光通信终端的结构示意图；

图3为对平行光管13进行调试的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图3具体说明本实施方式，本实施方式所述的基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，所述的空间光通信终端包括望远镜1、第一分光棱镜2、整形透镜组10和CMOS图像传感器11，

入射至望远镜1的光束经压缩后入射至第一分光棱镜2，

经第一分光棱镜2折射的基准光束经整形透镜组10入射至CMOS图像传感器11，

像差补偿方法包括下述步骤：

步骤一、采用主控计算机5向编码器12发送编码指令，同时控制半导体激光器14发光，编码器12为半导体激光器14提供调制信号，所述的半导体激光器14的光纤发射头位于平行光管13的焦点上，主控计算机5的图像信号端连接CMOS图像传感器11的图像信号端，执行步骤二；

步骤二、将波前传感器9放置于平行光管13的出光口，使经平行光管13的原始光束入射至波前传感器9表面的探测区域，主控计算机5根据波前传感器9采集的波形信号进行测量，获得原始光束波前像差的泽尼克多项式系数A，执行步骤三；

步骤三、将空间光通信终端的望远镜1的入光口与平行光管13的出光口对准，使经平行光管13的激光入射至望远镜1的入光口，执行步骤四；

步骤四、采用主控计算机5读取CMOS图像传感器11采集的基准光图像信号，将所述的基准光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a，执行步骤五；

步骤五、将二维微动平台3放置在望远镜1的出光口，使经望远镜1出光口的光束入射至二维微动平台3，经空间光调制器7入射至第二分光棱镜8，经第二分光棱镜8透射的光束入射至波前传感器9，经第二分光棱镜8折射的测试光束入射至整形透镜组10，经整形透镜组10整形的测试光束入射至CMOS图像传感器11，

采用主控计算机5的微动平台驱动信号输出端连接二维微动平台驱动器4，

二维微动平台驱动器4的控制信号输出端连接二维微动平台3的控制信号输入端；

采用主控计算机5的光调制驱动信号输出端连接空间光调制器驱动器6的光调制驱动信号输入端，

空间光调制器驱动器6的控制信号输出端连接空间光调制器7的控制信号输入端，

执行步骤六；

步骤六、采用主控计算机5读取CMOS图像传感器11采集的测试光束图像信号，将所述的测试光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a’，调整二维微动平台3、空间光调制器7、第二分光棱镜8和整形透镜组10的位置，使测试光图像信号的光斑质心坐标a’与基准光图像信号的光斑质心坐标a相同，执行步骤七；

步骤七、采用主控计算机5读取波前传感器9采集的光束质量数据，所述的光束质量数据作为泽尼克多项式系数B，执行步骤八；

步骤八、将步骤二获得的泽尼克多项式系数A与步骤七获得的泽尼克多项式系数B的相同项做差，获得空间光通信终端的真实泽尼克多项式系数C，执行步骤九；

步骤九、调整二维微动平台3的倾角，并同时调整空间光调制器7的相位和灰度，使CMOS图像传感器11采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器7和二维微动平台3补偿波前像差，执行步骤十；

步骤十、采用主控计算机5读取波前传感器9采集的波形信号，获得新的泽尼克多项式系数B’，将泽尼克多项式系数A与新的泽尼克多项式系数B’做差，获得新的泽尼克多项式系数C’，执行步骤十一；

步骤十一、判断步骤十所述的新的泽尼克多项式系数C’的系统整体误差是否大于或等于1/20λ，若是则执行步骤八；若否则执行步骤十二；

其中，λ表示原始光束的激光波长，即为光通信终端信标光的波长，

步骤十二、采用主控计算机5读取CMOS图像传感器11采集新的光斑质心坐标b’，并存储该光斑质心坐标b’，执行步骤十三；

步骤十三、采用主控计算机5经基准光图像信号的光斑质心坐标a坐标量与步骤十二存储的新的光斑质心坐标b’的坐标量做差，获得像差产生的坐标偏移量，所述的坐标偏移量即为像差修正参数，主控计算机5根据像差修正参数对空间光通信终端进行像差补偿。

在进行像差补偿方法之前，需采用干涉仪和辅助CCD调整半导体激光器14的光纤发射头的位置，使半导体激光器14的光纤发射头放置在平行光管13焦点上。

在本实施方式的步骤一中，通过平行光管13将半导体激光器14发射的光束整形为平行光束，在实际应用中空间光通信终端接收的是来自远场的平行光束，半导体激光器14发出的光束散角较大，需要通过平行光管13整形后空间光通信终端才能接收。

具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法的区别在于，所述的平行光管13为离轴长焦的平行光管。

具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法的区别在于，空间光调制器7为反射式的空间光调制器。

Claims (3)

1.基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，所述的空间光通信终端包括望远镜（1）、第一分光棱镜（2）、整形透镜组（10）和CMOS图像传感器（11），

入射至望远镜（1）的光束经压缩后入射至第一分光棱镜（2），

经第一分光棱镜（2）折射的基准光束经整形透镜组（10）入射至CMOS图像传感器（11），

其特征在于：像差补偿方法包括下述步骤：

步骤一、采用主控计算机（5）向编码器（12）发送编码指令，同时控制半导体激光器（14）发光，编码器（12）为半导体激光器（14）提供调制信号，所述的半导体激光器（14）的光纤发射头位于平行光管（13）的焦点上，主控计算机（5）的图像信号端连接CMOS图像传感器（11）的图像信号端，执行步骤二；

步骤二、将波前传感器（9）放置于平行光管（13）的出光口，使经平行光管（13）的原始光束入射至波前传感器（9）表面的探测区域，主控计算机（5）根据波前传感器（9）采集的波形信号进行测量，获得原始光束波前像差的泽尼克多项式系数A，执行步骤三；

步骤三、将空间光通信终端的望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口对准，使经平行光管（13）的激光入射至望远镜（1）的入光口，执行步骤四；

步骤四、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的基准光图像信号，将所述的基准光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a，执行步骤五；

步骤五、将二维微动平台（3）放置在望远镜（1）的出光口，使经望远镜（1）出光口的光束入射至二维微动平台（3），经空间光调制器（7）入射至第二分光棱镜（8），经第二分光棱镜（8）透射的光束入射至波前传感器（9），经第二分光棱镜（8）折射的测试光束入射至整形透镜组（10），经整形透镜组（10）整形的测试光束入射至CMOS图像传感器（11），

采用主控计算机（5）的微动平台驱动信号输出端连接二维微动平台驱动器（4），

二维微动平台驱动器（4）的控制信号输出端连接二维微动平台（3）的控制信号输入端；

采用主控计算机（5）的光调制驱动信号输出端连接空间光调制器驱动器（6）的光调制驱动信号输入端，

空间光调制器驱动器（6）的控制信号输出端连接空间光调制器（7）的控制信号输入端，

执行步骤六；

步骤六、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的测试光束图像信号，将所述的测试光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标a’，调整二维微动平台（3）、空间光调制器（7）、第二分光棱镜（8）和整形透镜组（10）的位置，使测试光图像信号的光斑质心坐标a’与基准光图像信号的光斑质心坐标a相同，执行步骤七；

步骤七、采用主控计算机（5）读取波前传感器（9）采集的光束质量数据，所述的光束质量数据作为泽尼克多项式系数B，执行步骤八；

步骤八、将步骤二获得的泽尼克多项式系数A与步骤七获得的泽尼克多项式系数B的相同项做差，获得空间光通信终端的真实泽尼克多项式系数C，执行步骤九；

步骤九、调整二维微动平台（3）的倾角，并同时调整空间光调制器（7）的相位和灰度，使CMOS图像传感器（11）采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器（7）和二维微动平台（3）补偿波前像差，执行步骤十；

步骤十、采用主控计算机（5）读取波前传感器（9）采集的波形信号，获得新的泽尼克多项式系数B’，将泽尼克多项式系数A与新的泽尼克多项式系数B’做差，获得新的泽尼克多项式系数C’，执行步骤十一；

步骤十一、判断步骤十所述的新的泽尼克多项式系数C’的系统整体误差是否大于或等于1/20λ，若是则执行步骤八；若否则执行步骤十二；

其中，λ代表测试过程中使用的激光波长，

步骤十二、采用主控计算机5读取CMOS图像传感器11采集新的光斑质心坐标b’，并存储该光斑质心坐标b’，执行步骤十三；

步骤十三、采用主控计算机（5）经基准光图像信号的光斑质心坐标a坐标量与步骤十二存储的新的光斑质心坐标b’的坐标量做差，获得像差产生的坐标偏移量，所述的坐标偏移量即为像差修正参数，主控计算机（5）根据像差修正参数对空间光通信终端进行像差补偿。

2.根据权利要求1所述的基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，其特征在于：所述的平行光管（13）为离轴长焦的平行光管。

3.根据权利要求1所述的基于地面测试的空间光通信终端的像差补偿方法，其特征在于：空间光调制器（7）为反射式的空间光调制器。

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