CN104049354B - 一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法，引入一束信标光和两块快速控制反射镜，分别叫做下45°光轴快速控制反射镜和平台光瞳快速控制反射镜，在方位轴以上放置检测光轴和光瞳的光轴探测器和光瞳探测器，光轴探测器与下45°光轴快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光轴自动调整；光瞳探测器与平台光瞳快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光瞳自动调整。本发明利用两块快速控制反射镜作为执行元件，光电探测器作为处理单元，有效提高了方位轴与发射光轴重合调整的速度和精度。

Description

一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法

技术领域

本发明涉及激光通信领域望远镜系统发射光轴的调整方法，特别是涉及一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法。

背景技术

自人类从20世纪60年代进行空间探索以来，信息的传送都是依赖于电波，然而随着无线电波频谱的日益拥挤以及人们传输的数据量的日益增大，科学家们开始将目光逐渐投向建立以光波为基础的通信链路。激光通信的优点：通信频带宽、信息容量大；抗干扰、抗截获能力强；体积小、质量轻、功耗低。

激光通信望远镜系统是建立激光通信链路的前提，同时也是激光通信的一个主要技术难点。对于共孔径发射与接收望远镜系统而言，为了实现与目标的星地激光通信，望远镜系统方位轴会随着目标的移动进行旋转，信号光经方位轴、俯仰轴、主镜筒最终到达目标。但当发射轴与系统光轴不重合时，到达目标的光斑也会随着方位轴的旋转形成圆形的轨迹，大大降低了通信效率。即使事先进行了相应的调整，由于环境温度变化、重力作用以及平台震动等原因，也会造成望远镜方位轴和发射光轴发生偏离、不重合，从而影响了系统的指向瞄准精度。因此，在望远镜装调过程中，需要对系统方位轴与发射光轴重合度进行检测和调整，并且在实际应用过程中需要定期检测和调整望远镜方位轴和发射光轴的重合度，以保证最终的指向瞄准精度。

目前的光路调整必须经验丰富的工作人员进行操作，通过多次重复调整下45°反射镜和平台反射镜以达到对系统方位轴与发射光轴重合。由于通过人工判读，具有较强的主观性，而且精度差，耗时长。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法。引入一束信标光和两块快速控制反射镜，分别叫做下45°光轴快速控制反射镜和平台光瞳快速控制反射镜，在方位轴以上放置检测光轴和光瞳的光轴探测器和光瞳探测器，光轴探测器与下45°光轴快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光轴自动调整；光瞳探测器与平台光瞳快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光瞳自动调整。在实现快速调整系统方位轴与发射光轴重合度时，具有时间短、精度高的优点。本发明利用快速反射镜和光电探测器自动的实现调整，提高了调整速度和精度。

本发明所采用的技术方案是：如图1所示，自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法，其特征在于：在望远镜13中引入一束信标光，通过下45°光轴快速控制反射镜11、平台光瞳快速控制反射镜8、光轴探测器2和光瞳探测器4实现方位轴与系统光轴重合的快速自动调整。旋转方位轴10，利用光轴探测器2和光瞳探测器4输出的脱靶量数据，拟合出光轴以及光瞳闭环中心，分别驱动下45°光轴快速控制反射镜11和光瞳快速控制反射镜8实现自动快速调整。

所述的光瞳探测器与平台光瞳快速反射镜组成闭环控制系统，实现对光瞳的自动调整；光轴探测器与下45°光轴快速反射镜组成闭环控制系统，实现对光轴的自动调整。

所述的光瞳探测器和光轴探测器可以是电荷耦合器件CCD，或者位置敏感传感器PSD以及其它的二维阵列探测器。

所述的信标光口径需要充满光路中反射镜的口径。

本发明所述的自动调整望远镜方位轴与发射光轴重合的方法通过以下步骤实现：

步骤1、激光器9开启，信标光由激光器9发出，并开启下45°光轴快速控制反射镜11、平台光瞳快速控制反射镜8、光轴探测器2、光瞳探测器4、驱动控制单元1，并进行初始化；

步骤2、光轴探测器2探测到信标光，望远镜方位轴旋转一周，方位轴每旋转1°时，计算信标光在光轴探测器2靶面上的质心位置，分别为(Xa1，Ya1)，(Xa2，Ya2)，...(Xa360，Ya360)，利用以上的质心位置数据，拟合得到圆心的位置(Xa，Ya)；信标光在光瞳探测器4靶面上的质心位置，分别为(Xp1，Yp1)，(Xp2，Yp2)，...(Xp360，Yp360)，利用以上的质心位置数据，拟合得到圆心的位置(Xp，Yp)。

步骤3、检测当前信标光在光轴探测器2靶面上的位置为(Xa’，Ya’)，检测当前信标光在光瞳探测器4靶面上的位置为(Xp’，Yp’)。

信标光在水平和垂直方向上的质心与拟合圆心(Xa，Ya)偏移量dXa，dYa计算公式为：

驱动控制单元1驱动下45°光轴快速控制反射镜11偏转一定角度移动到拟合圆心位置(Xa，Ya)，下45°光轴快速控制反射镜11偏转的角度(θ_X，θ_Y)。

步骤4、下45°光轴快速控制反射镜11与缩束系统6的距离为L₁，平台光瞳快速控制反射镜8与缩束系统6的距离为L₂，驱动控制单元1驱动平台光瞳快速控制反射镜8偏转到初始位置(Xp’，Yp’)，偏转角度为：

步骤5、驱动控制单元1驱动平台光瞳快速控制反射镜8由位置(Xp’，Yp’)偏转到拟合的光瞳圆心(Xp，Yp)，平台光瞳快速控制反射镜8偏转角度(θ_X″，θ_Y″)。

步骤4与步骤5可以同时进行，即驱动控制单元1驱动平台光瞳快速控制反射镜8偏转角度为(θ_pX，θ_pY)：

由上述可知，本发明方法利用快速控制反射镜作为执行元件，光电探测器作为探测处理元件，有效提高了激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合调整的速度。

本发明与现有技术相比所具有的特点是：本发明利用两块快速控制反射镜作为执行元件，光电探测器作为处理单元，实现了方位轴与发射光轴重合自动的调整，同时由于温度变化和平台震动，需要经常检查、调整方位轴和发射光轴重合度，本发明利用传感器信息可以有效的减少因人工调整带来了误差以及避免人工判读带来的不确定因素。

附图说明

图1为本发明自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法的示意图；

图2为本发明自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法的流程示意图。

图中：1表示驱动控制单元，2表示光轴探测器，3表示聚焦透镜，4表示光瞳探测器，5表示分光镜，6表示缩束系统，7表示立柱45°反射镜，8表示平台光瞳快速控制反射镜，9表示激光器，10表示方位轴，11表示下45°快速控制反射镜，12表示上45°反射镜，13表示望远镜。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。

如图1所示，本发明实施例的自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法。光瞳探测器4和平台光瞳快速控制反射镜8组成闭环控制系统，实现光瞳的重合调整；光轴探测器2和下45°光轴快速控制反射镜11组成闭环控制系统，实现光轴的重合调整。激光器9发出的信标光经过平台光瞳快速控制反射镜8、下45°光轴快速控制反射镜11、上45°反射镜12、立柱45°反射镜，反射光直接进入缩束系统6，经缩束系统6缩束后的光入射至分光镜5，透射光直接进入光瞳探测器4，反射光经过聚焦透镜3聚焦后成像在光轴探测器2靶面上。光瞳探测器4、光轴探测器2使用位置灵敏度探测器PSD。平台光瞳快速控制反射镜8与光瞳探测器组成闭环控制系统，实现光瞳重合调整。下45°光轴快速控制反射镜11与光轴探测器9组成闭环控制系统，实现光轴重合调整。整个闭环系统的驱动控制由驱动控制单元1控制，实现数据采集、处理以及对两个快速控制反射镜的控制。

具体执行步骤如下：

步骤1、开启激光器，并开启下45°光轴快速控制反射镜、平台光瞳快速控制反射镜、光轴探测器、光瞳探测器、驱动控制单元，完成初始化；

步骤2、光轴探测器探测到信标光，在望远镜工作过程中，方位轴旋转一周360°。方位轴每旋转1°，计算信标光在光轴探测器靶面上的质心位置，拟合得到圆心的位置；信标光在光瞳探测器靶面上的质心位置，拟合得到圆心的位置；

步骤3、驱动控制单元驱动下45°光轴快速控制反射镜移动到光轴探测器拟合的圆心位置；

步骤4、驱动控制单元驱动平台光瞳快速控制反射镜移动到光瞳探测器拟合的圆心位置，偏转角度计算公式参见发明内容部分。

Claims (1)

1.一种自动调整激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合的方法，其特征在于：引入一束信标光、两块快速控制反射镜以及光轴探测器和光瞳探测器，该方法所述引入一束信标光即在激光通信望远镜中引入一束信标光；两块快速控制反射镜分别叫做下45°光轴快速控制反射镜和平台光瞳快速控制反射镜，在方位轴以上放置检测光轴和光瞳的光轴探测器和光瞳探测器，光轴探测器与下45°光轴快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光轴自动调整；光瞳探测器与平台光瞳快速控制反射镜组成闭环控制系统，实现对光瞳自动调整；具体的利用光轴探测器和光瞳探测器输出的脱靶量数据，拟合出光轴以及光瞳闭环中心，分别驱动光轴快速控制反射镜和光瞳快速控制反射镜实现自动快速调整，该方法通过下45°光轴快速控制反射镜、平台光瞳快速控制反射镜、光轴探测器和光瞳探测器实现发射光轴快速自动调整；

光轴探测器与下45°光轴快速控制反射镜组成闭环控制系统，通过算法实现对光轴的调整；光瞳探测器与平台光瞳快速控制反射镜组成闭环控制系统，通过算法实现对光瞳的调整；

光瞳探测器、光轴探测器是电荷耦合器件CCD，或者位置敏感传感器PSD以及其它的二维阵列探测器；

所述的自动调整望远镜方位轴与发射光轴重合的方法通过以下步骤实现：

步骤1、激光器(9)开启，信标光由激光器(9)发出，并开启下45°光轴快速控制反射镜(11)、平台光瞳快速控制反射镜(8)、光轴探测器(2)、光瞳探测器(4)、驱动控制单元(1)，并进行初始化；

步骤2、光轴探测器(2)探测到信标光，望远镜方位轴旋转一周，方位轴每旋转1°时，计算信标光在光轴探测器2靶面上的质心位置，分别为(Xa1，Ya1)，(Xa2，Ya2)，...(Xa360，Ya360)，利用以上的质心位置数据，拟合得到圆心的位置(Xa，Ya)；信标光在光瞳探测器(4)靶面上的质心位置，分别为(Xp1，Yp1)，(Xp2，Yp2)，...(Xp360，Yp360)，利用以上的质心位置数据，拟合得到圆心的位置(Xp，Yp)；

步骤3、检测当前信标光在光轴探测器(2)靶面上的位置为(Xa’，Ya’)，检测当前信标光在光瞳探测器(4)靶面上的位置为(Xp’，Yp’)；

信标光在水平和垂直方向上的质心与拟合圆心(Xa，Ya)偏移量d_Xa，d_Ya计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{d}_{Xa}=X_a^{\′}-X_a\\ d_{Ya}=Y_a^{\′}-Y_a\end{array}\right.$

驱动控制单元(1)驱动下45°光轴快速控制反射镜(11)偏转一定角度移动到拟合圆心位置(Xa，Ya)，下45°光轴快速控制反射镜11偏转的角度(θ_X，θ_Y)；

步骤4、下45°光轴快速控制反射镜(11)与缩束系统(6)的距离为L₁，平台光瞳快速控制反射镜(8)与缩束系统(6)的距离为L₂，驱动控制单元(1)驱动平台光瞳快速控制反射镜(8)偏转到初始位置(Xp’，Yp’)，偏转角度为：

$\left\{\begin{array}{c}{{\mathrm{\θ}}_X}^{\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_X\·L_1}{L_2}\\ {{\mathrm{\θ}}_Y}^{\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_Y\·L_1}{L_2}\end{array}\right.$

步骤5、驱动控制单元(1)驱动平台光瞳快速控制反射镜(8)由位置(Xp’，Yp’)偏转到拟合的光瞳圆心(Xp，Yp)，平台光瞳快速控制反射镜(8)偏转角度(θ_X″，θ_Y″)；

其中步骤4与步骤5同时进行，即驱动控制单元(1)驱动平台光瞳快速控制反射镜(8)偏转角度为(θ_pX，θ_pY)：

$\left\{\begin{array}{c}{\mathrm{\θ}}_{pX}={{\mathrm{\θ}}_X}^{\′}+{{\mathrm{\θ}}_X}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_X\·L_1}{L_2}+{{\mathrm{\θ}}_X}^{\′\′}\\ {\mathrm{\θ}}_{pY}={{\mathrm{\θ}}_Y}^{\′}+{{\mathrm{\θ}}_Y}^{\′\′}=\frac{{\mathrm{\θ}}_Y\·L_1}{L_2}+{{\mathrm{\θ}}_Y}^{\′\′}\end{array}\right.$

由上述可知，该方法利用快速控制反射镜作为执行元件，光电探测器作为探测处理元件，有效提高了激光通信望远镜方位轴与发射光轴重合调整的速度。