CN106301567A - 基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统及方法，具体采用主子系统与子副系统的双子系统来接入多个终端，同时主子系统除了包含捕跟光路以外，还有分支光路进入到精跟踪或者通信子系统，而副系统不具备这个分路，排除了多个终端之间光束的相互干扰，解决多终端接入过程中光斑间的重叠问题，提高入射激光的到达角的获取精度；并且所采用的光束指向控制和形成技术完全采用相控体制，没有相关的机械转动机构，具备光学相控的捷变切换、多波束形成、波束赋形等基本特征，从而对多个接入激光终端具备灵活接入、多终端接入能力。

Description

基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统及方法

技术领域

本发明属于空间激光通信技术领域，具体涉及卫星激光通信捕跟系统。

背景技术

目前，国内外在卫星激光通信技术研究上基本都是点对点形式，从未来应用需求的角度来看，卫星激光通信总体发展趋势必然从当前的点到点的激光链路向一对多点的激光网络发展。一对多点的激光通信组网方式，从数据传输、信息共享、运营成本等方面来考虑，都具有更好的实用价值。卫星激光通信的捕跟系统分为捕获、粗跟踪、精跟踪、瞄准几个阶段，实现点对多点的激光通信，首先需要解决点多点的捕跟方法，从而完成物理层面的接入。多波束接入系统主要是解决捕获和跟踪阶段对多个卫星终端的捕获与跟踪，从而实现物理层面的光束连接。

针对一对多点的激光通信提出的现有捕跟方案，包括两类：第一种，在反射元件位置处放置多个收发端，通过调整收发端位置，实现不同点、不同距离的空间激光通信；方案二是利用Ritchey-Chrétien(R-C)望远结构，焦平面放置N×N的光纤阵列，提供较大的焦平面，从而实现单个光学望远结构的一点对多点空间激光通信。这两种方案视场扩大有限，至今尚未见到其实验结果的报道。目前，国内也以旋转抛物面为基底的光学天线原理的基础上，提出一点对多点的激光光束形成技术。但是这些方案都没有考虑到多个波束接入后在探测器(CCD)上形成的光斑之间的重叠问题，也即：多终端的捕跟、接入问题。对于多个终端同时接入系统，采用现有多波束形成技术，对于通信捕跟系统来说，期望将多个波束都将聚焦到系统的光轴上，也即：CCD图像的中心，从而造成光路光束发生重叠，无法准确获取各路光束的到达角信息。而这些过程是点对多点组网接入的必须过程。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明提出了一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统。

本发明的技术方案为：一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统，具体包括主子系统与副子系统；

所述主子系统包括主液晶光学相控阵、精跟踪模块、分光棱镜、主透镜、主CCD、副CCD和捕跟控制电路模块；

所述副子系统包括副液晶光学相控阵、副透镜和副CCD；

所述主液晶光学相控阵和副液晶光学相控阵分别用于接收发射终端激光光束，经副液晶光学相控阵的激光光束到达副主透镜，之后光经过副透镜汇聚到副CCD上，

经主液晶光学相控阵的激光光束分别到达分光棱镜和精跟踪模块，经精跟踪模块的激光光束返回至主液晶光学相控阵，经分光棱镜的激光光束到达主透镜，之后光经过主透镜汇聚到主CCD上，

所述捕跟控制电路模块连接主、副CCD，通过CCD上采集到的位置信息，反馈给控制电路，控制电路再根据需要计算出主副液晶相控阵需要设置偏转多少角度的控制，从而满足接入光束偏转到具体位置的要求。

基于上述捕跟控制系统，本发明还提出了一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制方法，具体包括如下步骤：

S1.初始化，依据系统设计针对用户接入的最大数目N，在副子系统的CCD面上虚拟设定N个相互不重叠的虚拟中心位置x_0i，满足x_0i＝f·β_0i，其中，β_0i是副系统为每个待接入的终端设计的虚拟光轴，副子系统通过控制对应的副液晶光学相控阵控制对应的待接入光束沿着各自的虚拟光轴到达CCD，标记为子系统接入成功，同时各虚拟光轴之间的间隔大于光轴的发散角，从而可以避免多个终端光束在CCD的光斑重叠；

S2.当主副子系统开机，系统开始第一条激光链路的建立和接入，控制中心给副子系统的副液晶光学相控阵发送波控指令，使其生成波束指向角为θ_s1，其中，脚标s代表“副”，数字1代表第一个终端，随后的变量脚标均适用于该规则)，并且θ_s1＝θ₀₁，θ₀₁是第一个待接入终端所处不确定区的均值方向，系统进入等待第一个终端接入的阶段；

S3.发射端终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦接收端终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时发射端终端发射出的激光相对接收端终端的光束到达角为α_s1，控制中心通过CCD获取的灰度信息，采用质心法计算出光斑中心偏离系统光轴中心的距离Δx₁，得到偏转后的光束的入射角β_s1，进而计算得到发射端终端相对于接收端终端的到达角α_s1＝β_s1+θ_s1；

S4.给副子系统的液晶光学相控阵发送新的波束控制指令，控制角度也即：其中，分别表示当前液晶光学相控阵控制角度和前一阶段的控制角度。因此副子系统的光束中心能够处于CCD的x₀₁位置，通常将x₀₁的位置定义为CCD的物理中心位置；

S5.假设系统已经将主副两子系统的光轴标定一致，即：α_m1＝α_s1，将到达数据α_s1通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其θ_m1＝α_s1，因此主子系统光束经过液晶光学相控阵后的光束偏转角β_m1＝α_m1-θ_m1＝0，系统光束垂直入射到主子系统的光轴中心，接收终端主系统完成对发射终端的粗级捕跟；

S6.由于两个通信终端处于动态的运动特征，需基于副子系统CCD的数据，采用动态捕跟算法，通过不断的更新θ_s1，使其能够处于视场范围之内，并且始终处于x₀₁位置，因此，A1终端的到达角并将数据共享到主子系统α_m1＝α_s1，迭代完成步骤S5，使其光束偏转角β_m1＝0始终成立，完成第一个终端的捕跟控制；

S7.当接收终端接收到等待第i个发射终端进行接入的信号时，控制中心给副子系统液晶光学相控阵发送波控指令，在原先若干个波控角度的基础上，再新增加第i个波束，并且新增波束指向角度θ_si满足θ_si＝θ_0i-β_0i，θ_0i是第i个待接入终端所处不确定区的均值方向，β_0i是系统内置的虚拟中心波束偏转方向；

S8.第i个发射终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦接收终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时第i个发射终端发射出的激光相对接收终端的光束到达角为α_si，类似于第S2-S6步骤，完成第i个终端在副系统中的虚拟接入，波束到达β_0i所对应的位置。

S9.假设将到达数据α_si＝β_si+θ_si通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其生成新的波束，波束指向方向θ_mi＝α_si，因此主子系统光束经过液晶光学相控阵后的光束偏转角β_mi＝0，系统光束垂直入射到主系统的光轴中心，接收终端主系统完成对第i个终端的粗级捕跟和接入，并按照类似于步骤S6进行动态矫正。

本发明的有益效果：本发明提供的基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统及方法，采用主子系统与子副系统的双子系统来接入多个终端，同时主子系统除了包含捕跟光路以外，还有分支光路进入到精跟踪或者通信子系统，而副系统不具备这个分路，排除了多个终端之间光束的相互干扰，解决多终端接入过程中光斑间的重叠问题，提高入射激光的到达角的获取精度；并且所采用的光束指向控制和形成技术完全采用相控体制，没有相关的机械转动机构，具备光学相控的捷变切换、多波束形成、波束赋形等基本特征，从而对多个接入激光终端具备灵活接入、多终端接入能力。

附图说明

图1本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制系统数学模型示意图。

图2本发明实施例的基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统结构示意图。

图3本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制方法流程示意图。

图4本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制系统接入步骤图一

图5本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制系统接入步骤图二

图6本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制系统接入步骤图三

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细说明。

本发明的目的就是在现有空间激光通信基础上，针对当前空间激光通信捕跟方法只能实现单点对单点的接入限制，设计了一套能够满足一对多点的多终端捕获跟踪的方法和系统。

本系统设计需用到的两个计算公式：

β＝α-θ (1)

其中，α是入射本地通信终端的光束到达角，θ是LC-OPA的控制光束偏转角度，β是光束经过LC-OPA偏转之后相对于系统光轴的光束角度。该公式反映了通过调整LC-OPA相控波束偏转后，光束指向发生线性变化的特性。

$\mathrm{\β}=\frac{\mathrm{\Δ}x}{f}---\left(2\right)$

其中，β为光束经过LC-OPA后的光束入射到透镜的角度，Δx为CCD上光斑中心与系统光轴中心(光束垂直入射时的中心)的距离，f为透镜的焦距，如图1所示。

本发明实施例的基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统结构如图2所示，具体包括主子系统与副子系统；所述主子系统包括主液晶光学相控阵、精跟踪模块、分光棱镜、主透镜、主CCD、副CCD和捕跟控制电路模块；所述副子系统包括副液晶光学相控阵、副透镜和副CCD；所述主液晶光学相控阵和副液晶光学相控阵分别用于接收发射终端激光光束，经副液晶光学相控阵的激光光束到达副主透镜，之后光经过副透镜汇聚到副CCD上，经主液晶光学相控阵的激光光束分别到达分光棱镜和精跟踪模块，经精跟踪模块的激光光束返回至主液晶光学相控阵，经分光棱镜的激光光束到达主透镜，之后光经过主透镜汇聚到主CCD上，所述捕跟控制电路模块连接主、副CCD，通过CCD上采集到的位置信息，反馈给控制电路，控制电路再根据需要计算出主副液晶相控阵需要设置偏转多少角度的控制，从而满足接入光束偏转到具体位置的要求。

从图中1可以看出，激光经过液晶相控阵，到达透镜，满足计算公式(1)，之后光经过透镜汇聚到CCD上，满足计算公式(2)，终端的激光信号经过CCD采集之后，获取激光光斑的信息，经过后台处理，计算出终端的位置信息。为了表述清楚，对终端名字进行约束定义：A是多个待接入的终端(发射终端)，分别用A1、A2、……、An来表示，B是本地接收终端，等待多个目标终端的接入。B终端内部含有两个子系统，分别称为主子系统(m)和副子系统(s)。

本实施例提供的系统采用的LC-OPA是一种采用液晶作为光学移相介质，通过阵列电极驱动的一种光电子器件，通过对应的波控器硬件和波控算法，实现对激光光束进行相控生成和控制，并且具备多波束形成能力。同时，波束数量、波束指向、波束特征都能够依靠对应的波控器和算法自定义形成。对于本系统中采用的其他光学器件均是常规光学器件或者模块，并且器件工作波长均能够满足通信终端所采用的激光器波长。对于单个终端的接入光束，属于本系统的最少接入终端数目的一个特例。

本实施例利用LCOPA的多波束控制特性，能够将多个终端接入形成的光斑分离，使多个光斑不发生重叠，由于LCOPA的双区域，终端形成的两个光斑间距固定且通过标记光斑的手段可以解决图像处理中多个光斑之间的重叠问题；通过该方式可以将多波束在探测器上呈现的多个光斑分离，从而准确计算出每个终端卫星的到达角并完成对它们的精确捕跟；并且采用主副子系统的分配，将整体系统中两个独立的系统分工明确，其中，副子系统用来处理新光斑接入定位计算问题，副系统将位置数据信息计算好之后交给主系统，主子系统用于将副系统提供的位置信息反映到其LC-OPA的控制角度上，完成对LC-OPA的区域划分，再利用LCOPA的光束可逆特性完成对多终端的捕获跟踪。

本发明实施例的基于主副眼模型的多终端接入捕跟控制方法流程如图3所示。系统从启动开始，首先建立第一条激光链路，随后依据通信需求，建立更多的激光链路，同时系统工作的任何一个时刻都可以允许激光链路的退出。一旦链路建立之后，各条链路之间在物理层面不存在优先级。其中：第一条链路的建立过程按照第4点到第7点执行；第二条及后续链路的建立按照第9点至第11点执行。具体如下：

S1.初始化，依据系统设计针对用户接入的最大数目N，在副子系统的CCD面上虚拟设定N个相互不重叠的虚拟中心位置x_0i，满足x_0i＝f·β_0i，其中β_0i是副系统为每个待接入的终端设计的虚拟光轴，副子系统通过控制对应的相控阵控制对应的待接入光束沿着各自的虚拟光轴到达CCD，标记为子系统接入成功,同时各虚拟光轴之间的间隔大于光轴的发散角，从而可以避免多个终端光束在CCD的光斑重叠。

S2.当主副子系统开机，系统开始第一条激光链路的建立和接入。控制中心给副系统LC-OPA发送波控指令，使其生成波束指向角为θ_s1(其中脚标s代表“副”，数字1代表第一个终端，随后的变量脚标均适用于该规则)，并且θ_s1＝θ₀₁，θ₀₁是第一个待接入终端所处不确定区的均值方向，系统进入等待第一个终端接入的阶段。

S3.A1终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦B终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时A1发射出的激光相对B终端的光束到达角为α_s1，控制中心通过CCD获取的灰度信息，采用质心法计算出光斑中心偏离系统光轴中心的距离Δx₁，根据公式(2)得到偏转后的光束的入射角β_s1，依据公式(1)，计算得到A1终端相对于B终端的到达角α_s1＝β_s1+θ_s1；

S4.给副系统LC-OPA发送新的波束控制指令，控制角度也即：因此副子系统的光束中心能够处于CCD的x₀₁位置，通常将x₀₁的位置定义为CCD的物理中心位置。

S5.假设系统已经将主副两各子系统的光轴标定一致，即：α_m1＝α_s1，将到达数据α_s1通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其θ_m1＝α_s1，因此主子系统光束经过LC-OPA后的光束偏转角β_m1＝α_m1-θ_m1＝0，系统光束垂直入射到主系统的光轴中心，B终端主系统完成对A1终端的粗级捕跟，如图4所示。

S6.同时由于两个通信终端处于动态运动特征，需基于副系统CCD的数据，采用当前主流的动态捕跟算法(例如PID)，通过不断的更新θ_s1，使其能够处于视场范围之内，并且始终处于x₀₁位置，因此，A1终端的到达角并将数据共享到主系统α_m1＝α_s1，迭代完成第7步，使其光束偏转角β_m1＝0始终成立，完成第一个终端的捕跟控制。

S7.当B终端接收到等待第i个终端进行接入的信号时，控制中心给副系统LC-OPA发送波控指令，对副系统液晶相控阵发送波控指令，在原先若干个波控角度的基础上，再新增加第i个波束(此处方法不考虑相控阵实际生成波束数目能力的限制)，并且新增波束指向角度θ_si满足θ_si＝θ_0i-β_0i，θ_0i是第i个待接入终端所处不确定区的均值方向，β_0i是系统内置的虚拟中心波束偏转方向，如图5所示。

S8.Ai终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦B终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时Ai发射出的激光相对B终端的光束到达角为α_si，类似于步骤S2-S6，完成第i个终端在副系统中的虚拟接入，波束到达β_0i所对应的位置。

S9.假设将到达数据α_si＝β_si+θ_si通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其生成新的波束，波束指向方向θ_mi＝α_si，因此主子系统光束经过LC-OPA后的光束偏转角β_mi＝0，系统光束垂直入射到主系统的光轴中心，B终端主系统完成对Ai终端的粗级捕跟和接入，如图6所示,并且该过程按照类似于步骤S6进行动态矫正。

可以看出，本发明的主副多激光终端捕跟系统只需要采用由LC-OPA、透镜、CCD等组成的两套一样的硬件系统就能处理超过两个终端的多终端捕跟问题。同时，终端数目可以动态调整，在LC-OPA支持多波束数量的前提下，系统具备完全的可编程终端接入能力。

本发明的系统通过主副两个子系统的设计，结合相应的控制方法，排除多个终端之间光束的相互干扰，解决多终端接入过程中光斑间的重叠问题，提高入射激光的到达角的获取精度。本发明所采用的光束指向控制和形成技术完全采用相控体制，没有相关的机械转动机构，具备光学相控的捷变切换、多波束形成、波束赋形等基本特征，从而对多个接入激光终端具备灵活接入、多终端接入能力，能够实现一个终端对多个激光终端接入的捕跟需求，从而解决卫星激光通信领域中的一对多捕跟问题，可广泛应用于空间激光通信等领域。

Claims (2)

1.一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制系统，具体包括主子系统与副子系统；

所述主子系统包括主液晶光学相控阵、精跟踪模块、分光棱镜、主透镜、主CCD、副CCD和捕跟控制电路模块；

所述副子系统包括副液晶光学相控阵、副透镜和副CCD；

所述主液晶光学相控阵和副液晶光学相控阵分别用于接收发射终端激光光束，经副液晶光学相控阵的激光光束到达副主透镜，之后光经过副透镜汇聚到副CCD上，

经主液晶光学相控阵的激光光束分别到达分光棱镜和精跟踪模块，经精跟踪模块的激光光束返回至主液晶光学相控阵，经分光棱镜的激光光束到达主透镜，之后光经过主透镜汇聚到主CCD上，

所述捕跟控制电路模块连接主、副CCD，通过CCD上采集到的位置信息，反馈给控制电路，控制电路再根据需要计算出主副液晶相控阵需要设置偏转多少角度的控制，从而满足接入光束偏转到具体位置的要求。

2.一种基于主副眼模型的多激光终端捕跟控制方法，具体包括如下步骤：

S1.初始化，依据系统设计针对用户接入的最大数目N，在副子系统的CCD面上虚拟设定N个相互不重叠的虚拟中心位置x_0i，满足x_0i＝f·β_0i，其中，β_0i是副系统为每个待接入的终端设计的虚拟光轴，副子系统通过控制对应的副液晶光学相控阵控制对应的待接入光束沿着各自的虚拟光轴到达CCD，标记为子系统接入成功，同时各虚拟光轴之间的间隔大于光轴的发散角，从而可以避免多个终端光束在CCD的光斑重叠；

S2.当主副子系统开机，系统开始第一条激光链路的建立和接入，控制中心给副子系统的副液晶光学相控阵发送波控指令，使其生成波束指向角为θ_s1，其中，脚标s代表“副”，数字1代表第一个终端，随后的变量脚标均适用于该规则)，并且θ_s1＝θ₀₁，θ₀₁是第一个待接入终端所处不确定区的均值方向，系统进入等待第一个终端接入的阶段；

S3.发射端终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦接收端终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时发射端终端发射出的激光相对接收端终端的光束到达角为α_s1，控制中心通过CCD获取的灰度信息，采用质心法计算出光斑中心偏离系统光轴中心的距离Δx₁，得到偏转后的光束的入射角β_s1，进而计算得到发射端终端相对于接收端终端的到达角α_s1＝β_s1+θ_s1；

S4.给副子系统的液晶光学相控阵发送新的波束控制指令，控制角度也即：因此副子系统的光束中心能够处于CCD的x₀₁位置，通常将x₀₁的位置定义为CCD的物理中心位置；

S5.假设系统已经将主副两子系统的光轴标定一致，即：α_m1＝α_s1，将到达数据α_s1通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其θ_m1＝α_s1，因此主子系统光束经过液晶光学相控阵后的光束偏转角β_m1＝α_m1-θ_m1＝0，系统光束垂直入射到主子系统的光轴中心，接收终端主系统完成对发射终端的粗级捕跟；

S6.由于两个通信终端处于动态的运动特征，需基于副子系统CCD的数据，采用动态捕跟算法，通过不断的更新θ_s1，使其能够处于视场范围之内，并且始终处于x₀₁位置，因此，A1终端的到达角并将数据共享到主子系统α_m1＝α_s1，迭代完成步骤S5，使其光束偏转角β_m1＝0始终成立，完成第一个终端的捕跟控制；

S7.当接收终端接收到等待第i个发射终端进行接入的信号时，控制中心给副子系统液晶光学相控阵发送波控指令，在原先若干个波控角度的基础上，再新增加第i个波束，并且新增波束指向角度θ_si满足θ_si＝θ_0i-β_0i，θ_0i是第i个待接入终端所处不确定区的均值方向，β_0i是系统内置的虚拟中心波束偏转方向；

S8.第i个发射终端在一定的区域范围之内进行空间扫描，一旦接收终端的副子系统CCD获取到待接入光端机发射过来的信标光，此时第i个发射终端发射出的激光相对接收终端的光束到达角为α_si，类似于第S2-S5步骤，完成第i个终端在副系统中的虚拟接入，波束到达β_0i所对应的位置。

S9.假设将到达数据α_si＝β_si+θ_si通过总线直接发送给主子系统的波控器，使其生成新的波束，波束指向方向θ_mi＝α_si，因此主子系统光束经过液晶光学相控阵后的光束偏转角β_mi＝0，系统光束垂直入射到主系统的光轴中心，接收终端主系统完成对第i个终端的粗级捕跟和接入，并按照类似于步骤S6进行动态矫正。