CN108712209A - 基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法，利用逆向调制器的逆向反射特性即照射到逆向反射器光严格原路返回，从而使得逆向反射光强在空域分布和时域分布上表现出明显的特征，利用这些特征作为捕获跟踪瞄准判据，可实现主动通信终端对逆向调制终端的快速捕获对准，快速建立通信链路；利用主动端的通信光束作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

Description

基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法

技术领域

本发明属于自由空间激光通信技术领域，尤其是逆向调制自由空间激光通信的链路捕获对准跟踪技术，具体涉及一种基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法。

背景技术

逆向调制自由空间激光通信系统利用逆向调制器猫眼光学系统对入射光束的原路返回特性，省去逆向终端的瞄准跟踪过程，简化了系统链路建立流程，有效解决了传统自由空间激光通信系统瞄准捕获跟踪的难题，使得自由空间激光通信系统动平台应用成为现实。目前逆向调制自由空间激光通信系统多采用传统自由空间激光通信系统的捕获瞄准跟踪方法，要求主动端装配复杂的捕获跟踪瞄准装置如安装信标光、配置粗、精跟踪装置等，要求逆向终端安装靶标物，主动端需要执行复杂算法才可以建立链路，增加了系统体积、重量、功耗等，限制了激光通信系统在小平台和动平台的应用。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置与方法,可解决现有逆向调制激光通信系统主动端捕获跟踪瞄准系统结构复杂、捕获跟踪瞄准算法复杂度高，逆向调制终端结构复杂，系统功耗、体积、重量增加不适宜在小平台和动平台应用的问题。

一种基于逆向反射特性的激光通信捕获对准方法，主动端对逆向调制终端进行捕获和对准，其中逆向调制终端采用猫眼光学系统对主动端发射的激光光束进行接收并逆向反射，所述方法包括如下步骤：

步骤一，主动终端根据先验知识控制其内部的主动端伺服系统指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动终端；

步骤二，主动端发射激光光束，主动端伺服系统按照设定的扫描策略对逆向调制终端所在区域进行扫描；

步骤三，在主动端扫描过程中实时获取图像，并获取主动端伺服系统的方位俯仰角信息；针对得到的每一帧图像，判断该图像中是否存在可能的逆向反射终端：如果不存在，主动端伺服系统继续进行扫描并判断，直到区域图像中存在可能的逆向反射终端；如果第n帧图像中发现可能的逆向反射终端，执行步骤四；

步骤四，计算第n帧图像中包括可能的逆向反射终端在内的各个疑似目标的方位俯仰角；然后再根据设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置；

步骤五，根据设定的扫描策略，改变主动端下一次对逆向调制终端所在区域进行扫描的方位俯仰角，扫描获得第n+1帧图像；对第n+1帧图像中的疑似目标进行探测和定位，并结合主动端伺服系统此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置；找到疑似目标中在本帧区域图像的位置与步骤四中预测的位置一致的疑似目标，则该疑似目标即为逆向调制终端，则定位目标成功，执行步骤六；否则，如果找不到满足该条件的疑似目标，改变主动端扫描的方位俯仰角，返回并执行步骤二到步骤五；

步骤六，当定位目标成功，则根据逆向调制终端目标位置计算脱靶量，并根据脱靶量，根据计算的方位俯仰角控制主动端伺服系统的指向，完成捕获及对准，建立通信链路。

进一步的，所述逆向调制终端主要包括猫眼光学系统、分束镜、光电探测器、信号处理与控制器、调制器驱动、反射式空间光调制器以及信源；其中光电探测器和反射式空间光调制器分别位于猫眼光学系统焦平面上；猫眼光学系统接收主动端发射的光束，并将光束经分束镜分别聚焦于光电探测器和反射式空间光调制器上，光电探测器将入射光束转换为探测信号并传输给信号处理与控制器，信号处理与控制器根据探测信号控制信源产生信息并接收信息产生通信信号传输给调制器驱动，调制器驱动根据通信信号产生驱动信号传输给反射式空间光调制器；反射式空间光调制器根据驱动信号调制入射光束，形成逆向反射光并将其原路返回。

进一步的，主动终端主要包括主动终端控制处理器、主动端光电调制器、主动端激光器、主动端信息源、主动端发射光学系统、主动端接收光学系统、主动端光电探测器、主动端信号采集单元、主动端成像光学系统、主动端成像探测器、主动端图像采集单元以及主动端伺服系统；

所述主动终端控制处理器控制主动端光电调制器接收主动端信息源的信息，根据信息控制主动端激光器产生调制激光，经主动端发射光学系统产生主动端发射光束；主动端接收光学系统接收逆向反射光束，将其聚焦于主动端光电探测器进行光电转换，转换产生的通信电信号经主动端信号采集单元传输至主动终端控制处理器；主动端成像光学系统将逆向反射光束聚焦于主动端成像探测器成像，并将所成像经主动端图像采集单元传输至主动终端控制处理器8；主动端伺服系统接收主动终端控制处理器的控制信号。

本发明具有如下有益效果：

(1)、本发明基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准的方法，利用逆向调制器的逆向反射特性即有效视场角内不同方向的入射光束由逆向反射器聚焦到焦平面后反射，而反射光束方向与入射光束方向完全相反，从而使得逆向反射光强在空域分布和时域分布上表现出明显的特征，利用这些特征作为捕获跟踪瞄准判据，可实现主动通信终端对逆向调制终端的快速捕获对准，快速建立通信链路。

(2)本发明基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置利用通信光束作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

附图说明

图1(a)为本发明基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置中主动端的结构图；图1(b)为本发明基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置中逆向调制终端的结构图；

图2为本发明基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法流程图；

图3为本发明扫描过程中不同方位俯仰角图像中提取的逆向反射目标；其中，图3(a)为第n帧图像中提取的逆向反射目标；图3(b)为第n+1帧图像中提取的逆向反射目标；图3(c)为定位成功后主动端对准逆向反射终端后得到的图像。

其中，1-猫眼光学系统，2-分束镜，3-光电探测器，4-信号处理与控制器， 5-调制器驱动，6-反射式空间光调制器6，7-信源，8-主动终端控制处理器，9- 主动端光电调制器，10-主动端激光器，11-主动端信息源，12-主动端发射光学系统，13-主动端接收光学系统，14-主动端光电探测器，15-主动端信号采集单元，16-主动端成像光学系统，17-主动端成像探测器，18-主动端图像采集单元， 19-主动端伺服系统。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明的基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置主要包括逆向调制终端和位于其有效视场角内的主动终端；

如图1(b)所示，逆向调制终端主要包括猫眼光学系统1、分束镜2、光电探测器3、信号处理与控制器4、调制器驱动5、反射式空间光调制器6、信源7；其中光电探测器3和反射式空间光调制器6分别位于猫眼光学系统1焦平面上；猫眼光学系统1接收主动端发射光束，并将光束经分束镜2分别聚焦于位于焦平面处的光电探测器3和反射式空间光调制器6上，光电探测器3将入射光束转换为探测信号并传输给信号处理与控制器4，信号处理与控制器4根据探测信号控制信源7产生信息并接收信息产生通信信号传输给调制器驱动5，调制器驱动5根据通信信号产生驱动信号传输给反射式空间光调制器6；反射式空间光调制器6根据驱动信号调制入射光束，形成逆向反射光并将其原路返回。

如图1(a)所示，主动终端主要包括主动终端控制处理器8、主动端光电调制器9、主动端激光器10、主动端信息源11、主动端发射光学系统12、主动端接收光学系统13、主动端光电探测器14、主动端信号采集单元15、主动端成像光学系统16、主动端成像探测器17、主动端图像采集单元18以及主动端伺服系统19；其中，主动终端的主动终端控制处理器8控制主动端光电调制器9 接收主动端信息源11的信息，根据信息控制主动端激光器10产生调制激光，经主动端发射光学系统12产生主动端发射光束；主动端接收光学系统13接收逆向反射光束，将其聚焦于主动端光电探测器14进行光电转换，转换产生的通信电信号经主动端信号采集单元15传输至主动终端控制处理器8；主动端成像光学系统16将逆向反射光束聚焦于主动端成像探测器17成像，并将所成像经主动端图像采集单元18传输至主动终端控制处理器8；主动端伺服系统19接收主动终端控制处理器8的控制信号。

如图2所示，本发明的基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准方法其主要流程如下：

步骤一，主动终端根据先验知识(如双方位置坐标)控制主动端伺服系统 19指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动终端, 由于逆向调制终端有效视场角较大(可通过设计达到30度以上)，可保证主动终端位于逆向调制终端有效视场角内；

步骤二，主动端通过主动终端控制处理器8控制主动端伺服系统19执行扫描策略，由于主动端光束发散角较小，扫描光斑不能一次覆盖整个区域，需要按照设定的轨迹和策略逐次调整方位俯仰角对逆向调制终端所在区域进行扫描；

步骤三，在扫描过程中，主动端的主动端控制处理器8实时获取主动端图像采集单元18传输的图像，同时主动端的主动端控制处理器8实时获取主动端伺服系统19的方位俯仰角信息；每一帧图像对应一个方位俯仰角下主动光斑的覆盖区域，采用图像处理算法对图像内容进行判别，根据逆向反射特性采用目标探测的图像处理算法(如阈值分割)对逆向反射终端以及其它疑似目标在图像中进行探测和定位。如果未探测到疑似逆向反射器反射信号，则继续执行步骤二，假设第n帧图像中判断到可能包括逆向调制终端以及其它疑似目标；然后；

步骤四，根据步骤三汇总对各个疑似目标的定位以及主动端伺服系统的方位俯仰角信息，计算第n帧区域图像中各个疑似目标的方位俯仰角，然后结合主动端设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置；

步骤五，根据设定的扫描策略，改变方位俯仰角，获得第n+1帧区域图像；利用图像处理算法定位逆向反射目标，通过提取目标质心计算，结合主动端伺服系统19此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置，由于逆向反射器的反射光严格原路返回，特性基本保持不变，而第n帧图像中的假目标光斑特性在不同角度呈现很大变化(大多数消失)，因此，找到疑似目标中在本帧区域图像的位置与步骤四中预测位置一致的疑似目标，即为逆向调制终端，则定位目标成功；否则，如果找不到满足该条件的疑似目标，说明没有扫描到逆向调制终端，重复执行步骤二到步骤五；

步骤六，当定位目标成功，则根据逆向调制终端目标位置计算脱靶量，并根据脱靶量，由主动端的主动端控制处理器8根据计算的方位俯仰角控制主动端伺服系统19指向计算的方位俯仰角，建立通信链路。

如图3所示，图3(a)为第n帧图像中提取的逆向反射目标、图3(b)为第n+1帧图像中提取的逆向反射目标，该图像中目标位置与利用第n帧图像预测的逆向反射目标的位置匹配成功，即为方框内目标；图3(c)为定位成功后主动端对准逆向反射终端后得到的图像。

本发明的方法利用逆向调制器的逆向反射特性作为捕获跟踪瞄准判据，通过成像方式对逆向反射器进行快速定位，可实现主动通信终端对逆向调制终端的快速捕获对准，快速建立通信链路。本发明的基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置利用通信光束作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

Claims (3)

1.一种基于逆向反射特性的激光通信捕获对准方法，其特征在于，主动端对逆向调制终端进行捕获和对准，其中逆向调制终端采用猫眼光学系统对主动端发射的激光光束进行接收并逆向反射，所述方法包括如下步骤：

步骤一，主动终端根据先验知识控制其内部的主动端伺服系统指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动终端；

步骤二，主动端发射激光光束，主动端伺服系统按照设定的扫描策略对逆向调制终端所在区域进行扫描；

步骤三，在主动端扫描过程中实时获取图像，并获取主动端伺服系统的方位俯仰角信息；针对得到的每一帧图像，判断该图像中是否存在可能的逆向反射终端：如果不存在，主动端伺服系统继续进行扫描并判断，直到区域图像中存在可能的逆向反射终端；如果第n帧图像中发现可能的逆向反射终端，执行步骤四；

步骤四，计算第n帧图像中包括可能的逆向反射终端在内的各个疑似目标的方位俯仰角；然后再根据设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置；

步骤五，根据设定的扫描策略，改变主动端下一次对逆向调制终端所在区域进行扫描的方位俯仰角，扫描获得第n+1帧图像；对第n+1帧图像中的疑似目标进行探测和定位，并结合主动端伺服系统此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置；找到疑似目标中在本帧区域图像的位置与步骤四中预测的位置一致的疑似目标，则该疑似目标即为逆向调制终端，则定位目标成功，执行步骤六；否则，如果找不到满足该条件的疑似目标，改变主动端扫描的方位俯仰角，返回并执行步骤二到步骤五；

步骤六，当定位目标成功，则根据逆向调制终端目标位置计算脱靶量，并根据脱靶量，根据计算的方位俯仰角控制主动端伺服系统的指向，完成捕获及对准，建立通信链路。

2.如权利要求1所述的一种基于逆向反射特性的激光通信捕获对准方法，其特征在于，所述逆向调制终端主要包括猫眼光学系统、分束镜、光电探测器、信号处理与控制器、调制器驱动、反射式空间光调制器以及信源；其中光电探测器和反射式空间光调制器分别位于猫眼光学系统焦平面上；猫眼光学系统接收主动端发射的光束，并将光束经分束镜分别聚焦于光电探测器和反射式空间光调制器上，光电探测器将入射光束转换为探测信号并传输给信号处理与控制器，信号处理与控制器根据探测信号控制信源产生信息并接收信息产生通信信号传输给调制器驱动，调制器驱动根据通信信号产生驱动信号传输给反射式空间光调制器；反射式空间光调制器根据驱动信号调制入射光束，形成逆向反射光并将其原路返回。

3.如权利要求1或2所述的一种基于逆向反射特性的激光通信捕获对准方法，其特征在于，主动终端主要包括主动终端控制处理器、主动端光电调制器、主动端激光器、主动端信息源、主动端发射光学系统、主动端接收光学系统、主动端光电探测器、主动端信号采集单元、主动端成像光学系统、主动端成像探测器、主动端图像采集单元以及主动端伺服系统；

所述主动终端控制处理器控制主动端光电调制器接收主动端信息源的信息，根据信息控制主动端激光器产生调制激光，经主动端发射光学系统产生主动端发射光束；主动端接收光学系统接收逆向反射光束，将其聚焦于主动端光电探测器进行光电转换，转换产生的通信电信号经主动端信号采集单元传输至主动终端控制处理器；主动端成像光学系统将逆向反射光束聚焦于主动端成像探测器成像，并将所成像经主动端图像采集单元传输至主动终端控制处理器8；主动端伺服系统接收主动终端控制处理器的控制信号。