CN110579872A - 一种跟瞄系统及调整方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种跟瞄系统及调整方法，属于激光通讯技术领域。所述跟瞄系统包括粗瞄装置、精瞄装置、第三反射镜、四分之一波片、偏振分光棱镜、S线偏振光源、准直器、第一滤光片、聚焦透镜、第二滤光片、第二线偏振器、非偏振分光棱镜、第三线偏振器、第三滤光片和定焦镜头；所述粗瞄装置包括第一反射镜、捕获跟踪探测器，所述捕获跟踪探测器与第一反射镜通信连接，所述精瞄装置包括第二反射镜、四象限探测器，所述四象限探测器与第二反射镜通信连接。与现有技术相比，本发明的跟瞄系统采用粗瞄装置和精瞄装置相结合，能够达到较高的跟瞄精度，能够有效抑制杂散信号对于CCD图像处理及PSD定位精度的影响，减少了位置误判及跟瞄信号丢失的可能。

Description

一种跟瞄系统及调整方法
技术领域
本发明属于激光通讯技术领域，涉及一种跟瞄系统及调整方法。
背景技术
自由空间光通信系统就是使用无线激光将远距离或近距离两个通信终端“连接起来”形成通信数据传输链路，具有通信容量大、传输距离远、保密性好等优点。远距离系统应用如距离成千上万公里的两颗卫星之间的光通信，近距离如“最后一公里光传输FSO”的“动中通”无线通信系统。此种无线激光通信技术通信的信号传输光束束宽窄、传输距离长，在空间环境下建立和保持激光链路面临着较大的困难，因此必须建立一套可靠性高的捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统来防止由于跟瞄精度或链路错误而造成的信号丢失。
通常情况下，此类系统一般分为跟瞄子系统和通信子系统，为了使系统集成化、小型化、轻量化，一般都使用收发一体光学系统。现有技术中跟瞄子系统的非偏振分光棱镜因镀膜原因及杂散光的影响，往往造成在CCD及PSD上留下的近5％能量的光亮斑而造成跟踪系统误判、跟瞄精度下降或信号丢失的可能。
发明内容
本发明的目的是建立一种用于自由空间光通信系统的可见光跟瞄系统及调整方法，解决非偏振分光棱镜因镀膜原因及杂散光的影响造成在CCD及PSD上留下的近5％能量的光亮斑而造成跟踪系统误判、跟瞄精度下降或信号丢失的可能。
本发明提供了一种跟瞄系统，包括粗瞄装置、精瞄装置、第三反射镜、第一四分之一波片、偏振分光棱镜、S线偏振光源、准直器、第一滤波片、聚焦透镜、第二滤光片、第二线偏振器、非偏振分光棱镜、第三线偏振器、第三滤光片和定焦镜头；
所述粗瞄装置包括第一反射镜、捕获跟踪探测器，所述捕获跟踪探测器与第一反射镜通信连接，所述精瞄装置包括第二反射镜、四象限探测器，所述四象限探测器与第二反射镜通信连接；
S线偏振光源发射的S线偏振光经准直器、第一滤波片后，被偏振分光棱镜反射后透过第一四分之波片，又经过第三反射镜和第二反射镜转向，再经过第一反射镜将光束发射出去；
接收到的圆偏振光，经第一反射镜反射进入第二反射镜，再经第二反射镜和第三反射镜转向后入射到第一四分之一波片上，再透过偏振分光棱镜进入非偏振分光棱镜，光束被分成传播方向相互垂直的两路，其中一路经过第二线偏振器、第二滤光片，再由聚焦透镜将光束汇聚到四象限探测器上，根据光束汇聚在四象限探测器上的位置来调整第二反射镜的角度；另一路经过第三线偏振器、第三滤光片，再由定焦镜头汇聚在捕获跟踪探测器上，根据光束汇聚在捕获跟踪探测器上的位置来调整第一反射镜的角度。
进一步，还包括第一线偏振器，所述S线偏振光源替换为激光器，所述激光器发射的激光经过准直器、第一滤光片后，进入第一线偏振器，被第一线偏振器调制成S线偏振光，经偏振分光棱镜反射。
进一步，所述第一线偏振器用第二四分之一波片和二分之一波片代替，光束从第一滤光片进入第二四分之一波片、二分之一波片，被调制成S线偏振光。
进一步，还包括望远镜；经第二反射镜反射的光束经过望远镜后到达第一反射镜；经第一反射镜反射的光束经过望远镜后到达第二反射镜。
进一步，在所述第一反射镜与望远镜之间设置有第四反射镜，发射的光束被第二反射镜反射并穿过望远镜后，被所述第四反射镜反射回望远镜，被所述第四反射镜反射回望远镜的光束即所述接收到的圆偏振光，所述接收到的圆偏振光直接经望远镜后到达第二反射镜。
进一步，所述第一反射镜为二维转台反射镜或六自由度转台反射镜。所述第三反射镜为二向色镜或者平面反射镜。本发明的第三反射镜可以采用二向色镜，其实现的功能是使得用于通信的光全部透过，用于跟瞄的光全部反射，可以实现本跟瞄系统的光束经二向色镜反射到第二反射镜上，而用于通信的激光透过二向色镜后到达第二反射镜，两束光在第二反射镜表面实现了共轴平行输出和接收。
本发明提供了一种跟瞄系统的调整方法，包括下列步骤：
a、接收信标光，该信标光为圆偏振光；
b、所述信标光经第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜反射后入射第一四分之一波片，被调制成P偏振光，该P偏振光经过偏振分光棱镜透射出去；
c、透射出来的P偏振光被非偏振分光棱镜分成传播方向互相垂直的两路光束；
d、其中一路光束经过第三线偏振器、第三滤光片后，再由定焦镜头聚光后照射在捕获跟踪探测器上；根据光束照射在捕获跟踪探测器的位置，调整第一反射镜的角度，使得光束照射在捕获跟踪探测器的中心；
e、另一路光束经过第二线偏振器、第二滤光片后，由聚焦透镜聚焦，聚焦后的光斑成像在四象限探测器上；四象限探测器根据光斑的位置调整第二反射镜的角度，使得第二反射镜的轴向光线角度偏离逐渐减少。
进一步，S偏振光被偏振分光棱镜反射后，经过第一四分之一波片，被第一四分之一波片调制成圆偏振光，圆偏振光经过第三反射镜和第二反射镜转向后，被第四反射镜反射回来，该反射回来的光束作为信标光。
与现有技术相比，本发明的跟瞄系统采用粗瞄装置和精瞄装置相结合，能够达到较高的跟瞄精度。本发明成功地有效消除了CCD及PSD上的无效光亮斑，有效抑制了杂散信号对于CCD图像处理及PSD定位精度的影响，减少了位置误判及跟瞄信号丢失的可能。
附图说明
图1是本发明的跟瞄系统的示意图。
附图标记：1、第一反射镜；2、望远镜；3、第二反射镜；4、第三反射镜；5、第一四分之一波片；6、偏振分光棱镜；7、第一线偏振器；8、第一滤光片；9、准直器；10、激光器；11、四象限探测器；12、聚焦透镜；13、第二滤光片；14、第二线偏振器；15、非偏振分光棱镜；16、第三线偏振器；17、第三滤光片；18、定焦镜头；19、捕获跟踪探测器。
具体实施方式
如图1所示，本发明的跟瞄系统包括第一反射镜1、望远镜2、第二反射镜3、第三反射镜4、第一四分之一波片5、偏振分光棱镜6、第一线偏振器7、第一滤光片8、准直器9、激光器10、四象限探测器11、聚焦透镜12、第二滤光片13、第二线偏振器14、非偏振分光棱镜15、第三线偏振器16、第三滤光片17、定焦镜头18和捕获跟踪探测器19。
作为激光光源的激光器10为型号HNL5632.8-10的HeNe激光器，激光器10发射出633nm的激光，经准直器9准直后经过第一滤光片8发出单色光，经第一线偏振器7调制后，激光光束变为S偏振的线偏振光，然后通过偏振分光棱镜6，S偏振光无损耗反射至第一四分之一波片5，第一四分之一波片5的光轴方向与S偏振光的偏振方向夹角为45度，通过第一四分之一波片5的出射光束被调制为圆偏振光，经过第三反射镜4和第二反射镜3转向，再通过望远镜2对光束发散角进一步压缩，再经过第一反射镜1将光束以一定的对准角度发射出去。本实施例第一线偏振器7可用四分之一波片和二分之一波片代替，经过第一滤波片8后的光束被四分之一波片、二分之一波片调制成S偏振的线偏振光。激光发射器10可采用直接发射S线偏振光的光源，这样可以省掉第一线偏振器7，偏振光源发射的S线偏振光经准直器9、第一滤波片8后被偏振分光棱镜6反射。
望远镜2为型号GBE10-A的伽利略式望远镜，第一反射镜1由万向转台及万向转台上的反射镜组成。万向转台为大恒光电的GCD系列转台组合而成，分辨率约为0.1mrad～0.2mrad，其水平方向为360°旋转，俯仰方向为±15°。第二反射镜3为型号POLARIS-K1S3P的压电陶瓷反射镜，第三反射镜4为平面反射镜或者二向色镜。第一线偏振器7、第二线偏振器14、第三线偏振器16均为型号LPVISC100-MP2的纳米粒子线偏振器。第一滤光片8、第二滤光片13、第三滤光片17均为型号FL05632.8-10的滤光片。偏振分光棱镜6的型号为PBS201，非偏振分光棱镜15的型号为BS016。本发明的第三反射镜采用二向色镜时，其实现的功能是使得用于通信的光全部透过，用于跟瞄的光全部反射，可以实现本跟瞄系统的光束经二向色镜反射到第二反射镜上，而用于通信的激光透过二向色镜后到达第二反射镜，两束光在第二反射镜表面实现了共轴平行输出和接收；如图1所示，可以将用于发射通信用的光束的激光器设置在二向色镜的下方，通信光束透过二向色镜到达第二反射镜。
远处发射的激光光束为圆偏振光，经第一反射镜1反射进入望远镜2，对光束的束宽进行了压缩，变成了更细的偏振光束，再经第二反射镜3和第三反射镜4转向后入射到第一四分之一波片5上，透过第一四分之一波片5的出射光束被调制为P偏振光，P偏振光经过偏振分光棱镜6全部透射出去，再经由非偏振分光棱镜15将光强分为了50:50的两束传播方向互相垂直的光束，一路经过第二线偏振器14(即检偏器)、第二滤光片13，再由聚焦透镜12将光束汇聚到四象限探测器11上，用于精定位；另一路直接透射进入第三线偏振器16和第三滤光片17，再由定焦镜头18汇聚在捕获跟踪探测器19上，用于粗定位。
定焦镜头18为75mm定焦镜头(Thorlabs MVL75M23)，焦距为75mm，视场角为8.3°，F/#＝2.5。捕获跟踪探测器19为Barsel CMOS工业相机，即CCD相机，感光芯片尺寸为4.2mmx2.4mm，阵列1920x1080，像素为2.2um，帧速率26fps，配合75mm定焦镜头(MVL75M23)，实现大视场目标捕获。
四象限探测器11为Thorlabs的四象限探测器PDQ80A，即PSD，波长范围为400-1500nm，其感光面为Φ7.8mm，感光面分为了四个单独的探测器，可表示为Q1、Q2、Q3、Q4，当光信号落在象限表面，将其转换成电信号，其数值输出为X-AXIS(Q2+Q3)-(Q1+Q4)、Y-AXIS(Q1+Q2)-(Q3+Q4)、SUM(Q1+Q2+Q3+Q4)，因此可以通过计算四个象限上的电信号差异来得到位置的差异，从而驱动压电陶瓷反射镜3逐步减少轴向光线角度偏离，从而实现精确瞄准。
本发明的光束发射、接收以及跟瞄系统调整过程如下：
A、激光器10发出的光通过准直镜9准直后，透过第一滤光片8，再经过起偏器，即第一线偏振器7，在第一线偏振器后放置功率计，配合调整准直镜9和起偏器使功率计的示数最大，此时表明出射光为S线偏振光。
B、S线偏振光经过偏振分光棱镜6，偏振分光棱镜6能保证光线在分光膜层表面实现S线偏振光全部反射，P方向的光全部透射，消光比在632nm波段为10000：1，因此S线偏振光全部反射至第一四分之一波片5。
C、经过反射的S线偏振光经过第一四分之一波片5，由线偏振光变为圆偏振光，此时第一四分之一波片5的快轴方向与S线偏振光的振动方向呈45度夹角。
D、圆偏振光经过第三反射镜4、第二反射镜3、第一反射镜1等光学天线发射出去。
E、接收端的信标光以圆偏振光形式经过天线进入接收光路中，经过第一反射镜1、第二反射镜3、第三反射镜4，偏振态不变，再经过第一四分之一波片5变为P偏振光，P偏振光经过偏振分光棱镜6全部透射出去。
F、偏振分光棱镜6透射的P光此时需要分光，一路至四象限探测器,一路至捕获跟踪探测器，因此此时需要使用非偏振分光棱镜15，非偏振分光棱镜15的作用是使入射的光按50/50的比例反射和透射光。
G、透射的光经过检偏器，即第三线偏振片16消除杂光，再经过第三滤光片17进一步滤光，再由75mm定焦镜头18聚光，照射在捕获跟踪探测器19的成像面。捕获跟踪探测器得到信标光的像，通过图像处理方式计算出聚焦光的位置，通过控制电路和程序去调整第一反射镜1的转动(具体来说，是调整用于安装第一反射镜1的二维转台的转动，二维转台可使用六自由度的转台代替)，使得光能逐步调整到捕获跟踪探测器的中心。
粗瞄过程是由二维转台上的具有两个旋转轴的万向节的转动完成的，由它的转动使得第一反射镜1的方向发生改变，从而达到粗瞄的目的。首先第一反射镜1按预先设定指向探测目标，其接收到的傍轴激光在捕获跟踪探测器的CMOS上成像，其光斑必然偏离CMOS的中心，捕获跟踪探测器将光信号转换后，向捕获跟踪传感器的电子学部分输出图像数据数字信号，控制系统根据图像处理技术，计算出光斑偏离中心的距离，转换成万向节的控制信号，通过转动万向节调整第一反射镜的角度，逐步迭代使光斑落点逐步成像在CMOS的中心，从而完成粗瞄过程。
H、反射得光经过检偏器，即第二线偏振器14消除杂光，再经过第二滤光片13和聚焦透镜12，聚焦光斑成像在四象限探测器11上，四象限探测器可以根据光斑在四个象限得到的转换电压差来输出位置信息。此位置信息通过控制程序传输到第二反射镜3上。第二反射器3采用压电陶瓷反射器，压电陶瓷反射镜的调节范围为500urad，精度达到了1urad，因此可以实现光束方向的精密调整，使光束对准更精确。压电陶瓷反射器可使用MEMS偏转镜或液晶自由空间光调制器代替。
经过粗瞄后，发射的光束和接收的光束基本上已经对准，其轴向偏差在mrad级别，但想实现更高速度、更高带宽的激光数据传输，其通信感光面积要求越小，例如使用的通信探测器为Si APD(Thorlabs APD210)，感光面积为500um，因此需要对瞄准精度进一步提高，提高至urad级别。
精瞄装置通过压电陶瓷驱动光学反射镜绕X轴、Y轴的微小转动实现对光束的二维小角度偏转控制。压电陶瓷反射镜(第二反射镜3)，其调整架上带有三个压电调节器，它通过压电调节器每提供0.1v步进0.5urad，量程为500urad。四象限探测器PDQ80A，波长范围为400-1500nm，其感光面为Φ7.8mm，感光面分为了四个单独的探测器，可表示为Q1、Q2、Q3、Q4，当光信号落在象限表面，将其转换成电信号，其数值输出为X-AXIS(Q2+Q3)-(Q1+Q4)、Y-AXIS(Q1+Q2)-(Q3+Q4)、SUM(Q1+Q2+Q3+Q4)，因此可以通过计算四象限上的电信号差异来得到位置的差异，从而驱动压电陶瓷反射镜逐步减少轴向光线角度偏离，从而实现精确瞄准。
为了更好地减小系统内部和自身系统的影响，在实际操作过程中，在望远镜2和第一反射镜1之间放置一个可调的第四反射镜。当发射光经望远镜2、第一反射镜1发射出去后，调节第四反射镜，可让发射光按照原路返回模拟接收到的信标光，并且精密地调整偏振分光棱镜6和第一四分之一波片5的角度，使得在非偏振分光棱镜15前的光功率最大，可认为此时系统的接收功率最大。
本发明使用的是收发一体光学系统，使得整个光学系统较小型化。相比较收发分离系统，元件使用数更少，结构更紧凑。同时收发一体系统能更好的调整信号光与信标光的同轴程度，降低了光路调整的难度。本发明通过偏振隔离方案可以实现高消光比的光束传输，进一步消除了杂光。本发明之前使用的是非偏振光学系统，因使用的非偏振棱镜BS016，其透光率为47％，发射率为47％，因此接近5％的杂散光入射到探测器表面，此光束不随光学天线转角而变化，因此影响了捕获跟踪探测器和四象限探测器的定位，容易造成误解读和信噪比低，从而影响了光学天线系统的转角控制和跟瞄精度。

Claims (9)

1.一种跟瞄系统，其特征在于：包括粗瞄装置、精瞄装置、第三反射镜(4)、第一四分之一波片(5)、偏振分光棱镜(6)、S线偏振光源、准直器(9)、第一滤光片(8)、聚焦透镜(12)、第二滤光片(13)、第二线偏振器(14)、非偏振分光棱镜(15)、第三线偏振器(16)、第三滤光片(17)和定焦镜头(18)；
所述粗瞄装置包括第一反射镜(1)、捕获跟踪探测器(19)，所述捕获跟踪探测器(19)与第一反射镜(1)通信连接，所述精瞄装置包括第二反射镜(3)、四象限探测器(11)，所述四象限探测器(11)与第二反射镜(3)通信连接；
S线偏振光源发射的S线偏振光经准直器(9)、第一滤波片(8)后，被偏振分光棱镜(6)反射后透过第一四分之波片(5)，又经过第三反射镜(4)和第二反射镜(3)转向，再经过第一反射镜(1)将光束发射出去；
接收到的圆偏振光，经第一反射镜(1)反射进入第二反射镜(3)，再经第二反射镜(3)和第三反射镜(4)转向后入射到第一四分之一波片(5)上，再透过偏振分光棱镜(6)进入非偏振分光棱镜(15)，光束被分成传播方向相互垂直的两路，其中一路经过第二线偏振器(14)、第二滤光片(13)，再由聚焦透镜(12)将光束汇聚到四象限探测器(11)上，根据光束汇聚在四象限探测器(11)上的位置来调整第二反射镜(3)的角度；另一路经过第三线偏振器(16)、第三滤光片(17)，再由定焦镜头(18)汇聚在捕获跟踪探测器(19)上，根据光束汇聚在捕获跟踪探测器(19)上的位置来调整第一反射镜(1)的角度。
2.根据权利要求1所述的跟瞄系统，其特征在于：还包括第一线偏振器(7)，所述S线偏振光源替换为激光器(10)，所述激光器(10)发射的激光经过准直器(9)、第一滤光片(8)后，进入第一线偏振器(7)，被第一线偏振器(7)调制成S线偏振光，经偏振分光棱镜(6)反射。
3.根据权利要求2所述的跟瞄系统，其特征在于：所述第一线偏振器(7)用第二四分之一波片和二分之一波片代替，光束从第一滤光片(8)进入第二四分之一波片、二分之一波片，被调制成S线偏振光。
4.根据权利要求1、2或3所述的跟瞄系统，其特征在于：还包括望远镜(2)；经第二反射镜(3)反射的光束经过望远镜(2)后到达第一反射镜(1)；经第一反射镜(1)反射的光束经过望远镜(2)后到达第二反射镜(3)。
5.根据权利要求4所述的跟瞄系统，其特征在于：在所述第一反射镜(1)与望远镜(2)之间设置有第四反射镜，发射的光束被第二反射镜(3)反射并穿过望远镜(2)后，被所述第四反射镜反射回望远镜(2)，被所述第四反射镜反射回望远镜(2)的光束即所述接收到的圆偏振光，所述接收到的圆偏振光直接经望远镜(2)后到达第二反射镜(3)。
6.根据权利要求1、2或3所述的跟瞄系统，其特征在于：所述第一反射镜(1)为二维转台反射镜或六自由度转台反射镜。
7.根据权利要求1、2或3所述的跟瞄系统，其特征在于：所述第三反射镜(4)为二向色镜。
8.一种跟瞄系统的调整方法，其特征在于：
a、接收信标光，该信标光为圆偏振光；
b、所述信标光经第一反射镜(1)、第二反射镜(3)、第三反射镜(4)反射后入射第一四分之一波片(5)，被调制成P偏振光，该P偏振光经过偏振分光棱镜(6)透射出去；
c、透射出来的P偏振光被非偏振分光棱镜(15)分成传播方向互相垂直的两路光束；
d、其中一路光束经过第三线偏振器(16)、第三滤光片(17)后，再由定焦镜头(18)聚光后照射在捕获跟踪探测器(19)上；根据光束照射在捕获跟踪探测器(19)的位置，调整第一反射镜(1)的角度，使得光束照射在捕获跟踪探测器(19)的中心；
e、另一路光束经过第二线偏振器(14)、第二滤光片(13)后，由聚焦透镜(12)聚焦，聚焦后的光斑成像在四象限探测器(11)上；四象限探测器(11)根据光斑的位置调整第二反射镜(3)的角度，使得第二反射镜(3)的轴向光线角度偏离减少。
9.根据权利要求8所述的跟瞄系统的调整方法，其特征在于：S偏振光被偏振分光棱镜(6)反射后，经过第一四分之一波片(5)，被第一四分之一波片(5)调制成圆偏振光，圆偏振光经过第三反射镜(4)和第二反射镜(3)转向后，被第四反射镜反射回来，该反射回来的光束作为信标光。
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