CN111884720A - 一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法 - Google Patents

一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，属于空载激光通信技术领域，解决了如何在保证指向精度和扫描速度的前提下，缩短扫描时间的问题。本发明扫描方法是根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制来改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹和接收光路视角，从而提高扫描路径的覆盖宽度，实现快速扫描。本发明主要用于在激光通信中对光信号进行捕捉。

Description

一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法
技术领域
本发明属于空载激光通信技术领域。
背景技术
近年来中国在通信技术领域取得了丰硕成果，激光通信技术具有通信速率快、体积小、重量轻、保密性高等优点，成为了适应各个领域的远距离高速通信手段，尤为受到重视。瞄准捕获跟踪是激光通信领域中的关键技术，快速捕获到双方的激光信号是决定激光通信建立链路性能的一个重要评判指标，特别是在空载激光通信领域，由于飞行器的飞行轨迹为非定轨道，飞行姿态会随飞行方向变化以及气流等因素有较大的变化，这就造成激光初始指向不确定域增加，在不确定域增加的形式下，如何更为快速捕获到双方的激光信号显得尤为重要。
而快速捕获到双方的激光信号的环节中，传统的激光通信技术只应用粗瞄准机构进行扫描捕获工作，扫描过程中粗瞄准机构的指向精度受其粗瞄准机构所在轴系的转动速度影响，随着粗瞄准机构轴系转动速度的增加又会造成指向精度的下降，指向精度与扫描速度间存在制约，由于二者相互制约无法进一步实现在保证指向精度及扫描速度的前提下，在最短的时间完成快速扫描；因此，只应用粗瞄准机构进行扫描，从而来捕获信号的方式，已经无法满足快速建立通信链路的需要。故，如何在保证指向精度及扫描速度的前提下，在最短的时间完成扫描捕获过程已成为了空载激光通信技术领域亟需攻克的难题。因此，以上问题亟需解决。
发明内容
本发明目的是为了解决如何在保证指向精度和扫描速度的前提下，缩短扫描时间的问题，本发明提供了一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法。
一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，该扫描方法基于激光通信系统实现，激光通信系统包括粗瞄执行机构和精瞄执行机构，且粗瞄执行机构用于控制光探测器的行进轨迹；精瞄执行机构用于控制光探测器的接收光路视角，光探测器用于对待扫描视场进行扫描；
所述扫描方法是根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制来改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹和接收光路视角，实现光探测器扫描覆盖宽度的调整，从而完成扫描。
优选的是，所述根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制的具体过程包括如下步骤：
步骤一、将阿基米德螺旋线作为激光通信系统中光探测器的扫描路径，并根据待扫描视场的面积，确定该待扫描视场中系统扫描螺距Lb及螺速Lc；
步骤二、根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)；其中，i表示时刻，i的初始值为1，θ(0)＝0；
步骤三、根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)；
步骤四、根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)；
步骤五、根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)；
步骤六、根据横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)分别对粗瞄执行机构所在轴系的横轴和纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器方位的粗调；同时，通过纵轴控制分量yf(i)对精瞄执行机构所在轴系的纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器接收光路视角的微调；最终实现对当前时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制；
步骤七、令i＝i+1，执行步骤二至步骤六，直至完成对所有时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制。
优选的是，步骤二中，根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)的实现方式为：
Figure BDA0002640483740000021
Figure BDA0002640483740000022
其中，h为计算步长，f(θ(i-1))为中间变量。
优选的是，步骤三中，根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)的实现方式为：
r(i)＝a+b×θ(i)；
其中，a为待扫描视场中扫描起点到坐标原点的距离；
b为螺旋线的螺距。
优选的是，步骤四中，根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)的实现方式为：xc(i)＝r(i)cos(θ(i))；
yc(i)＝r(i)sin(θ(i))。
优选的是，步骤五中，根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)的实现方式为：
yf(i)＝fd×(-1)i+1。
优选的是，h＝1。
本发明带来的有益效果为：本发明应用粗瞄准机构与精瞄准机构复合工作的方式，设计出可根据不同空载条件变换而适时调整的扫描方案，从而达到在不确定扫描范围一定、指向精度不变、扫描速度不变的情况下，通过粗瞄准机构与精瞄准机构相互配合，改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹和接收光路视角，从而提高扫描路径的覆盖宽度，即：提高扫描宽度，大大缩短扫描时间，有效的提高了扫描效率，实现快速扫描，使扫描捕获时间缩短了一倍以上，为空载激光通信快速建立通信链路提供了技术支撑。也通过改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹，来扩大整个系统接收视场范围，大大缩短扫描时间，有效的提高了扫描效率。
附图说明
图1是本发明所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法的流程图；
图2是传统只应用粗瞄准机构进行扫描的方式下，扫描过程中相邻两个时刻的扫描路径的覆盖宽度示意图；其中，Step1为当前时刻光探测器的接收视场，Step2为下一时刻光探测器的接收视场；
图3是采用本发明所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法进行扫描的过程中，相邻4个时刻的扫描路径的覆盖宽度示意图；其中，Step1为当前时刻光探测器的接收视场，Step2为下一时刻光探测器的接收视场，Step3为第三时刻光探测器的接收视场，Step2为第四时刻光探测器的接收视场；
图4是光探测器的接收视场与待扫描视场的相对关系图，其中，Wx为待扫描视场在水平方向上的扫描视角，Wy为待扫描视场在水平方向上的扫描视角，S(Wx,Wy)为待扫描视场，Wr为光探测器的扫描视角，S(Wr)为光探测器的接收视场。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本实施方式所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，该扫描方法基于激光通信系统实现，激光通信系统包括粗瞄执行机构和精瞄执行机构，且粗瞄执行机构用于控制光探测器的行进轨迹；精瞄执行机构用于控制光探测器的接收光路视角，光探测器用于对待扫描视场进行扫描；
所述扫描方法是根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制来改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹和接收光路视角，实现光探测器扫描覆盖宽度的调整，从而完成扫描。
具体应用时，本实施方式所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，在待扫描视场一定、指向精度一定、扫描速度一定的情况下，通过粗瞄准机构与精瞄准机构相互配合，改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹，从而提高扫描路径的覆盖宽度，即：提高扫描宽度，大大缩短扫描时间，有效的提高了扫描效率实现快速扫描。光探测器可采用CCD相机实现。
本实施方式所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法与传统单独应用粗瞄执行机构进行扫描的情况对比，具体参见图2和图3本发明可以有效降低在相同扫描路径下的扫描时间，在不改变粗瞄执行机构扫描速率的情况下，提高了扫描覆盖效率，解决了空载激光通信终端由于姿态漂移等因素造成的扫描不确定域(即：不确定视场)增加的问题，为空载激光通信快速建立通信链路提供了技术支撑。
进一步的，具体参见图1，所述根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制的具体过程包括如下步骤：
步骤一、将阿基米德螺旋线作为激光通信系统中光探测器的扫描路径，并根据待扫描视场的面积，确定该待扫描视场中系统扫描螺距Lb及螺速Lc；
步骤二、根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)；其中，i表示时刻，i的初始值为1，θ(0)＝0；
步骤三、根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)；
步骤四、根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)；
步骤五、根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)；
步骤六、根据横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)分别对粗瞄执行机构所在轴系的横轴和纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器方位的粗调；同时，通过纵轴控制分量yf(i)对精瞄执行机构所在轴系的纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器接收光路视角的微调；最终实现对当前时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制；
步骤七、令i＝i+1，执行步骤二至步骤六，直至完成对所有时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制。
本优选实施方式中，系统扫描螺距Lb可根据探测光探测器的接收视场S(Wr)和扫描路径原始覆盖宽度来设置，螺速Lc需要根据终端的电机控制精度来选定，并且单步步长不能超过光探测器的接收视场S(Wr)的一半，太快的扫描速度会造成指向精度的降低，太大的扫描步长会造成漏扫。
本实施方式所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法与传统单独应用粗瞄执行机构进行扫描的情况对比，具体参见图2和图3本发明可以有效降低在相同扫描路径下的扫描时间，在不改变粗瞄执行机构扫描速率的情况下，提高了扫描覆盖效率，解决了空载激光通信终端由于姿态漂移等因素造成的扫描不确定域(即：不确定视场)增加的问题，为空载激光通信快速建立通信链路提供了技术支撑。
为了保证扫描阶段的姿态漂移不超过不确定域(即：由不确定域构成的待扫描视场)，因此需要在最快时间内完成扫描过程，但是传统单独依靠粗瞄机构的螺旋扫描方式在螺速过快的情况下降影响指向精度，严重情况将造成扫描螺距不均匀，致使捕获失败。因此本发明采用粗瞄和精瞄机构复合扫描的方式来完成。通过增加粗瞄扫描的螺距，在每个粗瞄扫描点上叠加精瞄螺旋扫描的方式来完成，这样就可以在不改变粗瞄机构速率的情况下，大大降低扫描时间。复合后的扫描曲线如图3所示，通常fd按照满量程的80％设计。
图2中给出了只应用粗瞄准机构进行扫描的方式下，光探测器在扫描路径上的行进轨迹，该种运行轨迹使得整个激光通信系统实的扫描宽度小于光探测器接收视场的最大宽度。而图3中，本发明通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制来改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹，该种运行轨迹使得整个激光通信系统实的扫描宽度大于光探测器接收视场的最大宽度，从而提高扫描路径的覆盖宽度(即：扫描宽度)，实现快速扫描。图3中，光探测器行进轨迹为三角波形。
光探测器的接收视场与待扫描视场的相对关系，具体参见图4；
更进一步的，步骤二中，根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)的实现方式为：
Figure BDA0002640483740000061
Figure BDA0002640483740000062
其中，h为计算步长，f(θ(i-1))为中间变量。
本优选实施方式中，粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)均是根据旋转角度θ(i)获得的，理想的控制系统为连续模型，而实际工程中无法做到连续输出，因此，应用龙格库塔的方式来提高逼近精度，具体采用
Figure BDA0002640483740000071
实现，通过迭代的方式得到最佳逼近的θ(i)值。
更进一步的，步骤三中，根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)的实现方式为：
r(i)＝a+b×θ(i)；
其中，a为待扫描视场中扫描起点到坐标原点的距离；
b为螺旋线的螺距。
更进一步的，步骤四中，根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)的实现方式为：xc(i)＝r(i)cos(θ(i))；
yc(i)＝r(i)sin(θ(i))。
更进一步的，步骤五中，根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)的实现方式为：
yf(i)＝fd×(-1)i+1。
更进一步的，h＝1。
虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (7)

1.一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，该扫描方法基于激光通信系统实现，激光通信系统包括粗瞄执行机构和精瞄执行机构，且粗瞄执行机构用于控制光探测器的行进轨迹；精瞄执行机构用于控制光探测器的接收光路视角，光探测器用于对待扫描视场进行扫描；
其特征在于，所述扫描方法是根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制来改变光探测器在扫描路径上的行进轨迹和接收光路视角，实现光探测器扫描覆盖宽度的调整，从而完成扫描。
2.根据权利要求1所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，所述根据预设的扫描路径，通过对粗瞄执行机构和精瞄执行机构进行联合控制的具体过程包括如下步骤：
步骤一、将阿基米德螺旋线作为激光通信系统中光探测器的扫描路径，并根据待扫描视场的面积，确定该待扫描视场中系统扫描螺距Lb及螺速Lc；
步骤二、根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)；其中，i表示时刻，i的初始值为1，θ(0)＝0；
步骤三、根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)；
步骤四、根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)；
步骤五、根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)；
步骤六、根据横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)分别对粗瞄执行机构所在轴系的横轴和纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器方位的粗调；同时，通过纵轴控制分量yf(i)对精瞄执行机构所在轴系的纵轴进行控制，实现对当前时刻光探测器接收光路视角的微调；最终实现对当前时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制；
步骤七、令i＝i+1，执行步骤二至步骤六，直至完成对所有时刻粗瞄执行机构和精瞄执行机构的联合控制。
3.根据权利要求2所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，步骤二中，根据系统扫描螺距Lb、螺速Lc及上一时刻螺旋线的旋转角度θ(i-1)，获得当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)的实现方式为：
Figure FDA0002640483730000021
Figure FDA0002640483730000022
其中，h为计算步长，f(θ(i-1))为中间变量。
4.根据权利要求2所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，步骤三中，根据当前时刻螺旋线的旋转角度θ(i)，获得当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)的实现方式为：
r(i)＝a+b×θ(i)；
其中，a为待扫描视场中扫描起点到坐标原点的距离；
b为螺旋线的螺距。
5.根据权利要求2所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，步骤四中，根据当前时刻螺旋线的扫描半径r(i)和旋转角度θ(i)，获得当前时刻激光通信系统中粗瞄执行机构所在轴系的横轴控制分量xc(i)和纵轴控制分量yc(i)的实现方式为：
xc(i)＝r(i)cos(θ(i))；
yc(i)＝r(i)sin(θ(i))。
6.根据权利要求2所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，步骤五中，根据激光通信系统中精瞄执行机构的扩步步长fd，获得当前时刻精瞄执行机构所在轴系的纵轴控制分量yf(i)的实现方式为：
yf(i)＝fd×(-1)i+1。
7.根据权利要求3所述的一种应用于空载激光通信技术的快速扫描方法，其特征在于，h＝1。
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