CN111988092B - 双频信标光的信标旋转角度检测系统 - Google Patents

Abstract

根据本发明的双频信标光的信标旋转角度检测系统，包括安装在运动物体上的光信标器装置，用于产生第一偏振信标光束和第二偏振信标光束；相对于光信标器装置进行设置的信标光解耦装置，用于接收第一偏振信标光束和第二偏振信标光束，光信标器装置具有第一主光轴，信标光解耦装置具有第二主光轴，第一偏振信标光束用于第一主光轴指向信标光解耦装置所在位置，第二偏振信标光束位于第一主光轴上，当光信标器装置与信标光解耦装置建立光链路后，信标光解耦装置对光信标装置的空间旋转角度进行测量，从而获得运动平台的俯仰、方位和滚转的运动信息，实现对运动目标的跟踪和偏振基矢的测量同步进行。

Description

双频信标光的信标旋转角度检测系统

技术领域

本发明属于量子光通信、偏振光通信领域，涉及一种双频信标光的信标旋转角度检测系统。

背景技术

目前，在星地量子光通信中，仍存在很多技术性上的不足，比如：在受到空中气流、背景光等因素的干扰下，无法快速扫描到信标光并准确地建立光链路；激光在经过长时间、远距离的通信中，由于其自身的模式、偏振状态的改变，也将对量子光通信产生不可忽略的干扰。因此，如何快速建立一个准确、稳定的光链路，并检测分析发送端的位置姿态，成为当前量子光通信领域中迫切解决的难题。

专利CN106788763A公开了一种机载激光通信设备及其控制方法，信标光和信源光两种光源通过同一个接收天线进行接收，之后经过分离、处理后传输给控制模块，通过接收到的信标光和信源光信号调整设备的俯仰和方位角度，进行信号的跟踪。但该装置没有关于扫描装置的介绍，对于如何扫描、捕捉到信标光没有详细说明；专利CN104467960A公开了一种无线光通信中信标光光斑稳定定位系统及其实现方法，其中信标光光源经发射天线发射，通过CCD传感器接收入射信标光的图像，并对其接收的图像进行处理，以此完成信标光光斑质心的定位。但是天线的抗电磁干扰能力不强，易导致通信过程中干扰过大，无法精确定位；上述文献主要采用单路激光发射装置和信标光的检测装置，而单一信标光路一旦失效就会断开光轴对中，从而影响光通信过程，且其信标光的检测由于没有参考信号而受到器件的相位影响较大，不方便位姿信号探测处理。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种双频信标光的信标旋转角度检测系统，通过建立光链路，以正交偏振信标光作为运动平台姿态和偏振基矢改变的测量载体，使用二个光电位置探测器对信标光所在运动平台的三维姿态(方位角、俯仰角、滚转角)进行测量，从而获得运动平台的方位、俯仰和滚转的运动信息，实现对运动目标的跟踪和偏振基矢的测量同步进行。

本发明提供了一种双频信标光的信标旋转角度检测系统双频信标光的信标旋转角度检测系统，具有这样的特征，包括光信标器装置，安装在运动物体上，用于产生第一偏振信标光束和第二偏振信标光束；信标光解耦装置，相对于光信标器装置进行设置，用于接收第一偏振信标光束和第二偏振信标光束，其中，光信标器装置具有第一主光轴，信标光解耦装置具有第二主光轴，第一偏振信标光束用于第一主光轴指向信标光解耦装置所在位置，第二偏振信标光束位于第一主光轴上，当光信标器装置与信标光解耦装置建立光链路后，信标光解耦装置对光信标装置的空间旋转角度进行测量。

在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，光信标装置包括从上至下依次呈直线设置且位于第一主光轴上的二维光电位置探测器、半反半透镜、组合半反半透镜。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，光信标装置还包括依次呈直线设置的半反半透镜、第一组合透镜、第一光源，依次呈直线设置的二维扫描反射镜、组合半反半透镜、第二组合透镜、第二光源，二维光电位置探测器通过放大检测电路与计算机相连。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，，第一偏振信标光束在二维扫描反射镜的指向控制下，对信标光解耦装置所在区域进行螺旋扫描探测，第一偏振信标光束经过信标光解耦装置上的角锥镜反射后被二维光电位置探测器探测并记录此时二维扫描反射镜的瞬时角度，得到信标光解耦装置相对于光信标器装置的空间位置，从而引导第一主光轴指向信标光解耦装置所在的位置，当第二主光轴与第一主光轴重合时，光信标器装置与信标光解耦装置建立光链路。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，信标光解耦装置包括从上至下依次呈直线设置且位于第二主光轴上的透镜、准直镜组、检偏器、组合半反半透镜、绿光窄带滤光片、第一探测器。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，透镜为鱼眼透镜，用于增加视场角度，鱼眼透镜的等效视场大于或等于信标光解耦装置的等效视场。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，信标光解耦装置还包括依次呈直线设置的组合半反半透镜、红光窄带滤光片、第二探测器，第一探测器、第二探测器分别通过放大检测电路与计算机相连。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，第一光源采用绿光激光器，初始定标时，主偏振角度为0°，第二光源采用红光激光器，初始定标时，主偏振角度为90°。

另外，在本发明提供的双频信标光的信标旋转角度检测系统中，还可以具有这样的特征：其中，旋转角度系数的表达式为：

其中，Ax,Bx分别表示光信标装置相对于信标光解耦装置任意扭转角度下，探测器探测的光强值。

发明的作用与效果

本发明所涉及的双频信标光的信标旋转角度检测系统通过建立光链路，以正交偏振信标光作为运动平台姿态和偏振基矢改变的测量载体，使用二个光电位置探测器对信标光的三维姿态进行测量，从而获得运动平台的俯仰、方位和滚转的运动信息，实现对运动目标的跟踪和偏振基矢的测量同步进行。

附图说明

图1是本发明的实施例中双频信标光的信标旋转角度检测系统示意图；

图2是本发明的实施例中偏振光原理示意图。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明的双频信标光的信标旋转角度检测系统作具体阐述。

实施例

如图1所示，一种双频信标光的信标旋转角度检测系统包括光信标装置1和信标光解耦装置2。

信标光解耦装置2相对光信标装置1进行设置。

自由空间3位于信标光解耦装置2与光信标装置1之间。

光信标装置1安装在运动物体的二维跟踪转台上，实施例中的此跟踪转台为常规二维跟踪台，根据跟踪的动态参数，可以选择相关产品，产品型号可参考华中测控的DT19E两轴转台。

实施例中，信标光解耦装置2也是安装在设置在地面上的二维跟踪转台上，其型号与光信标装置1安装使用的技术参数相同。

光信标装置1包括第一光源10、第二光源11、第一组合透镜12、第二组合透镜13、半反半透镜14、组合半反半透镜15、二维扫描反射镜16、二维光电位置探测器20、放大检测电路21、计算机22。

二维光电位置探测器20、半反半透镜14、组合半反半透镜15从上至下依次呈直线设置，位于光信标装置1的第一主光轴上。

半反半透镜14、第一组合透镜12、第一光源10依次呈直线设置。

二维扫描反射镜16、组合半反半透镜15、第二组合透镜13、第二光源11依次呈直线设置。

实施例中，二维光电位置探测器20(二维PSD)通过放大检测电路21与计算机22相连。

实施例中，第一光源10为波长532nm的绿光激光器，其出射光功率为5mW，出射光斑直径为8mm，发散半角<1mrad，初始定标时，主偏振角度定标为0°。

第二光源11为波长635nm的红光激光器，其出射光功率为25mW，出射光斑直径为8mm，发散半角<1mrad，初始定标时，主偏振角度定标为90°。

第一光源10发出的从右至左的第一光101与第一主光轴垂直，第一光101经过第一组合透镜12后被半反半透镜14反射90度沿第一主光轴向下，在组合半反半透镜15处分成第一支路、第二支路二路，第一支路沿第一主光轴向下，第二支路被组合半反半透镜15反射90度后向右且与第一主光轴垂直。

第二光源11发出的从右至左的第二光111与第一主光轴垂直，第二光111经过第二组合透镜13后在组合半反半透镜15处分成二个支路，一个支路经过半反半透镜15后与第一光101的第二支路合成为指向光束18经二维扫描反射镜16反射后指向信标光解耦装置2，另一支路被组合半反半透镜15反射90度后沿第一主光轴向下与第一光101的第一支路合成为混合绿红偏振信标光束17。

实施例中，第一组合透镜12是补偿片和偏振片组合的透镜，第一组合透镜12使得第一光101中的绿光部分在经过半反半透镜15后为线偏光。

第二组合透镜13是补偿片和偏振片组合的透镜，第二组合透镜13使得第二光111中的红光部分在经过半反半透镜15后为线偏光。

信标光解耦装置2包括透镜30、准直镜组31、检偏器32、组合半反半透镜33、红光窄带滤光片34、探测器35、绿光窄带滤光片36、探测器37、放大检测电路38、计算机39、角锥反射镜40。

透镜30、准直镜组31、检偏器32、组合半反半透镜33、绿光窄带滤光片36、探测器37从上至下依次呈直线设置，位于信标光解耦装置2的第二主光轴上。

组合半反半透镜33、红光窄带滤光片34、探测器35依次呈直线设置。

角锥反射镜40相对于光信标装置1设置，位于信标光解耦装置2的一端，主光轴方向平行于信标光解耦装置2的第二主光轴。

实施例中，透镜30是鱼眼透镜，视场角度大于120°。

在地面系统标定时，光信标装置1、信标光解耦装置2的X-Y坐标系需要标定一致，轴向(图1中第一主光轴与第二主光轴对准的方向)作为1和2的对中光轴方向。

检偏器32主检测角度在系统定标时，主检偏角度为0°。

红光窄带滤光片34目的保留红光通过。

探测器35为二维PSD。

绿光窄带滤光片36目的保留绿光通过。

探测器37为二维PSD。

探测器35、探测器37分别通过放大检测电路38与计算机39相连。

图1中，光信标装置1具有光信标等效视场4(此处以二维扫描镜16的有效扫描视场为参考)，信标光解耦装置2具有信标光解耦等效视场5(此处以鱼眼透镜30的等效视场为参考)，角锥反射镜40具有角锥反射镜等效视场6，鱼眼透镜30的等效视场7大于或等于信标光解耦等效视场5。

工作过程：

光信标装置1安装在运动物体上，运动物体具有GPS定位功能。

信标光解耦装置2安装在地面，开机时根据光信标装置1所在运动物体的GPS定位信息，初步指向载有光信标装置1的运动物体空间方向。保证光信标等效视场4和角锥反射镜等效视场6有交叠区。

光信标装置1通过GPS定位，有目的的将视场靠近信标光解耦装置2所在的地面观测点。

打开光信标装置1中的第一光源10、第二光源11；此时经过透镜和反射镜后的指向光束18在二维扫描反射镜16的指向控制下，对信标光解耦装置2所在区域进行螺旋扫描探测。

当指向光束18照射到角锥反射镜40上，角锥反射镜40会让指向光束18的部分光原路反射回去。

指向光束18反射回去的光束经过二维扫描反射镜16、组合半反半透镜15、半反半透镜14反射后，进入光电位置探测器20。

计算机22根据光电位置探测器20探测到的反射回去的光强探测值，结合二维扫描反射镜16瞬时的二维角度坐标，经过坐标换算后，解算出信标光解耦装置2相对于光信标装置1的空间坐标位置。

在计算机22解算下，光信标装置1的第一主光轴指向信标光解耦装置2所在位置。

信标光解耦装置2根据接收到的来自光信标装置1的混合绿红偏振信标光束17在探测器35和探测器37的位置偏差，调整信标光解耦装置2的第二主光轴指向，最终，使得信标光解耦装置2的第二主光轴与光信标装置1的第一主光轴对准，也就是混合绿红偏振信标光束17处于探测器35和37的中心零点位置。

在第一主光轴和第二主光轴实现光轴对准后，信标光解耦装置2开始对光信标装置1的空间旋转角度也就是偏振基矢角度进行测量。

因为混合绿红偏振信标光束17是红光、绿光线偏光组成的正交线偏光组合，检偏原理主要由检偏器32实现，根据马吕思定律和图2所示检测原理，可以检测出光信标装置1相对于信标光解耦装置2的旋转角度值也就是偏振基矢偏差值。

检测过程如下：

实际进入探测器35的光，是经过滤光片34后的混合绿红偏振信标光束17中的红光部分。

进入探测器37的光，是经过滤光片36后的混合绿红偏振信标光束17的绿光部分。

如图2所示，X轴为光信标装置1的绿光线偏振角度0°方向，Y轴为光信标装置1的红光线偏振角度90°方向。

图2中椭圆A代表了绿光线偏光的强度示意，椭圆B代表了红光线偏振光的强度示意。

图2中第一象限的虚线表示检偏器32的主检偏角度方向，也表示此时光信标装置1与信标光解耦装置2之间XY坐标系出现了θ角度偏振基矢角度偏差。

如果光信标装置1和信标光解耦装置2的空间坐标是一致平行的，不存在扭转的话，即X-Y等效坐标指向是一致的，那么此时检偏器32的主检测方向就是图2中的0°方向。此时根据马吕思定律，和PSD探测器原理(PSD可以探测光斑位置，也可以探测光强大小)，探测器37和35测得的光强大小为(A1,B1)。

如果在光信标装置1和信标光解耦装置2中，因为光信标装置1的运动造成相对于信标光解耦装置2产生扭转的话，此时假设光信标装置1相对于信标光解耦装置2产生顺时针θ角度扭转，那么对于信标光解耦装置2来说，探测器37和探测器35探测到的光强就是(A2，B2)，图2中这个θ角刚好是45°时的情况，此时A2、B2强度一样。同理，图2中(A3,B3)也是一种角度旋转状况。图2中，o表示坐标原点。

因为红光和绿光经过的空间情况是一致的，在一定范围空间影响是一致的，则通过构造(Ax,Bx)强度比，就可以消除空间环境对信标光强度的影响，推算出光信标装置1相对于信标光解耦装置2的坐标系扭转情况，通过调整保证光信标装置1和信标光解耦装置2的偏振基矢统一。

其中，Ax,Bx分别表示光信标装置1相对于信标光解耦装置2任意扭转角度下，探测器37和探测器35探测的光强值。

构造旋转角度系数：

标定后，得到角度区间表：

序号	θ角度(°)	ρ值	说明
				1	0	Max	可标定
2	45	1
				3	90	Min	可标定
4	135	1
				5	180	Max	可标定

ρ处于Max→1→Min之间值所对应的角度0°→45°→90°，可以通过查表、插值的方法进行细分，获得更详细的光信标装置1相对于信标光解耦装置2的扭转角度θ。

如果考虑空间对不同波长的影响系数不同的话，可以在光源选择上，选择波长接近的光作为信标光。这里不做展开。

上面的旋转角度系数，还有角度区间表的使用，避免了复杂的角度换算过程，通过查表和区间插值的方式，快速计算出扭转角度θ的大小。

旋转角度系数是为了克服空间对光强的衰减作用，具有差分检测和去除干扰的功效。

实施例的作用与效果

本实施例的双频信标光的信标旋转角度检测系统通过建立光链路，以正交偏振信标光作为运动平台姿态和偏振基矢改变的测量载体，使用二个光电位置探测器对信标光的三维姿态进行测量，从而获得运动平台的俯仰、方位和滚转的运动信息，实现对运动目标的跟踪和偏振基矢的测量同步进行。

另外，本实施例使用二维扫描振镜，可通过振镜的快速旋转使扫射的光束呈螺旋式，以扩大扫描空间，便于捕捉到空间中的信标光，进而快速建立光链路。

进一步地，通过采用正交信标光，能够增加备份信标光路，提高信标光强。

进一步地，其正交合束所构造的混合线偏振光受到空间的影响较小，方便探测处理。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于，包括：

光信标装置，安装在运动物体上，用于产生第一偏振信标光束和第二偏振信标光束；

信标光解耦装置，相对于所述光信标装置进行设置，用于接收所述第一偏振信标光束和所述第二偏振信标光束，

其中，所述光信标装置具有第一主光轴，所述信标光解耦装置具有第二主光轴，

所述第一偏振信标光束通过所述第一主光轴指向所述信标光解耦装置所在位置，

所述第二偏振信标光束位于所述第一主光轴上，

所述第一偏振信标光束和所述第二偏振信标光束的主偏振角度均为固定偏振角度，且所述第一偏振信标光束和所述第二偏振信标光束的主偏振角度呈正交状态，所述第一偏振信标光束和所述第二偏振信标光束共同从所述第一主光轴输出，

其中，所述第一偏振信标光束以90度偏振角度为主，其他偏振角度为辅，

当所述光信标装置与所述信标光解耦装置建立光链路后，所述信标光解耦装置对所述光信标装置的空间旋转角度进行测量，所述旋转角度的系数表达式为：

式中Ax,Bx分别表示光信标装置相对于信标光解耦装置任意扭转角度下，探测器探测的光强值，

其中，根据所述旋转角度的系数ρ查对角度区间表后得到所述旋转角度。

2.根据权利要求1所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述光信标装置包括从上至下依次呈直线设置且位于所述第一主光轴上的二维光电位置探测器、半反半透镜、组合半反半透镜。

3.根据权利要求2所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述光信标装置还包括依次呈直线设置的半反半透镜、第一组合透镜、第一光源，

依次呈直线设置的二维扫描反射镜、组合半反半透镜、第二组合透镜、第二光源，

所述二维光电位置探测器通过放大检测电路与计算机相连。

4.根据权利要求3所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述第一偏振信标光束在所述二维扫描反射镜的指向控制下，对所述信标光解耦装置所在区域进行螺旋扫描探测，

所述第一偏振信标光束经过所述信标光解耦装置上的角锥镜反射后被所述二维光电位置探测器探测并记录此时所述二维扫描反射镜的瞬时角度，得到所述信标光解耦装置相对于所述光信标装置的空间位置，从而引导所述第一主光轴指向所述信标光解耦装置所在的位置，

当所述第二主光轴与所述第一主光轴重合时，所述光信标装置与所述信标光解耦装置建立光链路。

5.根据权利要求1所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述信标光解耦装置包括从上至下依次呈直线设置且位于所述第二主光轴上的透镜、准直镜组、检偏器、组合半反半透镜、绿光窄带滤光片、第一探测器。

6.根据权利要求5所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述透镜为鱼眼透镜，用于增加视场角度，

所述鱼眼透镜的等效视场大于或等于所述信标光解耦装置的等效视场。

7.根据权利要求5所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：

其中，所述信标光解耦装置还包括依次呈直线设置的组合半反半透镜、红光窄带滤光片、第二探测器，

所述第一探测器、所述第二探测器分别通过放大检测电路与计算机相连。

8.根据权利要求3所述的双频信标光的信标旋转角度检测系统，其特征在于：其中，所述第一光源采用绿光激光器，初始定标时，主偏振角度为0°，

所述第二光源采用红光激光器，初始定标时，主偏振角度为90°。

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