CN112596045B - 实现发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置 - Google Patents

Abstract

一种实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，包括由激光发射第一通道、激光发射第二通道、激光发射第三通道构成平行发射光束装置，在该平行发射光束装置的光束面阵中心设置发射监测系统，所述的发射监测系统包括CCD相机监测望远镜，所述的CCD相机的光敏面处于监测望远镜的焦面上。本发明利用三通道发射光束经过大气的自身后向散射成像光锥交叉于无穷远成像点的特点，可以直接标校出三通道发射子系统的发射光轴，无需传统方式的合作目标介入。

Description

实现发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置

技术领域

本发明属于空间激光工程光电探测，涉及一种实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，无需借助合作目标即可实现发射指向的快速高精度标校，是星地激光通信和机载测距激光雷达发射等空间激光系统的一个关键技术。

背景技术

空间激光工程系统应用包括卫星激光通信和远程激光测距雷达。激光终端的收发平台主要基于地基、机载和星载等三种形式，其空间作用距离为几千到几万公里。激光光束的发散角一般为几十微弧度量级，到达几万公里外的通信或探测目标处光斑足趾达到千米量级。如果发射指向偏差1微弧度，目标处的光斑位置会产生几十米的移动，极易丢失目标，因此对发射指向的精度提出了很高的要求。与星载平台不同，对于地基和机载发射平台而言，发射的上行激光束在离开望远镜后首先经过大气层的影响，产生光束漂移、抖动和到达角起伏等大气湍流效应，极大地破坏了发射光轴指向的准确度。因此，必须要对系统发射光轴进行指向标校。

地基平台传统的光轴标校是通过合作目标的方式预先完成的。合作目标一般放置在野外超过5公里处，由于地面大气湍流起伏的影响，回波光斑在相机内的跟踪点通常处于抖动的状态，对发射光轴的跟踪点的确认只能通过统计平均结果来进行判断，给指向精度引入较大的误差，导致在进行拍星验证时收发光轴间存在角度偏差，收发一致性下降，降低了系统工作效率，甚至会引入误差导致建链不成功。对于机载平台而言，由于平台本身处于运动状态，加上周围环境大气的扰动，要实现光轴指向的精准标校就更加困难，目前针对机载平台的发射光轴尚未有较为有效的标校方法。

在杨文波、安宁等人的专利中提出一种基于图像识别和控制算法的指向修正方案(参见专利申请号CN107015234A和CN110133626A)，该方案中光轴跟踪点的精度取决于相机光锥图像边缘直线的数值拟合精度，仅适用于大气后向散射强产生明显光锥图像边缘的情况。当大气透过率高，后向散射强度弱导致光锥图像边缘模糊进而无法提取出锐利的边缘时，会产生较大的精度误差。

发明内容

为解决空间激光工程系统中激光终端平台收发光轴的快速实时高精度在线标校，同时摆脱需要合作目标辅助配合的试验条件限制，提高系统工作效率，本发明提出一种无需合作目标实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，在系统中引入多个平行发射的光束，并在光束面阵中心设置发射监测相机，通过各发射镜筒和监测相机空间位置关系，建立基于大气后向散射的探测距离与发射监测相机中成像光锥位置的相对几何关系，可快速判断发射光轴跟踪点，实现系统对深空目标的快速高精度实时指向。

本发明的技术方案如下：

一种实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，其特点在于，包括由激光发射第一通道、激光发射第二通道、激光发射第三通道构成平行发射光束装置，在该平行发射光束装置的光束面阵中心设置发射监测系统，所述的发射监测系统包括CCD相机监测望远镜，所述的CCD相机的光敏面处于监测望远镜的焦面上。

所述的光发射第一通道和激光发射第二通道关于所述的发射监测发射监测系统呈左右对称分布，且光发射第一通道和激光发射第二通道到所述的发射监测发射监测系统的中心点距离相等，所述的激光发射第三通道位于所述的发射监测发射监测系统的正上方，使三个通道发射光束的发散角为微弧度量级，远远小于发射监测系统视场的毫弧度量级。

所述的激光发射第一通道、激光发射第二通道、激光发射第三通道发射三束平行光束，依次经大气和监测望远镜后，在所述的CCD相机的光敏面聚焦成像，成像的图像为三个光锥。

所述的各光锥进入CCD相机光敏面的初始位置和指向，取决于各发射通道与发射监测系统的几何位置关系。

根据各光锥的交叉点即可确定待标校光学系统的发射光轴；

本发明的多通道发射装置是待标校光学系统的组成部分之一。待标校的光学系统一般是指包含了发射子系统和接收子系统的收发离轴型空间光学系统，本发明将传统的单通道发射子系统扩充到三通道发射子系统，利用三通道发射光束经过大气的自身后向散射成像光锥交叉于无穷远成像点的特点，可以直接标校出三通道发射子系统的发射光轴，无需传统方式的合作目标介入。

与现有技术相比，本发明的技术效果如下：

本发明实现了一种采用多光束并行发射，无需借助传统的远距离角锥反射器等辅助性合作目标即可完成空间激光工程地面站系统的发射光轴直接标定的方法和装置。本发明装置可随机地指向任意仰角深空方向快速实时地确定发射光轴指向，摆脱了远处设置合作目标调试繁琐和精度较差的限制，具有结构简单、快速实时、性能稳定可靠、机械布局灵活、自身光轴稳定性好、标校精度高和加工装调工艺成熟等特点，采用多通道发射光束的同时也增大了发射功率，降低卫星等目标的下视扫描捕获时间，增加捕跟概率，大大提高了星地激光通信、远程测距激光雷达等空间激光工程系统指向建链的工作效率，可广泛应用于地基平台和机载平台的卫星激光通信和卫星测距激光雷达系统中。

附图说明

图1是本发明实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射方法的实施装置图

图2是本发明实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射方法中单个通道和发射监测相机成像原理示意图

图3是本发明中单通道发射光束的大气后向散射在发射监测相机上的光锥成像matlab仿真图

图4实际外场的星地激光通信上行(36000km)发射光锥成像图(实测图)

图5是本发明实施方式中选择左侧、正上、右侧三通道光束的大气后向散射在发射监测相机上的光锥成像matlab仿真图

图6是本发明实施方式中随机位置布局的三通道光束经大气后向散射在发射监测相机上的光锥成像matlab仿真图

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步说明：

一种实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，由激光发射第一通道1、激光发射第二通道2、激光发射第三通道3、发射监测相机4和监测望远镜5等部分组成，利用激光发射系统发射单个或多个平行光束的大气后向散射特性，通过发射镜筒和监测相机的空间位置关系，建立了基于大气后向散射的可探测距离与发射光束在发射监测相机中成像光锥位置的相对关系，可快速判断出发射光束的最终指向在监测相机中的位置，将该位置设为跟踪点。由于成像位置点计算量级为像素级尺寸，当调整系统姿态使深空目标发射信号处于设定跟踪点上时，即可实现对深空目标的快速高精度瞄准。

以激光发射第一通道1和发射监测相机4为例，如图2所示。激光发射第一通道1发射的激光光束发散角为θ，经过大气路径传输距离z后，其光斑足趾为图2中6，其宽度为θz+D，D为发射光学口径。由于监测相机4前的望远镜5的视场角φ远远大于光束发散角θ，光学足趾6完全出现在望远镜5的视场内。此处光学足趾内的光学能量看作远处的物可在监测相机4内成像，所成的像为一个圆形光斑，像光斑中心位置与监测相机4的中心的距离在x和y方向上分别表示为：

其中d_{1ccd_x}和d_{1ccd_y}分别表示发射通道中心与相机中心在x和y方向上的物理间距。

相机光敏面上的足趾成像光斑半径为：

光学足趾经过大气的后向散射后到达监测相机望远镜前的光功率为可通过大气后向散射雷达方程得到，由于将足趾看作成像目标，不能看作是小目标，因此回波功率与传输距离的平方成反比关系，表示为：

其中，A为接收光学系统的有效接收面积，β_ex为单程大气消光系数，z为传输距离，T_r为接收系统效率，ρ为目标的漫反射率(当单纯考虑大气的后向散射时，可将z处大气层的光学足趾6视为漫反射目标，其后向反射系数β视为漫反射率)，S₁为漫反射目标面积(取z处大气层光学足趾面积)，P₀为发射功率，θ为第一发射通道的光束发散角。根据美国标准大气模型，后向散射中起主要作用的气溶胶的后向散射系数β为：

根据上述理论可得到传输距离z处的光学足趾6的光学能量在经过大气气溶胶后向散射后回到监测相机4上成像光斑的位置、大小和功率密度(对应于相机灰度)。

将第一发射通道初始面到距离z之间的大气分为n层，每层的大气散射光信号依次在CCD中成像，对应为n个成像光斑，随着传输距离z的增加，成像光斑位置逐渐向发射监测相机4的理论中心移动，且光斑半径逐渐缩小，对应的光斑灰度逐渐减弱。将n个光斑光强叠加，即可获得总散射光强，在相机光敏面上呈现为光锥图像，如图3和图4所示。

在发射端出瞳面的近距离处，每层大气散射光强的成像角度变化较大，成像光斑在相机上的位置移动量较大，重叠度较小。在远距离处，每层大气散射光强的成像角度变化较大，成像光斑在相机上的位置移动量越来越小，重叠度逐渐增大。由于大气层厚度有限，无穷远处的目标并未产生后向散射光，因此对于卫星这种工作距离达到万公里级别的超远距离目标，它们在相机上的位置将无限逼近单个成像光锥末梢外。

如图1所示。采用三通道发平行发射光束，三个成像光锥交叉于一点，如图5所示。由于远距离的工作目标在相机上的理论位置无限逼近单个成像光锥末梢外，因此三个光锥的交叉点即为远场目标在相机上的位置，此时即确定了发射光轴的跟踪点。不同的系统，多个发射通道与CCD中心的间距可以是不同的机械涉及值，因此在相机上的成像光锥指向角度有所不同，如图6是改变了发射通道空间位置后的光锥指向。

如图1所示，为本发明星地激光通信系统中光学地面站的信号光发射系统的实施例，包括三个通道的1550nm信号光发射望远镜和发射监测系统，其中发射监测相机由监测望远镜和CCD相机组成，CCD相机光敏面处于监测望远镜的焦面上。发射通道1、2和3的出射位置分别设计在监测相机系统4的左侧、右侧和正上方，其中1和2关于4呈左右对称分布，二者与系统4的中心点距离相等，3与系统4中心点的距离可根据实际系统布局确定。由于三个通道发射光束发散角为微弧度量级，远远小于监测相机视场的毫弧度量级，光束传输到不同距离上大气层时的光学足趾可看作不同大小的光学目标，它们的成像在监测相机上表现为三个光锥，如图2所示。大气气溶胶后向散射效应较强时，三个光锥的交叉点即为系统发射的光轴跟踪点。后向散射效应不足以使光锥图像产生直接交叉时，三者的延长交叉点也即看作是光轴的跟踪点。与高轨卫星尝试进行建链时，微调转台姿态，使卫星下行光束成像点直接定位在上述跟踪点上，卫星可迅速接收到上心激光，实现迅速建链。经外场试验验证，相比较传统的在不确定区域内进行矩形或螺旋形的扫描方式，本发明实施方法在卫星对地激光通信上行成功建链的工程应用上表现优异，可将建链时间压缩到1分钟以内，建链效率提高了10倍以上。

本实施例中的激光发射系统、发射监测系统和大气环境的系统参数如下表所示：

系统参数	设计值
		激光发射系统	波长1550nm
1通道发射与监测相机系统的间距	x：0.2m，y：0m
		2通道发射与监测相机系统的间距	x：-0.2m，y：0m
3通道发射与监测相机系统的间距	x：0m，y：0.2m
		各通道激光发射功率P<sub>0</sub>	10W
各通道发射光束口径	50mm
		光束发散角φ	80urad
传输距离z	20m～5km
		能见度V	20km
q因子	1.3
		单程大气消光系数	0.05
每公里透过率	98.9％
		气溶胶后向散射系数	5.56e-4
发射监测光学系统的有效接收面积A	0.1m<sup>2</sup>
		发射监测光学系统焦距	500mm
发射监测系统视场角	12mrad×10mrad
		发射监测相机阵列	320×256
发射监测相机像元尺寸	20um
		接收系统效率T<sub>r</sub>	0.98
接收功率P<sub>r</sub>	3.27nW

Claims (3)

1.一种实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，其特征在于，包括由激光发射第一通道(1)、激光发射第二通道(2)、激光发射第三通道(3)构成平行发射光束装置，在该平行发射光束装置的光束面阵中心设置发射监测系统(4)，所述的发射监测系统(4)包括CCD相机(4)监测望远镜(5)，所述的CCD相机(4)的光敏面处于监测望远镜(5)的焦面上；

所述的光发射第一通道(1)和激光发射第二通道(2)关于所述的发射监测发射监测系统(4)呈左右对称分布，且光发射第一通道(1)和激光发射第二通道(2)到所述的发射监测发射监测系统(4)的中心点距离相等，所述的激光发射第三通道(3)位于所述的发射监测发射监测系统(4)的正上方，使三个通道发射光束的发散角为微弧度量级，远远小于发射监测系统(4)视场的毫弧度量级。

2.根据权利要求1所述的实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，其特征在于，所述的激光发射第一通道(1)、激光发射第二通道(2)、激光发射第三通道(3)发射三束平行光束，依次经大气和监测望远镜(5)后，在所述的CCD相机(4)的光敏面聚焦成像，成像的图像为三个光锥。

3.根据权利要求2所述的实现光学系统发射光轴快速高精度标校的多通道发射装置，其特征在于，所述的各光锥进入CCD相机(4)光敏面的初始位置和指向，取决于各发射通道与发射监测系统的几何位置关系。

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