CN112713935B - 自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质，与信号光同轴的信标光依次通过第一转向镜和第二转向镜、大焦距凸透镜以及分光棱镜后，分为传播方向相互垂直的两路光束，分别进入位于大焦距凸透镜焦距处和位于焦距内的两个焦平面探测器，根据两个焦平面探测器分别采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第一转向镜和第二转向镜的角度，直至两个焦平面探测器采集到的图像中光束光斑均位于图像中心。本发明中，转向镜采用微步进电机和压电陶瓷相结合，既保持了粗瞄的大范围扫描和精瞄的精确微调，又降低了多个部件组件装调的对准等问题，大大减少了参数之间的变换问题，有效地减小了系统的体积和质量。

Description

自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质。

背景技术

自由空间光通信是以光在空气或真空中传播为传输介质、将两个终端连接起来的通信手段。自由空间光通信最典型的应用就是用无线激光将距离成千上万公里的两颗卫星或星地终端连接起来，形成通信数据传输链路，并保持相互间位置的锁定，采用光波作为载体，具有更高的传输速率、保密性好、抗电磁干扰强、不需要无线电频率使用许可、设备体积小、功耗低和重量轻等优点，受到了很多国家和地区的重视，美国、欧洲、日本分别与20世纪60-80年代开始投入大量人力、物力开展卫星激光通信研究，我国从20世纪90年代开始卫星光通信技术的研究。随着5G时代的来临，卫星链网络的激光通信技术的研究更加蓬勃，比如近期的SpaceX的星链计划、国内的墨子星等，这些技术都将拓展全球实时数据传输速度和容量，并且将互联网网络覆盖全球的每个角落。

自由空间光通信系统包含一个具有激光调制技术的光源发射端，和一个接受光信号的接收端，且为了保持信号的连续传输，还需要指向稳定且链路时刻相连。所以光通信系统一般分为：信号发射子系统、信号接收子系统和捕获跟踪子系统。信号发射子系统和信号接收子系统一般涉及信号调制、信号解调、信号编码和信噪比等内容，本发明暂不深入讨论，着眼点主要在捕获跟踪子系统。

自由空间光通信必须建立一套瞄准、捕获和跟踪系统，用于实现空间激光通信链路的建立和保持，简称ATP或跟瞄子系统，它关系到空间光通信的成败，而且跟瞄精度直接影响传输速率和带宽，且是双向都需要精确对准。

比较典型的瞄准、捕获和跟踪系统，包括粗瞄装置和精瞄装置。粗瞄装置包括万向转台、粗瞄控制器和粗瞄探测器，用于目标捕获和粗跟踪；万向转台一般使用具有两个旋转轴的万向节控制反射镜，以一定的方式进行天线扫描跟踪，利用捕跟探测器判断是否成功测定对方光束到达的方向，并通过进一步调整万向转台使入射光斑进入探测器控制范围。粗瞄装置能实现大角度的扫描，但是精度一般不高，无法实现精确对准。精瞄装置一般通过压电陶瓷或电磁驱动光学反射镜绕X轴、Y轴作微小转动，实现对光束的二维小角度偏转控制。精瞄控制装置包括精瞄驱动器、精瞄反射镜和探测器三部分，由精瞄驱动器根据精瞄探测器探测到的位置信息对反射镜进行闭环控制，实现入射光束的二维瞄准角度控制。

现有的跟瞄技术一般有以下两种：

1)单向跟踪：由一个跟踪终端上的粗瞄装置和精瞄装置开环瞄准，而另一终端利用实际测量的跟踪偏差，对粗瞄装置和精瞄装置进行补偿；

2)双向跟踪：两个终端均进行闭环瞄准跟踪，双向跟踪方式对跟踪系统的控制精度有较高的要求。

现有的跟瞄技术一般有如下缺点：

1)体积大，质量重：无论是双向跟踪还是单向跟踪，都需要粗-精跟踪系统，粗瞄系统又多为具有两个旋转轴的万向节的转动完成，为了保持机械的传动及控制和X、Y轴方向上的不干涉，一般这样的系统都比较笨重，体积大；

2)装配难，精度高：为满足自由空间光通信对捕获系统的高精度要求，终端普遍使用了粗、精结合的复合轴控制系统；在实际装调中，粗瞄反射镜、光学天线、精瞄反射镜甚至后面的分光、探测等光路，都有一个中心轴对准问题的存在，在装调过程中，就需要考虑光轴与X、Y旋转轴中心的偏差，X、Y旋转轴中心之间的距离，轴转动时的转角偏差等等，为了理顺这些复杂的变换关系，一般都是通过矩阵计算方式来计算某个偏差对最后的光束转向的影响，为驱动程序提供理论设计基础，同样的问题也包含在精调系统中，这么多复杂变量要想精确控制和调整，一是需要在装调过程中引入高精度测量设备，比如自准直仪、平行光管等，二是对变量进行标定，确定相互之间的变换关系。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的问题，本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质，既保持了粗瞄的大范围扫描和精瞄的精确微调，又降低了多个部件组件装调的对准等问题，大大减少了参数之间的变换问题，有效地减小了系统的体积和质量。

技术方案：本发明采用如下技术方案：一种自由空间光通信扫描跟踪方法，其特征在于，包括：

与信号光同轴的信标光依次通过可调节角度的第一转向镜和第二转向镜、大焦距凸透镜以及分光棱镜后，分为传播方向相互垂直的两路光束，其中一路光束进入位于大焦距凸透镜焦距处的第一焦平面探测器，另一路光束进入位于大焦距凸透镜焦距内的第二焦平面探测器；

S1、若第一焦平面探测器或第二焦平面探测器未采集到光束光斑的图像，则调整第一转向镜，直至第一焦平面探测器和第二焦平面探测器均采集到光束光斑的图像；

S2、根据第一焦平面探测器采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第二转向镜的角度，直至第一焦平面探测器采集到的图像中光束光斑位于图像中心；

同时根据第二焦平面探测器采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第一转向镜的角度，直至第二焦平面探测器采集到的图像中光束光斑位于图像中心。

优选地，步骤S2包括：

S21、对第一焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第一偏差距离，对第二焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第二偏差距离；

S22、根据第一偏差距离以及大焦距凸透镜的焦距，计算信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差；

根据第二偏差距离、入射角度的偏差、第二转向镜中心与大焦距凸透镜的距离，计算信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量；

根据信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量、第二转向镜的角度以及第一转向镜中心与第二转向镜中心之间的距离，计算第一转向镜的角度偏移量；

S23、将信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差作为第二转向镜的角度控制量，输出到第二转向镜并调节第二转向镜的角度；

将第一转向镜的角度偏移量作为第一转向镜的角度控制量，输出到第一转向镜并调节第一转向镜的角度。

优选地，当第二转向镜的角度控制量大于第一阈值时，粗调第二转向镜，当第二转向镜的角度控制量小于或等于第一阈值时，精调第二转向镜；

当第一转向镜的角度控制量大于第二阈值时，粗调第一转向镜，当第一转向镜的角度控制量小于或等于第二阈值时，精调第一转向镜。

一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，包括：准直装置、扩束镜、第一分光棱镜、第一转向镜、第二转向镜、二向色镜、信号光滤光片、信号光接收子系统、信标光滤光片、大焦距凸透镜、第二分光棱镜、第一焦平面探测器、第二焦平面探测器和位置控制系统，其中，位置控制系统分别与第一转向镜、第二转向镜、第一焦平面探测器和第二焦平面探测器通信连接；

信号光经准直装置后进入第一分光棱镜，被第一分光棱镜透射后进入第一转向镜，被第一转向镜反射后进入第二转向镜，被第二转向镜反射后进入二向色镜，被二向色镜反射后再经过信号光滤光片进入信号光接收子系统；

信标光经扩束镜后进入第一分光棱镜，被第一分光棱镜反射后与信号光同轴进入第一转向镜，被第一转向镜反射后进入第二转向镜，被第二转向镜反射后进入二向色镜，被二向色镜透射后经过信标光滤光片和大焦距凸透镜进入第二分光棱镜，光束被第二分光棱镜分成传播方向相互垂直的两路，其中一路进入位于大焦距凸透镜焦距上的第一焦平面探测器，另一路进入位于大焦距凸透镜焦距内的第二焦平面探测器，将第一焦平面探测器和第二焦平面探测器采集的光束光斑的图像发送至位置控制系统，位置控制系统控制调节第一转向镜和第二转向镜的角度。

优选地，还包括信号发射子系统和信标光子系统，信号发射子系统发射信号光，信号发射子系统为直接调制的激光二极管，或者是使用QPSK、QAM手段调制的激光光源；信标光子系统为激光二极管，经过准直后发射信标光。

优选地，第一转向镜和第二转向镜结构相同，包括至少两个制动器、反射镜和固定支架，反射镜和固定支架之间通过制动器连接，每个制动器包括一个用于粗调的微步进电机和一个用于精调的压电陶瓷，压电陶瓷设置在微步进电机的电机轴前端，微步进电机固定在固定支架上，压电陶瓷固定在反射镜上，通过调节微步进电机的电机轴长度以及两个压电陶瓷的位移来调节反射镜的角度。

优选地，位置控制系统执行以下操作：

对第一焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第一偏差距离，对第二焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第二偏差距离；

根据第一偏差距离以及大焦距凸透镜的焦距，计算信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差；

根据第二偏差距离、入射角度的偏差、第二转向镜中心与大焦距凸透镜的距离，计算信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量；

根据信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量、第二转向镜的角度以及第一转向镜中心与第二转向镜中心之间的距离，计算第一转向镜的角度偏移量；

将信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差作为第二转向镜的角度控制量，输出到第二转向镜并控制调节第二转向镜的角度；

将第一转向镜的角度偏移量作为第一转向镜的角度控制量，输出到第一转向镜并控制调节第一转向镜的角度。

优选地，位置控制系统中存储有第一阈值，当第二转向镜的角度控制量大于第一阈值时，位置控制系统控制微步进电机粗调第二转向镜，当第二转向镜的角度控制量小于或等于第一阈值时，位置控制系统控制压电陶瓷精调第二转向镜；

位置控制系统中存储有第二阈值，当第一转向镜的角度控制量大于第二阈值时，位置控制系统控制微步进电机粗调第一转向镜，当第一转向镜的角度控制量小于或等于第二阈值时，位置控制系统控制压电陶瓷精调第一转向镜。

一种自由空间光通信扫描跟踪设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现上述的自由空间光通信扫描跟踪方法。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现上述的自由空间光通信扫描跟踪方法。

有益效果：本发明具有如下有益效果：

1、本发明采用了新型的微步进电机和压电陶瓷相结合的复合驱动结构来代替原通用的粗瞄装置和精瞄装置，既保持了粗瞄的大范围扫描和精瞄的精确微调，又降低了多个部件组件装调的对准等问题；同时使粗调的中心轴与精调中心轴有效的合一，大大减少了参数之间的变换问题，比如粗瞄和精瞄装置之间的距离变量、粗瞄旋装转轴中心与光轴中心偏差带来的位置变量和转角变量、精瞄旋转轴中心与光轴中心偏差带来的位置变量和转角变量等等，进一步使得在装调过程中，终端坐标系与参考坐标系等坐标系之间的测量大大减少；有效地减小了系统的体积和质量，降低了机械旋转轴中心与光轴中心对准的难度，利于小型化、轻量化、集成化；

2、本发明是单向跟踪系统，在发射端按参数瞄准后，其实际偏离由接受端的两面快速反射镜进行补偿调节，其使用的复合驱动结构有效地将入射光束的位置偏移和角度偏移进行了调整，同时体积小，重量轻，是较适宜执行的简单系统；

3、本发明利用了两个焦平面探测器来确定入射光束的位置和入射角度，其原理简单可行，通过两个闭环控制系统来补偿入射光束的位置偏移和角度偏移。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图；

图2为本发明中转向镜的正视图；

图3为本发明中转向镜的侧视图；

图4为本发明中转向镜的后视图；

图5为本发明中入射角度不同的入射到大焦距凸透镜12的两路光路；

图6为本发明中入射位置不同但平行入射到大焦距凸透镜12的两路光路；

图7为本发明中第二焦平面探测器上光斑落点的示意图；

图8为本发明中第一焦平面探测器上光斑落点的示意图；

图9为本发明中位置控制系统的处理流程简图；

图中，信号发射子系统1，准直装置2，信标光子系统3，扩束镜4，第一分光棱镜5，第一转向镜6，第二转向镜7，二向色镜8，信号光滤光片9，信号光接收子系统10，信标光滤光片11，大焦距凸透镜12，第二分光棱镜13，第一焦平面探测器14，第二焦平面探测器15，位置控制系统16，反射镜17，压电陶瓷18，微步进电机19，固定支架20，制动器21。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪系统，主要内容是如何进行扫描跟踪，如图1所示，包括信号发射子系统1、准直装置2、信标光子系统3、扩束镜4、第一分光棱镜5、第一转向镜6、第二转向镜7、二向色镜8、信号光滤光片9、信号光接收子系统10、信标光滤光片11、大焦距凸透镜12、第二分光棱镜13、第一焦平面探测器14、第二焦平面探测器15和位置控制系统16，其中，位置控制系统16分别与第一转向镜6、第二转向镜7、第一焦平面探测器14和第二焦平面探测器15通信连接。

信标光子系统3一般为激光二极管，经过简单的准直后出射信标光，一般出射光斑为0.5-1mm左右；信标光经扩束镜4后光束变粗，扩束镜4一般为x10左右，出射的光斑为准直的5-10mm左右，这样的设置适合于远距离的光束传播，如果仅仅是室内的传播或近距离的传播，那么合适的做法是将扩束镜4改为凸透镜，将激光二极管出射口设置在凸透镜一倍焦距至两倍焦距内，使得出射的光束在远处成的是倒立的放大的实像，能够保证到达接受端的光束能覆盖第一转向镜6表面；信标光经过扩束镜4扩束后进入第一分光棱镜5，经反射转向后发射出去。

信号发射子系统1是用于传输信号的激光光源，可以是直接调制的激光二极管，也可以是使用其他调制手段如QPSK、QAM等手段调制的激光光源，其出射的信号光经准直装置2准直后进入第一分光棱镜5，被第一分光棱镜5透射后与信标光同轴输出。

信号光和信标光的光束经第一分光棱镜5后照射在第一转向镜6上，经反射后照射在第二转向镜7上，经过两个转向镜的反射调整入射至二向色镜8上；二向色镜8使得信号光反射，信标光透射，这样光束经过分光后，经过二向色镜8反射的信号光经过信号光滤光片9，入射到信号光接收子系统10，信号光接收子系统10包含了信号的解调或者DSP等；经过二向色镜8透射的信标光进入信标光滤光片11，再入射到大焦距凸透镜12，大焦距凸透镜12还可采用胶合镜等，出射的信标光光束又经过50：50分光的第二分光棱镜13，此时信标光光束被第二分光棱镜13分成传播方向相互垂直的两路，一路进入第一焦平面探测器14，一路进入第二焦平面探测器15，这里第一焦平面探测器14是位于大焦距凸透镜12的焦距上，第二焦平面探测器15位于大焦距凸透镜12的焦距范围内，尽量接近大焦距凸透镜12，或者说大焦距凸透镜12和第二焦平面探测器15之间的光程较短；第一焦平面探测器14和第二焦平面探测器15将采集得到的光斑位置的图像都输入到位置控制系统16上，位置控制系统16对得到的图像进行处理得到光斑的偏移信息，用来控制第一转向镜6和第二转向镜7，使得信标光光束垂直且与中心光轴重合入射大焦距凸透镜12。

光束的发射装置即信号发射子系统1和信标光子系统3，这里省略了转向装置和指向装置，一般设置是使用一个二维的载物台，同时设置双目摄像器来寻找和定位第一转向镜6，原理是双目视觉和图像处理技术，转动载物台使得信标光的光斑能覆盖第一转向镜6，一般的光通信系统都要求双方精确对准，因此都是在发射端也要一个精确的反馈系统，将这种指向精确到1mrad以内，而本发明的系统仅需要光斑大概覆盖第一转向镜6，而不要求初始扫描阶段光轴的指向与接收系统的光轴方向的精确重合，而是通过接收端的调整使得这种指向精度降低到urad。

本发明引入了一种微步进电机和压电陶瓷驱动的转向镜，其正视、侧视、后视图分别如图2至图4所示，此转向镜是采用微步进电机与压电陶瓷相结合的复合驱动结构，包括至少两个制动器21、反射镜17和固定支架20，反射镜17和固定支架20之间通过制动器21连接，每个制动器21包括一个微步进电机19和一个压电陶瓷18，压电陶瓷18设置在微步进电机19的电机轴前端，微步进电机19固定在固定支架20上，压电陶瓷18固定在反射镜17上，通过分别调节微步进电机19的电机轴长度以及压电陶瓷18的位移来调节反射镜17的角度。在本发明的一种实施例中，反射镜17和固定支架20之间通过两个制动器21连接，且两个制动器21在反射镜17上沿对角线分布。本发明中的转向镜能拥有超大的扫描范围，扫描范围能达到18°，粗调两个微步进电机19，能保证反射镜17反馈角度小于1mrad；精调两个压电陶瓷18，每0.1V驱动增量为0～0.5urad，可以精确调整反射镜17的反馈角度，使得精度能达到10urad以内，具有较高的调制速度；转向镜上还具有两个手动调节滚花旋钮，接口多样，包括USB、串口和局域网，完全独立操作。

本发明中，通过调整第一转向镜6和第二转向镜7能使得信标光光束直接入射到焦平面探测器上，尽管两个转向镜都可以用来做二维转向运动，但是仅用一个转向镜是无法同时保证入射角度和入射位置两个参数的确定的，可以这样认为，当信标光光束随意照射在第一转向镜6上，通过第一转向镜6的转向能使得光束转到第二转向镜7的中心，再通过第二转向镜7的转向，使得光束垂直入射到焦平面探测器上。具体的，初始结构中，第一转向镜6和第二转向镜7平行放置，且倾斜45度，信标光光束如果正入射且正好打在第一转向镜6的中心，那么信标光光束是按照图5中实线所示的路径前进，最终正入射进入大焦距凸透镜12上，之后在第二焦平面探测器15中心形成光斑，如图7所示，在第一焦平面探测器14中心形成光斑，如图8所示；当信标光光束不是正入射且未照射到第一转向镜6的中心时，则信标光光束将沿着图5中虚线所示的路径前进，最终斜入射进入大焦距凸透镜12上，之后在第二焦平面探测器15上形成光斑，如图7所示，在第一焦平面探测器14上形成光斑，如图8所示。

如图6所示，实线和虚线分别表示两条入射位置不同但平行入射到大焦距凸透镜12的光束，可以看到，这两条平行的光束在经过大焦距凸透镜12的偏折，最后在第二焦平面探测器15上的不同位置成像，在第一焦平面探测器14上的相同位置成像，因此，第二焦平面探测器15可以用来确定入射到大焦距凸透镜12的信标光光束的位置偏移，而第一焦平面探测器14不能。如图5所示，实线和虚线分别表示两条以不同角度入射到大焦距凸透镜12的光束，可以看到，这两条光束在经过大焦距凸透镜12的偏折，最后在第二焦平面探测器15上的不同位置成像，在第一焦平面探测器14上的不同位置成像，因此，第一焦平面探测器14可以用来确定入射到大焦距凸透镜12上的信标光光束的入射角度。因此，第一焦平面探测器14和第二焦平面探测器15将采集得到的光斑位置的图像都输入到位置控制系统16上，位置控制系统16对得到的图像进行处理得到光斑的偏移信息，用来控制第一转向镜6和第二转向镜7，使得信标光光束垂直且与中心光轴重合入射大焦距凸透镜12。

本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪方法，包括如下步骤：

S1、接收信标光；

S2、信标光经扩束镜4扩束后，再经第一分光棱镜5反射后与信号光同轴输出，再经第一转向镜6反射、第二转向镜7反射后入射二向色镜8，被二向色镜8透射出去；

S3、被二向色镜8透射出来的光束经信标光滤光片11、大焦距凸透镜12和第二分光棱镜13，被第二分光棱镜13分成传播方向互相垂直的两路光束；

S4、其中一路光束照射在第一焦平面探测器14上，另一路光束照射在第二焦平面探测器15上，第一焦平面探测器14和第二焦平面探测器15将采集得到的光束光斑位置的图像发送给位置控制系统16；

S5、位置控制系统16根据第二焦平面探测器15采集得到的光束光斑位置的图像调节第一转向镜6，直到第二焦平面探测器15采集到的图像中光斑位于图像中心，即信标光光束的入射点为大焦距凸透镜12的中心；

位置控制系统16根据第一焦平面探测器14采集得到的光束光斑位置的图像调节第二转向镜7，直到第一焦平面探测器14采集到的图像中光斑位于图像中心，即信标光光束垂直入射到大焦距凸透镜12。

第二焦平面探测器15为大面积大像素的焦平面探测器，位于大焦距凸透镜12的焦距范围内，显示的光斑能指引出信标光光束入射在大焦距凸透镜12的表面位置。第一焦平面探测器14为大面积大像素的焦平面探测器，位于大焦距凸透镜12的焦距处，显示的光斑能指引出信标光光束入射在大焦距凸透镜12的入射角度。

若第一焦平面探测器14或第二焦平面探测器15上没有采集到光束光斑位置的图像时，位置控制系统16直接调节第一转向镜6，直到第一焦平面探测器14和第二焦平面探测器15上均采集到光束光斑位置的图像。

第二焦平面探测器15将得到的光斑位置的图像输入到位置控制系统16上，如图5和图7所示，位置控制系统16通过图像处理技术对其进行处理，得到光斑相对于图像中心的位置偏差，包括偏差方向与偏差距离d。第一焦平面探测器14将得到的光斑位置的图像输入到位置控制系统16上，如图5和图8所示，位置控制系统16通过图像处理技术对其进行处理，得到光斑相对于图像中心的偏差距离y。结合第二转向镜7的中心与大焦距凸透镜12的距离c、第一焦平面探测器14的中心与大焦距凸透镜12的距离即大焦距凸透镜12的焦距f，可以得到：

信标光光束入射到大焦距凸透镜12的入射角度的偏差θ：

粗略估算，不考虑大焦距凸透镜12对信标光光束的影响，可以计算得到光束与第二转向镜7的中心的位置偏移量：

a＝d-c*tanθ

此处假设第二转向镜7是倾斜45度的，因此可以通过三角关系换算得到光束经过第一转向镜6后的角度偏移量α，即α角可以通过a与第一转向镜6中心与第二转向镜7中心之间的距离b得到：

位置控制系统16根据计算得到的角度偏移量α，经过D/A转换后输入第二转向镜7，调节第一转向镜6的角度，逐步缩小第二焦平面探测器15采集到的图像中光斑与图像中心的位置偏差，直到第二焦平面探测器15采集到的图像中光斑位于图像中心，此时信标光光束的入射点为大焦距凸透镜12的中心。其中，位置控制系统16中存储有第一阈值，当角度偏移量α大于该阈值时，位置控制系统16控制微步进电机19调节第一转向镜6的角度，进行粗调；当角度偏移量α小于或等于该第一阈值时，位置控制系统16控制压电陶瓷18调节第一转向镜6的角度，进行精调。

位置控制系统16根据计算得到的入射角度的偏差θ，经过D/A转换后输入第二转向镜7，调节第二转向镜7的角度，逐步缩小第一焦平面探测器14采集到的图像中光斑与图像中心的位置偏差直到第一焦平面探测器14采集到的图像中光斑位于图像中心，此时信标光光束垂直入射大焦距凸透镜12。其中，位置控制系统16中存储有第二阈值，当入射角度的偏差θ大于该阈值时，位置控制系统16控制微步进电机19调节第二转向镜7的角度，进行粗调；当入射角度的偏差θ小于或等于该第二阈值时，位置控制系统16控制压电陶瓷18调节第二转向镜7的角度，进行精调。

本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现所述自由空间光通信扫描跟踪方法。

本发明公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该程序被处理器执行时实现所述自由空间光通信扫描跟踪方法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自由空间光通信扫描跟踪方法，其特征在于，包括：

与信号光同轴的信标光依次通过可调节角度的第一转向镜和第二转向镜、大焦距凸透镜以及分光棱镜后，分为传播方向相互垂直的两路光束，其中一路光束进入位于大焦距凸透镜焦距处的第一焦平面探测器，另一路光束进入位于大焦距凸透镜焦距内的第二焦平面探测器；

S1、若第一焦平面探测器或第二焦平面探测器未采集到光束光斑的图像，则调整第一转向镜，直至第一焦平面探测器和第二焦平面探测器均采集到光束光斑的图像；

S2、根据第一焦平面探测器采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第二转向镜的角度，直至第一焦平面探测器采集到的图像中光束光斑位于图像中心；

同时根据第二焦平面探测器采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第一转向镜的角度，直至第二焦平面探测器采集到的图像中光束光斑位于图像中心。

2.根据权利要求1所述的一种自由空间光通信扫描跟踪方法，其特征在于，步骤S2包括：

S21、对第一焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第一偏差距离，对第二焦平面探测器采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第二偏差距离；

S22、根据第一偏差距离以及大焦距凸透镜的焦距，计算信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差；

根据第二偏差距离、入射角度的偏差、第二转向镜中心与大焦距凸透镜的距离，计算信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量；

根据信标光入射到第二转向镜的入射点与第二转向镜中心的位置偏移量、第二转向镜的角度以及第一转向镜中心与第二转向镜中心之间的距离，计算第一转向镜的角度偏移量；

S23、将信标光入射到大焦距凸透镜的入射角度的偏差作为第二转向镜的角度控制量，输出到第二转向镜并调节第二转向镜的角度；

将第一转向镜的角度偏移量作为第一转向镜的角度控制量，输出到第一转向镜并调节第一转向镜的角度。

3.根据权利要求2所述的一种自由空间光通信扫描跟踪方法，其特征在于，当第二转向镜的角度控制量大于第一阈值时，粗调第二转向镜，当第二转向镜的角度控制量小于或等于第一阈值时，精调第二转向镜；

当第一转向镜的角度控制量大于第二阈值时，粗调第一转向镜，当第一转向镜的角度控制量小于或等于第二阈值时，精调第一转向镜。

4.一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，包括：准直装置(2)、扩束镜(4)、第一分光棱镜(5)、第一转向镜(6)、第二转向镜(7)、二向色镜(8)、信号光滤光片(9)、信号光接收子系统(10)、信标光滤光片(11)、大焦距凸透镜(12)、第二分光棱镜(13)、第一焦平面探测器(14)、第二焦平面探测器(15)和位置控制系统(16)，其中，位置控制系统(16)分别与第一转向镜(6)、第二转向镜(7)、第一焦平面探测器(14)和第二焦平面探测器(15)通信连接；

信号光经准直装置(2)后进入第一分光棱镜(5)，被第一分光棱镜(5)透射后进入第一转向镜(6)，被第一转向镜(6)反射后进入第二转向镜(7)，被第二转向镜(7)反射后进入二向色镜(8)，被二向色镜(8)反射后再经过信号光滤光片(9)进入信号光接收子系统(10)；

信标光经扩束镜(4)后进入第一分光棱镜(5)，被第一分光棱镜(5)反射后与信号光同轴进入第一转向镜(6)，被第一转向镜(6)反射后进入第二转向镜(7)，被第二转向镜(7)反射后进入二向色镜(8)，被二向色镜(8)透射后经过信标光滤光片(11)和大焦距凸透镜(12)进入第二分光棱镜(13)，光束被第二分光棱镜(13)分成传播方向相互垂直的两路，其中一路进入位于大焦距凸透镜(12)焦距上的第一焦平面探测器(14)，另一路进入位于大焦距凸透镜(12)焦距内的第二焦平面探测器(15)，将第一焦平面探测器(14)和第二焦平面探测器(15)采集的光束光斑的图像发送至位置控制系统(16)，位置控制系统(16)控制调节第一转向镜(6)和第二转向镜(7)的角度。

5.根据权利要求4所述的一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，还包括信号发射子系统(1)和信标光子系统(3)，信号发射子系统(1)发射信号光，信号发射子系统(1)为直接调制的激光二极管，或者是使用QPSK、QAM手段调制的激光光源；信标光子系统(3)为激光二极管，经过准直后发射信标光。

6.根据权利要求4所述的一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，第一转向镜(6)和第二转向镜(7)结构相同，包括至少两个制动器(21)、反射镜(17)和固定支架(20)，反射镜(17)和固定支架(20)之间通过制动器(21)连接，每个制动器(21)包括一个用于粗调的微步进电机(19)和一个用于精调的压电陶瓷(18)，压电陶瓷(18)设置在微步进电机(19)的电机轴前端，微步进电机(19)固定在固定支架(20)上，压电陶瓷(18)固定在反射镜(17)上，通过调节微步进电机(19)的电机轴长度以及两个压电陶瓷(18)的位移来调节反射镜(17)的角度。

7.根据权利要求4所述的一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，位置控制系统(16)执行以下操作：

对第一焦平面探测器(14)采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第一偏差距离，对第二焦平面探测器(15)采集到的图像进行处理，得到光束光斑与图像中心的第二偏差距离；

根据第一偏差距离以及大焦距凸透镜(12)的焦距，计算信标光入射到大焦距凸透镜(12)的入射角度的偏差；

根据第二偏差距离、入射角度的偏差、第二转向镜(7)中心与大焦距凸透镜(12)的距离，计算信标光入射到第二转向镜(7)的入射点与第二转向镜(7)中心的位置偏移量；

根据信标光入射到第二转向镜(7)的入射点与第二转向镜(7)中心的位置偏移量、第二转向镜(7)的角度以及第一转向镜(6)中心与第二转向镜(7)中心之间的距离，计算第一转向镜(6)的角度偏移量；

将信标光入射到大焦距凸透镜(12)的入射角度的偏差作为第二转向镜(7)的角度控制量，输出到第二转向镜(7)并控制调节第二转向镜(7)的角度；

将第一转向镜(6)的角度偏移量作为第一转向镜(6)的角度控制量，输出到第一转向镜(6)并控制调节第一转向镜(6)的角度。

8.根据权利要求7所述的一种自由空间光通信扫描跟踪系统，其特征在于，位置控制系统(16)中存储有第一阈值，当第二转向镜的角度控制量大于第一阈值时，位置控制系统(16)控制微步进电机(19)粗调第二转向镜，当第二转向镜的角度控制量小于或等于第一阈值时，位置控制系统(16)控制压电陶瓷(18)精调第二转向镜；

位置控制系统(16)中存储有第二阈值，当第一转向镜的角度控制量大于第二阈值时，位置控制系统(16)控制微步进电机(19)粗调第一转向镜，当第一转向镜的角度控制量小于或等于第二阈值时，位置控制系统(16)控制压电陶瓷(18)精调第一转向镜。

9.一种自由空间光通信扫描跟踪设备，包括处理器、存储器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述程序时实现权利要求1～3中任意一项所述的自由空间光通信扫描跟踪方法。

10.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，该程序被处理器执行时实现权利要求1～3中任意一项所述的自由空间光通信扫描跟踪方法。

Images