CN113237439A - 一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法 - Google Patents

一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法 Download PDF

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Abstract

一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，属于空间激光通信领域，明针对潜望式轻小型激光通信终端中发生旋转的平面镜与成像探测传感器之间相对位置不断变化所引起的跟踪坐标耦合问题，该方法引用了标定耦合坐标零点并推导了解耦模型等概念，针对入射光束与安装在潜望式终端方位与俯仰轴上的旋转平面镜之间相对位置的不断变化的特点，结合转台实时特性得到坐标解耦后的入射光斑脱靶量的方法，显著提高了通信系统各执行机构的工作效率。该方法的采用使得通信伺服系统能够实时获得准确的目标光束位置偏差量反馈，降低了由于结构因素引起的跟踪过程的复杂程度，确保跟踪入射激光束脱靶量的准确性，提高跟踪精度与稳定性。

Description

一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法
技术领域
本发明涉及激光通信伺服系统的解耦技术，具体涉及一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，属于空间激光通信领域。
背景技术
空间激光通信系统是以激光作为信息载体建立高速数据通信链路的通信终端，是一种能够建立远距离通信网络的有效手段，具有通信容量大、保密性好和抗干扰能力强等特点。随着卫星发射搭载轻小型通信载荷等应用需求的不断发展，使得激光通信终端的设计更加趋向于高集成度、小型化以及轻量化的发展方向。而潜望式通信系统则是一种常用的转动惯量较小的小口径设计方式，主要通过安装在正交轴上的两个平面镜实现空间扫描以及收发光束的传输，其通信结构的优势在于其光学子系统可以放在星内，降低了终端系统转动结构重量的同时也减小了跟踪伺服系统对执行机构的需求。而缺点主要在于，这种潜望镜式结构将导致发生旋转的平面镜与成像探测传感器之间相对位置不断变化的问题，以及这种结构特点所引起的跟踪坐标耦合问题，而方位与俯仰轴系之间探测入射光束时产生的耦合，会使得实时反馈数据产生偏差，从而影响伺服系统的跟踪精度。
发明内容
本发明针对潜望式轻小型激光通信终端中发生旋转的平面镜与成像探测传感器之间相对位置不断变化所引起的跟踪坐标耦合问题，提供一种基于入射激光束偏转角度与成像相机探测目标脱靶量的解耦跟踪方法。确保跟踪入射激光束脱靶量的准确性，提高跟踪精度与稳定性。
本发明解决技术问题的技术方案是：
一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，包括以下步骤：
步骤一，伺服控制器驱动俯仰轴执行机构与方位轴执行机构旋转，标校成像相机探测光斑与俯仰轴旋转反射镜和方位轴旋转反射镜所在坐标系重合时的方位轴与俯仰轴角度，即耦合坐标系零点
Figure BDA0003049253830000021
步骤二，记录每个控制周期内潜望式激光通信终端在当前姿态下实时反馈的方位轴执行机构与俯仰轴执行机构的绝对位置坐标(θAz，θEl)；
步骤三，根据方位轴执行机构与俯仰轴执行机构的坐标系下实时反馈的绝对位置及其相对耦合坐标零点的偏差角度完成等效计算，获得入射激光束的偏移角度(α，β)分别为：
Figure BDA0003049253830000022
Figure BDA0003049253830000023
步骤四，判断成像相机是否探测到入射光束，若捕获成功，则存储成像相机坐标系中的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)；若捕获不成功，返回执行步骤二；
步骤五：再根据入射激光束的偏差角度(α，β)与实际从成像相机获得的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)，通过如下公式生成坐标解耦后的入射光斑脱靶量(Δx，Δy)；
Figure BDA0003049253830000024
步骤六：执行对目标光束的解耦跟踪：利用步骤五中得到的目标光束相对成像相机探测视场中心的解耦偏差量，伺服控制器根据解耦偏差量生成控制量，分别驱动俯仰轴执行机构和方位轴执行机构进行跟踪。
本发明的有益效果：本发明主要结合潜望式激光通信系统姿态调整与图像采集系统之间相对位置不断变化的结构特点，采用基于入射光偏差角度与成像光斑脱靶量的跟踪解耦方案，利用公式(3)获得坐标解耦后的待修正角度，有效解决了由机械结构特征引起的控制耦合问题，确保跟踪入射激光束脱靶量的准确性，保证跟踪精度以及通信过程的稳定性。
本发明提出了一种全新的适用于潜望式轻小型激光通信终端的解耦合跟踪方法，该方法在两个反射镜引起坐标不断旋转的条件下，都能够始终保证变化的光学结构下跟踪偏差量的精确性，降低了跟踪过程的复杂程度，提升了潜望式激光通信终端的解耦效率与跟踪性能。
附图说明
图1为本发明潜望式激光通信终端解耦跟踪系统的组成示意图。
图2为本发明一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。
如图1所示，本发明一种潜望式激光通信终端解耦跟踪系统，其包括入射激光束1、俯仰轴旋转平面镜2、方位轴旋转平面镜3、跟踪与通信探测分光镜4、跟踪聚焦透镜5、成像相机6、反射镜7、通信聚焦透镜8、通信探测器9、俯仰轴执行机构10、方位轴执行机构11和伺服控制器12。
成像相机6、俯仰轴执行机构10和方位轴执行机构11分别与伺服控制器12连接。
俯仰轴旋转平面镜2和方位轴旋转平面镜3平行设置，俯仰轴执行机构10控制俯仰轴旋转平面镜2在俯仰轴方向旋转，方位轴执行机构11控制俯仰轴旋转平面镜2和方位轴旋转平面镜3共同在方位轴方向旋转，入射激光束1入射到俯仰轴旋转平面镜2上，经过反射入射到方位轴旋转平面镜3上，经反射后入射到跟踪与通信探测分光镜4，跟踪与通信探测分光镜4将入射光分成两路光束，一路透过跟踪聚焦透镜5后会聚于成像相机6上，即可实现入射光束的传输与偏差探测，探测偏差值经过实时反馈后，伺服控制器12可根据探测到的光束到达角度进行校正；另一路反射到反射镜7，经过反射镜7反射后入射到通信聚焦透镜8后会聚于通信探测器9，在跟踪达到精度要求后即可实现通信探测的目的。
如图1和图2所示，一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，包括以下步骤：
步骤一：令入射激光束1经俯仰轴旋转反射镜2与方位轴旋转反射镜3依次反射到跟踪与通信探测分光镜4上，光束经过跟踪与通信探测分光镜4后的透射光经跟踪聚焦透镜5汇聚到成像相机6中，光束经过跟踪与通信探测分光镜4后的反射光经由反射镜7反射后入射到通信聚焦透镜8，再由通信聚焦透镜8汇聚到通信探测器9上。同时，控制伺服控制器12驱动俯仰轴执行机构10与方位轴执行机构11旋转，标校成像相机6探测光斑与俯仰轴旋转反射镜2和方位轴旋转反射镜3所在坐标系重合时的方位轴与俯仰轴角度，即耦合坐标系零点
Figure BDA0003049253830000041
步骤二：记录每个控制周期内潜望式激光通信终端在当前姿态下实时反馈的方位轴执行机构11与俯仰轴执行机构10的绝对位置坐标(θAz，θEl)；
步骤三：根据方位轴执行机构11与俯仰轴执行机构10的坐标系下实时反馈的绝对位置及其相对耦合坐标零点的偏差角度完成等效计算，获得入射激光束1的偏移角度(α，β)分别为：
Figure BDA0003049253830000051
Figure BDA0003049253830000052
步骤四：判断成像相机6是否探测到入射光束，若捕获成功，则存储成像相机6坐标系中的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)；若捕获不成功，返回执行步骤二；
步骤五：再根据入射激光束1的偏差角度(α，β)与实际从成像相机6获得的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)，通过如下公式生成坐标解耦后的入射光斑脱靶量(Δx，Δy)；
Figure BDA0003049253830000053
步骤六：执行对目标光束的解耦跟踪：利用步骤五中得到的目标光束相对成像相机6探测视场中心的解耦偏差量，伺服控制器12根据解耦偏差量生成控制量，分别驱动俯仰轴执行机构10和方位轴执行机构11进行跟踪。
本发明的方法引用了标定耦合坐标零点并推导了解耦模型等概念，针对入射光束与安装在潜望式终端方位与俯仰轴上的旋转平面镜之间相对位置的不断变化的特点，结合转台实时特性得到坐标解耦后的入射光斑脱靶量的方法，显著提高了通信系统各执行机构的工作效率。该方法的采用使得通信伺服系统能够实时获得准确的目标光束位置偏差量反馈，降低了由于结构因素引起的跟踪过程的复杂程度，同时也进一步提高了跟踪性能。

Claims (2)

1.一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，控制伺服控制器驱动俯仰轴执行机构与方位轴执行机构旋转，标校成像相机探测光斑与俯仰轴旋转反射镜和方位轴旋转反射镜所在坐标系重合时的方位轴与俯仰轴角度，即耦合坐标系零点
Figure FDA0003049253820000011
步骤二，记录每个控制周期内潜望式激光通信终端在当前姿态下实时反馈的方位轴执行机构与俯仰轴执行机构的绝对位置坐标(θAz，θEl)；
步骤三，根据方位轴执行机构与俯仰轴执行机构的坐标系下实时反馈的绝对位置及其相对耦合坐标零点的偏差角度完成等效计算，获得入射激光束的偏移角度(α，β)分别为：
Figure FDA0003049253820000012
Figure FDA0003049253820000013
步骤四，判断成像相机是否探测到入射光束，若捕获成功，则存储成像相机坐标系中的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)；若捕获不成功，返回执行步骤二；
步骤五：再根据入射激光束的偏差角度(α，β)与实际从成像相机获得的光斑位置坐标(Δx0，Δy0)，通过如下公式生成坐标解耦后的入射光斑脱靶量(Δx，Δy)；
Figure FDA0003049253820000014
步骤六：执行对目标光束的解耦跟踪：利用步骤五中得到的目标光束相对成像相机探测视场中心的解耦偏差量，伺服控制器根据解耦偏差量生成控制量，分别驱动俯仰轴执行机构和方位轴执行机构进行跟踪。
2.根据权利要求1所述的一种潜望式激光通信终端的解耦跟踪方法，其特征在于，步骤一执行前令入射激光束经俯仰轴旋转反射镜与方位轴旋转反射镜依次反射到跟踪与通信探测分光镜上，光束经过跟踪与通信探测分光镜后的透射光经跟踪聚焦透镜汇聚到成像相机中，光束经过跟踪与通信探测分光镜后的反射光经由反射镜反射后入射到通信聚焦透镜，再由通信聚焦透镜汇聚到通信探测器上。
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