CN113489547B - 一种激光光束快速对准系统及其方法 - Google Patents

一种激光光束快速对准系统及其方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种激光光束快速对准系统，包括激光器，沿激光器的激光发射方向依次设置有强度调制器、光学放大器、发射天线、二维反射镜、接收天线、分光棱镜，分光棱镜将激光分为两束光，沿两束激光的传播方向分别设置有光电探测器和红外相机，红外相机还通过线缆依次电连接有计算机、电机控制器，电机控制器通过线缆电连接二维反射镜，发射天线上方还设置有相机，发射天线底部设置有二维转台，二维转台和相机通过线缆电共同连接有ATP控制单元。本发明将传统的激光通信系统模型中的光束长轴对准改变为光束的短轴对准，降低了ATP系统中的光束对准的难度，减少了系统通信前光束对准的时间。本发明还公开了一种激光光束快速对准方法。

Description

一种激光光束快速对准系统及其方法
技术领域
本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种激光光束快速对准系统，本发明还涉及采用上述一种激光光束快速对准系统进行快速对准的方法。
背景技术
无线激光通信相比于微波通信来说，由于其光束发散角很小，所以需要精确的光束对准后才能实现通信，在无信标光的APT系统中随着信号传输距离的增加而直接使用通信光进行扫描和捕获，就会随着距离的增加而产生较长的捕获时间和较低的捕获概率，当今人们对远距离和高带宽无线激光通信的需求，就必须提高无线激光通信APT系统的通信链路的建立速度。怎样快速地进行光束捕获对准就是无线激光通信首先要解决的问题。
对于无信标的APT通信系统，一般都采用天线扫描的方法，来实现接收端对光束的捕获。而系统每次进行通信时，都需要重新开始扫描，这极大的延迟了系统进行通信时的准备时间。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光光束快速对准的方法，将传统的激光通信系统模型中的光束长轴对准改变为光束的短轴对准，降低了ATP系统中的光束对准的难度，减少了系统通信前光束对准的时间。
本发明所采用的技术方案是，一种激光光束快速对准系统，包括激光器，沿激光器的激光发射方向依次设置有强度调制器、光学放大器、发射天线、二维反射镜，沿二维反射镜反射的激光方向依次设置有接收天线、分光棱镜，分光棱镜将激光分为两束光，沿两束激光的传播方向分别设置有光电探测器和红外相机，红外相机还通过线缆依次电连接有计算机、电机控制器，电机控制器通过线缆电连接二维反射镜，发射天线上方还设置有相机，发射天线底部设置有二维转台，二维转台和相机通过线缆电共同连接有ATP控制单元。
本发明的特征还在于，
强度调制器还通过线缆电连接有稳压电源和信号发生器。
本发明采用的另一种技术方案是，一种激光光束快速对准方法，采用上述的一种激光光束快速对准系统，具体按照如下步骤实施：
步骤1，激光器发射激光依次传输到二维反射镜，通过调整二维转台使相机的十字中心与二维反射镜的中心对准；
步骤2，在步骤1的基础上，保证二维反射镜的接收方向不变，通过计算机控制电机控制器，电机控制器控制二维反射镜以其中心为原点转动，当二维反射镜的反射光通过接收天线以及分光棱镜到达红外相机，即就是当红外相机内出现光斑信号，实现红外相机光斑信号捕获；
步骤3，红外相机捕获光斑信号后，红外相机将捕获的光斑实时传输给计算机，计算机通过将捕获的光斑位置和红外相机的视场中心位置进行比较，并将比较结果反馈给电机控制器，电机控制器根据比较结果控制二维反射镜转动，则完成光束对准，二维反射镜停止转动；
步骤4，光束对准完成后，红外相机实时将捕获的光斑传递给计算机，计算机通过将捕获的光斑位置和红外相机的视场中心位置进行比较，当光斑的质心漂出相机设定的视场中心范围时，此时，按照步骤3的方式计算机控制电机控制器，电机控制器控制二维反射镜以其中心为原点转动，调整二维反射镜的俯仰和方位的调整，重新完成光束对准，对准后二维反射镜停止转动，如此反复。
步骤1具体为：激光器产生的激光经过强度调制器进行信号的调制，其中，使用稳压电源使强度调制器工作在线性工作区，然后将信号发生器产生的信号输入到强度调制器射频接口上，最后将调制好后的光信号经过光学放大器进行光功率的放大，由发射天线进行发射，发射的激光到达二维反射镜，相机的视场内捕获到二维反射镜的图像并传递给ATP控制单元，ATP控制单元使用图像算法计算出二维反射镜的中心与相机十字中心的偏差量，ATP控制单元将偏差量发送给二维转台，控制二维转台的俯仰和方位的转动，使相机十字中心与二维反射镜的中心对准，完成相机对二维反射镜的快速捕获和对准。
步骤3中计算机通过将捕获的光斑位置和红外相机的视场中心位置进行比较，若误差小于一定的阈值则完成光束对准，具体为：
计算机将红外相机反馈的光斑进行处理获得光斑位置的实测值，然后将光斑位置的实测值与光斑的基准位置进行相减，将光斑的误差量以RS232串口形式发送给二维反射镜的电机控制器，控制二维反射镜的俯仰和方位的转动，使光斑移动到红外相机视场的中心位置。
本发明的有益效果是：
本发明通过相机对二维反射镜的捕获，可以使发射天线的初始指向不依赖GPS以及射频通信设备的初始定位，可以解决强电磁干扰和恶劣的天气条件下通信链路无法正常工作的情况。
本发明通过二维反射镜对光束的中继使光束与接收天线对准，将传统的激光通信系统模型中的光束长轴对准改变为光束的短轴对准，减少了系统通信前光束对准的时间，为今后激光通信中快速传输信号具有重大意义。
附图说明
图1是本发明一种激光光束快速对准系统的结构示意图；
图2是本发明一种激光光束快速对准方法中二维反射镜采用PI闭环控制流程图。
图中，1.激光器，2.强度调制器，3.光学放大器，4.发射天线，5.二维反射镜，6.接收天线，7.分光棱镜，8.光电探测器，9.红外相机，10.电机控制器，11.相机，12.二维转台，13.ATP控制单元，14.稳压电源，15.信号发生器，16.计算机。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种激光光束快速对准系统，其结构如图1所示，包括激光器1，沿激光器1的激光发射方向依次设置有强度调制器2、光学放大器3、发射天线4、二维反射镜5，沿二维反射镜5反射的激光方向依次设置有接收天线6、分光棱镜7，分光棱镜7将激光分为两束光，沿两束激光的传播方向分别设置有光电探测器8和红外相机9，红外相机9还通过线缆依次电连接有计算机16、电机控制器10，电机控制器10通过线缆电连接二维反射镜5的电机，发射天线4上方还设置有相机11，发射天线4底部设置有二维转台12，二维转台12和相机11通过线缆电共同连接有ATP控制单元13。
本发明的二维反射镜5可采用北京和利时电机技术有限公司的42BYG250BK-SASSML-0151型号的二维反射镜5。
强度调制器2还通过线缆电连接有稳压电源14和信号发生器15。
本发明一种激光光束快速对准方法，采用上述的一种激光光束快速对准系统，具体按照如下步骤实施：
步骤1，激光器1发射激光依次传输到二维反射镜5，通过调整二维转台12使相机11的十字中心与二维反射镜5的中心对准；
步骤2，在步骤1的基础上，保证二维反射镜5的接收方向不变，通过计算机16控制电机控制器10，电机控制器10控制二维反射镜5以其中心为原点转动，当二维反射镜5的反射光通过接收天线6以及分光棱镜7到达红外相机9，即就是当红外相机9内出现光斑信号，实现红外相机9光斑信号捕获；
步骤3，红外相机9捕获光斑信号后，红外相机9将捕获的光斑实时传输给计算机16，计算机16通过将捕获的光斑位置和红外相机9的视场中心位置进行比较，并将比较结果反馈给电机控制器10，电机控制器10根据比较结果控制二维反射镜5转动，则完成光束对准，二维反射镜5停止转动；
步骤4，光束对准完成后，由于激光光束在大气湍流中传输时，光束截面内不同部分的大气折射率的起伏，造成了焦平面上光斑的随机抖动，使光斑有可能漂出视场中心的阈值范围，因此，红外相机9实时将捕获的光斑传递给计算机16，计算机16通过将捕获的光斑位置和红外相机9的视场中心位置进行比较，当光斑的质心漂出相机设定的视场中心范围时，此时，按照步骤3的方式计算机16控制电机控制器10，电机控制器10控制二维反射镜5以其中心为原点转动，调整二维反射镜的俯仰和方位的调整，重新完成光束对准，对准后二维反射镜5停止转动，如此反复。
步骤1具体为：激光器1产生的激光经过强度调制器2进行信号的调制，其中，使用稳压电源14使强度调制器工作在线性工作区，然后将信号发生器15产生的信号输入到强度调制器2射频接口上，最后将调制好后的光信号经过光学放大器3进行光功率的放大，由发射天线4进行发射，发射的激光到达二维反射镜5，相机11的视场内捕获到二维反射镜5的图像并传递给ATP控制单元13，ATP控制单元13使用图像算法计算出二维反射镜5的中心与相机11十字中心的偏差量，ATP控制单元13将偏差量发送给二维转台12，控制二维转台12的俯仰和方位的转动，使相机11十字中心与二维反射镜5的中心对准，完成相机对二维反射镜5的快速捕获和对准。
步骤3中计算机16通过将捕获的光斑位置和红外相机9的视场中心位置进行比较，若误差小于一定的阈值则完成光束对准，具体为：
计算机16将红外相机9反馈的光斑进行处理获得光斑位置的实测值，然后将光斑位置的实测值与光斑的基准位置进行相减，将光斑的误差量以RS232串口形式(波特率为9600b\s、1个起始位、8个数据位、无校验位、1个停止位)发送给二维反射镜5的电机控制器10，控制二维反射镜5的俯仰和方位的转动，使光斑移动到红外相机视场的中心位置。
本发明发射端天线通过相机对接收端二维反射镜进行捕获，使激光光束直接对准二维反射镜，在通过二维反射镜对光束的中继使光束与接收天线实现对准，实现ATP系统快速通信链路的建立。
本发明系统工作时通过相机捕获到接收端二维反射镜的图像，使发射天线的光束对准二维反射镜的镜面上，在接收端对二维反射镜采用光栅式扫描方法，使二维反射镜在接收天线的不确定区域进行扫描，当二维反射镜在搜索的过程中，红外相机视场中出现光斑信号，即捕获成功，最后对二维反射镜采用PI闭环控制，输入量是光斑的基准位置，输出量是光斑的实际位置。通过红外相机对光斑实时位置的检测，将光斑位置的实测值与光斑的基准值相减后，将光斑的误差量发送给二维反射镜的电机驱动器，控制二维反射镜的俯仰和方位的转动，使光斑移动到红外相机视场的中心位置。

Claims (1)

1.一种激光光束快速对准方法，其特征在于，采用一种激光光束快速对准系统，包括激光器（1），沿所述激光器（1）的激光发射方向依次设置有强度调制器（2）、光学放大器（3）、发射天线（4）、二维反射镜（5），沿所述二维反射镜（5）反射的激光方向依次设置有接收天线（6）、分光棱镜（7），所述分光棱镜（7）将激光分为两束光，沿两束激光的传播方向分别设置有光电探测器（8）和红外相机（9），所述红外相机（9）还通过线缆依次电连接有计算机（16）、电机控制器（10），所述电机控制器（10）通过线缆电连接所述二维反射镜（5），所述发射天线（4）上方还设置有相机（11），所述发射天线（4）底部设置有二维转台（12），所述二维转台（12）和相机（11）通过线缆电共同连接有ATP控制单元（13）；
所述强度调制器（2）还通过线缆电连接有稳压电源（14）和信号发生器（15）；
具体按照如下步骤实施：
步骤1，激光器（1）发射激光依次传输到二维反射镜（5），通过调整二维转台（12）使相机（11）的十字中心与二维反射镜（5）的中心对准；具体为：激光器（1）产生的激光经过强度调制器（2）进行信号的调制，其中，使用稳压电源（14）使强度调制器工作在线性工作区，然后将信号发生器（15）产生的信号输入到强度调制器（2）射频接口上，最后将调制好后的光信号经过光学放大器（3）进行光功率的放大，由发射天线（4）进行发射，发射的激光到达二维反射镜（5），相机（11）的视场内捕获到二维反射镜（5）的图像并传递给ATP控制单元（13），ATP控制单元（13）使用图像算法计算出二维反射镜（5）的中心与相机（11）十字中心的偏差量，ATP控制单元（13）将偏差量发送给二维转台（12），控制二维转台（12）的俯仰和方位的转动，使相机（11）十字中心与二维反射镜（5）的中心对准，完成相机对二维反射镜（5）的快速捕获和对准；
步骤2，在步骤1的基础上，保证二维反射镜（5）的接收方向不变，通过计算机（16）控制电机控制器（10），电机控制器（10）控制二维反射镜（5）以其中心为原点转动，当二维反射镜（5）的反射光通过接收天线（6）以及分光棱镜（7）到达红外相机（9），即就是当红外相机（9）内出现光斑信号，实现红外相机（9）光斑信号捕获；
步骤3，红外相机（9）捕获光斑信号后，红外相机（9）将捕获的光斑实时传输给计算机（16），计算机（16）通过将捕获的光斑位置和红外相机（9）的视场中心位置进行比较，并将比较结果反馈给电机控制器（10），电机控制器（10）根据比较结果控制二维反射镜（5）转动，则完成光束对准，二维反射镜（5）停止转动；
计算机（16）通过将捕获的光斑位置和红外相机（9）的视场中心位置进行比较，若误差小于阈值则完成光束对准，具体为：
计算机（16）将红外相机（9）反馈的光斑进行处理获得光斑位置的实测值，然后将光斑位置的实测值与光斑的基准位置进行相减，将光斑的误差量以RS232串口形式发送给二维反射镜（5）的电机控制器（10），控制二维反射镜（5）的俯仰和方位的转动，使光斑移动到红外相机视场的中心位置；
步骤4，光束对准完成后，红外相机（9）实时将捕获的光斑传递给计算机（16），计算机（16）通过将捕获的光斑位置和红外相机（9）的视场中心位置进行比较，当光斑的质心漂出相机设定的视场中心范围时，此时，按照步骤3的方式计算机（16）控制电机控制器（10），电机控制器（10）控制二维反射镜（5）以其中心为原点转动，调整二维反射镜的俯仰和方位的调整，重新完成光束对准，对准后二维反射镜（5）停止转动，如此反复。
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