CN113517928B - 一种应用于空间激光通信的全光捕获方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种应用于空间激光通信的全光捕获方法及装置，属于激光通信领域，为了解决现有技术无法满足激光通信系统光轴捕获对准的需求问题，其由A终端和B终端组成，两个终端结构相同；所述A终端和B终端均由信标光激光器、信标光发射镜头、棱镜挡板、棱镜光栏、直角棱镜、二维转台、信标光接收相机和信标光接收镜头组成；本发明采用圆形信标光在空间进行二维扫描，结合带有光栏和挡板的直角棱镜实现空间两维大范围双端全光捕获。捕获时采用矩形螺旋跳步扫描与俯仰线性扫描相结合的方式实现最终的双端捕获。信标光不用进行异性整形，便于与激光通信信标光系统进行一体化优化，减小系统体积、功耗和复杂程度，达到更好捕获效果。

Description

一种应用于空间激光通信的全光捕获方法及装置

技术领域

本发明涉及一种应用于空间激光通信的全光捕获方法及装置，属于激光通信领域。

背景技术

空间激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强的特点，但由于通信激光束散角较小，在链路建立时须通过扫描捕获进行光轴对准。传统方法是通过GPS/INS等设备测量当前终端位置姿态信息，然后通信双方通过微波等其他通信链路交换数据，计算出对方角度位置后进行指向和扫描，相互捕获跟踪对方信标光，然后通过对信标光进行跟踪实现光轴对准。由于在捕获过程中需借助其他电磁手段进行测量和信息交互，当受到强电磁干扰时，GPS/INS使用将受到限制，电学通信手段失效，初始指向将无法完成，激光通信也将无用武之地，严重影响了激光通信的可用性和抗干扰能力。为此提出了不采用电磁通信和测量手段的全光捕获方法，孟立新在吉林大学博士毕业论文“机载激光通信中捕获与跟踪技术研究”中介绍了两种全光捕获方案，粗信标光设计成椭圆形光斑提高目标覆盖率，精信标光设计成圆形光斑提高系统能量利用率。其中，粗、精信标光同轴，通过光端机上切换装置完成切换。一种方案采用激光告警器辅助指向，捕获系统主要由激光告警器和光端机组成，激光告警器起到GPS/INS和无线电的作用，A光端机进行水平圆周扫描，当B光端机激光告警器探测到A光端机发出的信标光时，进行位置解算，确定A光端机的不确定区域，引导B光端机指向该不确定区域并在捕获不确定区域内进行扫描；同理A光端机激光告警器探测到B光端机发出的信标光时，进行位置解算，确定A激光通信端机的不确定区域并在并在捕获不确定区域内进行扫描，由于双方扫描速度不同，最终将进入对方捕获接收视场，捕获双方转入粗跟踪阶段，捕获阶段完成。另一种方案为角反射棱镜法，激光通信全光捕获系统中两通信光端机采用相同的结构形式并安装角反射棱镜，当两个通信视轴实现对准时，接收光端机的粗信标接收单元会接收到发射光端机发射的粗信标信号，并记录下此位置，同时发射光端机会接收到全反射棱镜反射回来的粗信标信号，并记录下此位置，通过伺服控制系统实现两个通信视轴的对准，通过优化设置扫描速度差，可快速实现信标光捕获。以上方法采用光学手段实现信标光的捕获与对准，但以上两种方法需满足信标光束散角大于或近似等于俯仰方向捕获不确定区域，扫描捕获系统将只需要方位全周扫描，而不需要或只需要几次俯仰方向扫描即可实现对目标不确定区域的覆盖，从而在不借助外界辅助手段的基础上实现目标捕获，只适用于当通信双方海拔差不大，俯仰方向不确定区域较小的情况，同时由于信标光在俯仰方向上束散角较大，导致信标光能量密度降低，严重影响捕获距离；而且，由于需要大长宽比椭圆形光斑，其光学整形难度较大，不易与现有激光通信光学系统优化设计。

发明内容

本发明为了解决现有技术无法满足激光通信系统光轴捕获对准的需求问题，提出了一种应用于空间激光通信的全光捕获方法及装置。

本发明解决技术问题的方案如下：

一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其特征是，其由A终端和B终端组成，两个终端结构相同；所述A终端和B终端均由信标光激光器、信标光发射镜头、棱镜挡板、棱镜光栏、直角棱镜、二维转台、信标光接收相机和信标光接收镜头组成；所述信标光发射镜头安装在二维转台上，二维转台可带动信标光发射镜头在方位和俯仰方向上做二维转动；信标光激光器安装在信标光发射镜头后端，信标光激光器发出的激光经过信标光发射镜头整形后发射；信标光接收镜头安装在二维转台上，二维转台可带动信标光接收镜头在方位和俯仰方向上做二维转动，安装时信标光接收镜头的光轴与信标光发射镜头光轴平行；信标光接收相机安装在信标光接收镜头后端，探测信标光接收镜头接收到的信标光并提取光轴角度信息；直角棱镜安装在二维转台的方位基座上，直角棱镜的入射面法线与信标光发射镜头在俯仰水平零位时的光轴平行，二维转台带动直角棱镜只做方位运动；直角棱镜入射面前方安装棱镜光栏，其控制照射到直角棱镜上入射光的角度；棱镜光栏前面安装棱镜挡板，棱镜挡板打开时直角棱镜可接收并反射激光，棱镜挡板关闭时将直角棱镜入射面完全挡住。

所述A终端和B终端设计时，棱镜光栏入射光角度保证在俯仰方向上覆盖整个不确定区域的俯仰高度。

所述棱镜光栏方位方向入射角度小于信标光接收镜头的视场角。

一种应用于空间激光通信的全光捕获方法，其特征是，其包括步骤如下：

步骤1：A终端和B终端都打开棱镜挡板，保证双方可通过直角棱镜接收对方的信标光，调整二维转台视轴指向捕获不确定区域的中心位置；

步骤2：A终端和B终端打开各自的信标光激光器，发射信标激光；

步骤3：A终端和B终端的二维转台分别开始在捕获区域内以等间隔进行矩形螺旋跳步扫描，捕获过程中只要A终端的信标光指向至B终端的直角棱镜时，A终端信标光发射镜头发射的信标光通过B终端的棱镜光栏照射到B终端的直角棱镜的入射面上并被直角棱镜按与入射角度平行的角度反射；B终端的信标光反射后按原路返回A终端，照射到A终端的信标光接收镜头上，A终端收到的信标光在信标光接收镜头后端的信标光接收相机上成像，信标光接收相机发现光斑时，停止扫描；

步骤4：检测光轴偏转角度，A终端二维转台根据光轴偏转角度进行光斑跟踪，将光斑保持在A终端信标光接收相机视场中心；

步骤5：此时A终端和B终端均在方位上指向对方，A终端和B终端关闭棱镜挡板，使直角棱镜不能反射对方信标光；如果此时A终端或B终端中的信标光接收相机中依然有光斑，则A终端或B终端对光斑直接进行跟踪，完成全光捕获；

步骤6：如A终端或B终端的信标接收相机未探测到光斑，则相应终端的二维转台保持方位角度不变，并在俯仰方向捕获不确定区域内进行线性往复扫描，直到信标接收相机探测到光斑，然后二维转台对光斑进行跟踪，完成全光捕获。

本发明的有益效果是：

本发明采用圆形信标光在空间进行二维扫描，在结构上设计了带有光栏和挡板的直角棱镜结构，直角棱镜的入射面法线与信标光发射镜头在俯仰水平零位时的光轴平行，二维转台带动直角棱镜只做方位运动；并通过棱镜光栏前面安装棱镜挡板，控制是否通过棱镜入射面接收信标光。增大了实现空间两维大范围双端全光捕获范围。

在捕获过程中，采用矩形螺旋跳步扫描与俯仰线性扫描相结合的方式实现最终的双端捕获成功，通过合理的扫描过程减少了捕获所需时间。

此方法信标光不用进行异性整形，便于与激光通信系统进行一体化设计，降低了激光通信系统的体积、成本和复杂度，提高了激光通信系统建立链路时的捕获概率。

附图说明

图1为本发明一种应用于空间激光通信的全光捕获装置结构示意图；其中：1为A终端、2为B终端；

图2为本发明所述A终端和B终端组成图；3为信标光激光器、4为信标光发射镜头、5为棱镜挡板、6为棱镜光栏、7为直角棱镜、8为二维转台、9为信标光接收相机，10为信标光接收镜头。

图3为本发明一种应用于空间激光通信的全光捕获方法的流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如图1和图2所示，一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其由A终端1和B终端2组成，两个终端结构相同。其中A终端1和B终端2均由信标光激光器3、信标光发射镜头4、棱镜挡板5、棱镜光栏6、直角棱镜7、二维转台8、信标光接收相机9和信标光接收镜头10组成。

所述信标光发射镜头4安装在二维转台8上，二维转台8可带动信标光发射镜头4在方位和俯仰方向上做二维转动。信标光激光器3安装在信标光发射镜头4后端，信标光激光器3发出的激光经过信标光发射镜头4整形后发射。信标光接收镜头10安装在二维转台8上，二维转台8可带动信标光接收镜头10在方位和俯仰方向上做二维转动，安装时信标光接收镜头10的光轴与信标光发射镜头4光轴平行。信标光接收相机9安装在信标光接收镜头10后端，可探测信标光接收镜头10接收到的信标光并提取光轴角度信息。直角棱镜7安装在二维转台8的方位基座上，直角棱镜7的入射面法线与信标光发射镜头4在俯仰水平零位时的光轴平行，二维转台8可带动直角棱镜7做方位运动，但不做俯仰运动。直角棱镜7入射面前方安装棱镜光栏6，其可控制照射到直角棱镜7上入射光的角度。棱镜光栏6前面安装棱镜挡板5，棱镜挡板5打开时直角棱镜7可接收并反射激光，棱镜挡板5关闭时将直角棱镜7入射面完全挡住，直角棱镜7不可接收激光。

A终端1和B终端2设计时棱镜光栏6入射光角度保证在俯仰方向上可以覆盖整个不确定区域的俯仰高度，同时棱镜光栏6方位方向入射角度小于信标光接收镜头10的视场角。

捕获采用扫描工作方式，捕获时A终端1和B终端2的二维转台8同时进行矩形螺旋跳步扫描，扫描时双方的棱镜挡板5打开，保证双方的直角棱镜7可接收信标光。棱镜光栏6使直角棱镜7视场在俯仰方向上可以覆盖整个不确定区域的俯仰高度，捕获扫描过程中只要A终端1的信标光照射到B终端2的直角棱镜7上时，A终端1信标光发射镜头4发射的信标光通过B终端2的棱镜光栏6照射到B终端2的直角棱镜7的入射面上并被直角棱镜7按与入射角度平行的角度反射。B终端2的信标光反射后按原路返回A终端1，照射到A终端1的信标光接收镜头10上，A终端1收到的信标光在信标光接收镜头10后端的信标光接收相机9上成像，信标光接收相机9发现光斑并检测光轴偏转角度。A终端1二维转台8根据光轴偏转角度进行光斑跟踪，将光斑控制在A终端1信标光接收相机9视场中心。同理，B终端2的信标光发射镜头4发射的信标光也通过A终端1的棱镜光栏6照射到直角棱镜7的入射面上后，信标光被直角棱镜7按与入射角度平行的角度反射，并被B终端2信标光接收镜头10接收并在其后端的信标光接收相机9上成像，B终端2信标光接收相机9发现光斑并检测光轴偏转角度，控制B终端二维转台8进行光斑跟踪，将光斑控制在B终端2信标光接收相机9视场中心。此时A终端1和B终端2均在方位上指向对方，指向误差小于各自信标接收相机9的接收视场。然后A终端1和B终端2关闭各自的棱镜挡板5，使直角棱镜7不能反射对方信标光。如果此时A终端1或B终端2中的信标光接收相机9中依然有光斑，则A终端1或B终端2对光斑直接进行跟踪，完成全光捕获。如果A终端1或B终端2的信标光接收相机9中没有光斑，则对应终端的二维转台8保持方位角度不变，在俯仰方向上的不确定区域范围内进行线性往复扫描，直到信标光接收相机9中发现光斑，并对光斑跟踪完成全光捕获。

一种应用于空间激光通信的全光捕获方法，其包括步骤如下：

步骤1：A终端1和B终端2都打开棱镜挡板5，保证双方可通过直角棱镜7接收对方的信标光，调整二维转台8视轴指向捕获不确定区域的中心位置；

步骤2：A终端1和B终端2打开各自的信标光激光器3，发射信标激光；

步骤3：A终端1和B终端2的二维转台8分别开始在捕获区域内以等间隔进行矩形螺旋跳步扫描，捕获过程中只要A终端1的信标光指向至B终端2的直角棱镜7时，A终端1信标光发射镜头4发射的信标光通过B终端2的棱镜光栏6照射到B终端2的直角棱镜7的入射面上并被直角棱镜7按与入射角度平行的角度反射。B终端2的信标光反射后按原路返回A终端1，照射到A终端1的信标光接收镜头10上，A终端1收到的信标光在信标光接收镜头10后端的信标光接收相机9上成像，信标光接收相机9发现光斑时，停止扫描。

步骤4：检测光轴偏转角度，A终端1二维转台8根据光轴偏转角度进行光斑跟踪，将光斑保持在A终端1信标光接收相机9视场中心。

步骤5：此时A终端1和B终端2均在方位上指向对方，A终端1和B终端2关闭棱镜挡板5，使直角棱镜7不能反射对方信标光。如果此时A终端1或B终端2中的信标光接收相机9中依然有光斑，则A终端1或B终端2对光斑直接进行跟踪，完成全光捕获。；

步骤6：如A终端1或B终端2的信标接收相机9未探测到光斑，则相应终端的二维转台8保持方位角度不变，并在俯仰方向捕获不确定区域内进行线性往复扫描，直到信标接收相机9探测到光斑，然后二维转台8对光斑进行跟踪，完成全光捕获。

实施例：

一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其捕获区域为方位方向30°，俯仰方向30°，信标光发射镜头4发射束散角为1°，信标光接收镜头10接收视场角为1°，棱镜光栏6角度为方位方向1°俯仰方向31°，直角棱镜7视场在俯仰方向上可覆盖捕获区域，既只要信标光在方位方向上1°范围内照射到直角棱镜7其均可将信标光按平行入射方向反射回去。

一种应用于空间激光通信的全光捕获方法，包括以下步骤：

步骤1：A终端1和B终端2都打开棱镜挡板5，二维转台8视轴指向捕获不确定区域中心位置；

步骤2：A终端1和B终端2打开各自的信标光激光器3，发射信标激光；

步骤3：A终端1和B终端2的二维转台8分别以0.8°为间隔在捕获区域内开始进行矩形螺旋跳步扫描，当A终端1或B终端2的信标光接收相机9探测到光斑时，光端机停止扫描，此时A终端和B终端光轴在方位方向上指向对方，指向误差小于1°；

步骤4：A终端1和B终端2关闭棱镜挡板5，并检测各自信标光接收相机9是否探测到光斑，如探测到光斑则二维转台8对光斑进行跟踪，完成全光捕获；

步骤5：如果信标光接收相机9未探测到光斑，则二维转台8保持方位角度不变，并在俯仰方向30°范围内进行线性往复扫描，直到信标光接收相机9探测到光斑，然后二维转台8对光斑进行跟踪，完成全光捕获；

通过以上步骤，完成激光通信光端机间在30°×30°两维大范围的双端全光捕获。

Claims (4)

1.一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其特征是，其由A终端(1)和B终端(2)组成，两个终端结构相同；所述A终端(1)和B终端(2)均由信标光激光器(3)、信标光发射镜头(4)、棱镜挡板(5)、棱镜光栏(6)、直角棱镜(7)、二维转台(8)、信标光接收相机(9)和信标光接收镜头(10)组成；

所述信标光发射镜头(4)安装在二维转台(8)上，二维转台(8)可带动信标光发射镜头(4)在方位和俯仰方向上做二维转动；信标光激光器(3)安装在信标光发射镜头(4)后端，信标光激光器(3)发出的激光经过信标光发射镜头(4)整形后发射；信标光接收镜头(10)安装在二维转台(8)上，二维转台(8)可带动信标光接收镜头(10)在方位和俯仰方向上做二维转动，安装时信标光接收镜头(10)的光轴与信标光发射镜头(4)光轴平行；信标光接收相机(9)安装在信标光接收镜头(10)后端，探测信标光接收镜头(10)接收到的信标光并提取光轴角度信息；直角棱镜(7)安装在二维转台(8)的方位基座上，直角棱镜(7)的入射面法线与信标光发射镜头(4)在俯仰水平零位时的光轴平行，二维转台(8)带动直角棱镜(7)只做方位运动；直角棱镜(7)入射面前方安装棱镜光栏(6)，其控制照射到直角棱镜(7)上入射光的角度；棱镜光栏(6)前面安装棱镜挡板(5)，棱镜挡板(5)打开时直角棱镜(7)可接收并反射激光，棱镜挡板(5)关闭时将直角棱镜(7)入射面完全挡住。

2.根据权利要求1所述的一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其特征在于，所述A终端(1)和B终端(2)设计时，棱镜光栏(6)入射光角度保证在俯仰方向上覆盖整个不确定区域的俯仰高度。

3.根据权利要求1所述的一种应用于空间激光通信的全光捕获装置，其特征在于，所述棱镜光栏(6)方位方向入射角度小于信标光接收镜头(10)的视场角。

4.一种应用于空间激光通信的全光捕获方法，其特征是，其包括步骤如下：

步骤1：A终端(1)和B终端(2)都打开棱镜挡板(5)，保证双方可通过直角棱镜(7)接收对方的信标光，调整二维转台(8)视轴指向捕获不确定区域的中心位置；

步骤2：A终端(1)和B终端(2)打开各自的信标光激光器(3)，发射信标激光；

步骤3：A终端(1)和B终端(2)的二维转台(8)分别开始在捕获区域内以等间隔进行矩形螺旋跳步扫描，捕获过程中只要A终端(1)的信标光指向至B终端(2)的直角棱镜(7)时，A终端(1)信标光发射镜头(4)发射的信标光通过B终端(2)的棱镜光栏(6)照射到B终端(2)的直角棱镜(7)的入射面上并被直角棱镜(7)按与入射角度平行的角度反射；B终端(2)的信标光反射后按原路返回A终端(1)，照射到A终端(1)的信标光接收镜头(10)上，A终端(1)收到的信标光在信标光接收镜头(10)后端的信标光接收相机(9)上成像，信标光接收相机(9)发现光斑时，停止扫描；

步骤4：检测光轴偏转角度，A终端(1)二维转台(8)根据光轴偏转角度进行光斑跟踪，将光斑保持在A终端(1)信标光接收相机(9)视场中心；

步骤5：此时A终端(1)和B终端(2)均在方位上指向对方，A终端(1)和B终端(2)关闭棱镜挡板(5)，使直角棱镜(7)不能反射对方信标光；如果此时A终端(1)或B终端(2)中的信标光接收相机(9)中依然有光斑，则A终端(1)或B终端(2)对光斑直接进行跟踪，完成全光捕获；

步骤6：如A终端(1)或B终端(2)的信标接收相机(9)未探测到光斑，则相应终端的二维转台(8)保持方位角度不变，并在俯仰方向捕获不确定区域内进行线性往复扫描，直到信标接收相机(9)探测到光斑，然后二维转台(8)对光斑进行跟踪，完成全光捕获。

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