CN113783614B - 一种基于psd位置传感器的通信与跟踪复合的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法及装置，涉及空间激光通信领域。现有技术中，空间激光通信系统中信标光和通信光需要分开使用，且探测器和PSD位置传感器在安装过程中不同轴，导致通信光无法完全地主呢在探测器靶面上。本申请采用PSD位置探测器接收光束转化为电信号，通过跨阻放大、转换为压电信号进入AD采集模块，再分别输出光束调制信息的解调结果和光束重心位置，实现了将空间激光系统中通信与跟踪复合的目的，免去了实现通信光实时跟踪信标光的步骤，也避免了在设备安装过程中因为传感器的安装与探测器不同轴，导致通信光无法完全对准在探测器靶面上的问题。适合应用于空间激光探测领域。

Description

一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法及装置
涉及领域
涉及空间激光通信领域，具体涉及一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法。
背景技术
PSD位置探测器是一种基于非均匀半导体横向光电效应且对入射光位置敏感的光电器件。其探测信号的大小与输入光信号的分布无关，只与入射光的能量重心位置有关。在空间激光通信系统中光信号的解调和APT系统往往是分开独立的，APT系统中的光斑对准是通过CCD相机或PSD位置传感器检测信标光光斑的位置，根据在PSD位置传感器解算出光斑的位置，并跟踪实现通信光到探测器的对准。在使用过程中信标光和通信光需要分开使用，且探测器和PSD位置传感器在安装过程中不同轴，存在一定的角度，导致通信光无法完全对准在探测器靶面上。
发明内容
现有技术中，空间激光通信系统中信标光和通信光需要分开使用，且探测器和PSD位置传感器在安装过程中不同轴，导致通信光无法完全对准在探测器靶面上。
为解决上述问题，本申请采用如下方案:
一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法，所述的方法包括：
将接收到的光束进行光电转换；
将转换结果进行放大，并且转换为电压信号；
将所述的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
将所述的一路电信号进行叠加运算，获得叠加运算结果；
将所述的叠加运算结果进行解调，获得解调结果，用于点对点通信；
将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，获得不含调制信息的直流偏置电信号；
将所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算，获得解算结果；
根据所述的解算结果将光束重心移到所述的PSD位置传感器的靶面中心。
进一步，将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响的方法具体为：包括：
获取带有调制和背景光噪声的信号均值的步骤；
获取带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的步骤；
根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的步骤；
通过取绝对值的方法将所述的调制电信号的负电平翻转为正电平，输出翻转电信号的步骤；
获取所述的翻转电信号的平均值的步骤；
在获取平均值的同时采用低通滤波的方式对所述的翻转电信号进行处理的步骤。
进一步，所述的将接收到的光束进行光电转换的方式为：采用PSD位置传感器对所述的接收到的光束进行光电转换。
进一步，所述的将转换结果进行放大的方式为：采用跨阻放大器对所述的转换结果进行放大。
一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，所述装置包括：
光束接收器，PSD位置传感器、放大器、采集模块、去噪模块、解算器、加法器、信号解调器和控制模块；
所述的光束接收器用于将接收的光束汇聚在PSD位置传感器的靶面上；
所述的PSD位置传感器对所述的光束进行光电转换，输出带有位置信息的电流信号；
所述的电流信号经过放大器进行放大，并且转换为电压信号；
所述的电压信号输入至采集模块；
所述的采集模块将接收到的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
所述的一路电信号进入所述的加法器进行叠加运算，输出叠加运算结果；
所述的叠加运算结果通过信号解调器进行解调，获得解调结果用于点对点通信；
所述的二路电信号通过所述的去噪模块，滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，输出不含调制信息的直流偏置电信号；
所述的解算器根据所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算；
所述的控制模块根据所述的解算结果将光束重心移到所述的PSD位置传感器的靶面中心。
进一步，所述的去噪模块具体为：包括：
用于采集带有调制和背景光噪声的信号均值的均值计算子模块；
用于采集带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的减法子模块；
用于根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的调制子模块；
用于将所述的调制电信号中的负电平翻转为正电平，得到翻转电信号的绝对值计算子模块；
用于采集输出的翻转电信号的均值的均值滤波子模块；
所述的均值滤波子模块还用于在采集输出的翻转电信号的均值的同时对所述的翻转电信号进行低通滤波。
进一步，所述的PSD位置传感器输出四路带有位置信息的电流信号；所述的四路带有位置信息的电流信号中，两路为带有X轴位置信息的电流信号，另外两路为带有Y轴位置信息的电流信号。
进一步，所述的放大器为跨阻放大器；所述的跨阻放大器共有四个，分别用于放大所述的四路带有位置信息的电流信号。
进一步，所述的采集模块为四通道AD采集模块，所述的去噪模块有四个，所述的解算器有两个，分别为X轴位置解算器和Y轴位置解算器；所述的四通道AD采集模块的四个输入通道分别接收所述的四个跨阻放大器输出的电流信号，然后输出四路电信号，其中两路带有X轴位置的电信号分别连接两个去噪模块，两路带有Y轴位置信息的电信号分别连接另外两个去噪模块，两路带有X轴位置信息的电信号在经过去噪模块后进入X轴位置解算器，两路带有Y轴位置信息的电信号进入Y轴位置解算器。
一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1中所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法。
本申请的有益之处在于：
1.采用PSD位置探测器接收光束转化为电信号，通过跨阻放大、转换电信号为电压信号进入AD采集模块，再分别输出光束调制信息的解调结果和光束重心位置，实现了将空间激光系统中通信与跟踪复合的目的，该方法免去了原有实现通信光实时必不可少的跟踪信标光的步骤，进而避免了由于需要实现跟踪信标光、在设备安装过程中因为信标光接收探测器与通信光接收探测器的安装不同轴，导致通信光无法完全对准在探测器靶面上的问题。
2.本申请克服了技术偏见。现有技术在激光通信系统中,采用位置传感器检测信标光光斑位置常采用不含调制信息的光束，这样做仅能完成信标光位置的解算和跟踪，而通信光和信标光不同轴的问题未能解决。信标光的作用是引导通信光汇聚至通信探测器上，如果两者不同轴就会导致信标光已经对准信标光探测器上，但是通信光确没有对准通信光探测器，导致通信链路误码率的增加或通信的中断的问题，导致本领域技术人员不会考虑使用位置传感器来实现通信光实时跟踪信标光的目的，本申请通过获取将带有调制和背景光噪声的信号(以下简称原信号)的均值，进一步，获取所述均值与原信号的差值，用原信号与差值做减法，得到去除背景噪声的调制电信号，再进一步，通过绝对值计算方法将去除背景噪声的调制电信号的负电平转化为正电平，再进一步，将通过绝对值计算方法的电信号通过再次取均值并进行低通滤波的方式，得到了滤除调制信号和背景光导致的影响的电信号,通过这样的方式＝，解决了现有技术中，采用位置传感器实现通信光实时跟踪信标光中，因为采用不含调制信息的光束无法解决通信光和信标光不同轴的问题。
上述在实现激光通信系统中采用位置传感器检测信标光光斑的位置的过程中普遍存在的采用PSD位置传感器实现通信光实时跟踪信标光中，因为采用不含调制信息的光束无法解决通信光和信标光不同轴的问题，导致在激光通信领域中，领域内技术人员不去考虑采用位置传感器作为信号的接收与处理模块，阻碍人们对该方向的研究和开发。本申请采用本申请提出的方法解决了上述问题，克服了现有技术对于位置传感器不能应用于激光通信系统领域的偏见。
3.本申请采用跨阻放大器作为放大电信号的模块，跨阻放大器在实现放大功能的同时还能将输入的电流信号转换为电压信号输出，便于输出后对于信号的处理，省去了再加入转换电路的步骤，减少了技术人员的工作，降低了成本。
4.在解算光束的重心位置的同时加入了叠加运算的步骤，采用叠加运算增加了电信号的幅度，便于调制信号的判决，更便于技术人员对调制信号进行数据解调。
附图说明
图1为本申请提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置的模块示意图。
图2为本申请中滤除调制信号和背景光的方法的过程的波形图，其中上面的图片为带有调制信号和背景光导致的影响的电信号波形示意图；中间的图片为去除了调制信号和背景光导致的影响的电信号波形示意图；下面的图片为中间的图片所示的电信号经过绝对值运算方式之后的电信号的波形示意图。
其中，1为光束接收器，2为PSD位置传感器，3为放大器，4为采集模块，5为去噪模块，6为解算器、7为加法器、8为信号解调器。
具体实施方式
下面参见附图对本申请进行进一步的说明：
实施方式一、本实施方式提供了一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法，所述的方法包括：
将接收到的光束进行光电转换；
将转换结果进行放大，并且转换为电压信号；
将所述的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
将所述的一路电信号进行叠加运算，获得叠加运算结果；
将所述的叠加运算结果进行解调，获得解调结果，用于点对点通信；
将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，获得不含调制信息的直流偏置电信号；
将所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算，获得解算结果；
根据所述的解算结果光束将重心移到所述的PSD位置传感器2的靶面中心。
具体的解算方式为：X轴的解算方式为，根据公式：
其中，x表示X轴重心位置，X表示不含调制信息的X轴直流偏置信号，L表示PSD位置传感器2的靶面宽度；
Y轴的解算方式为，根据公式：
其中，y表示Y轴重心位置，Y表示不含调制信息的Y轴直流偏置信号。
具体的，通过伺服控制系统控制电机带动空间激光通信接收系统，使光束重心移到PSD位置传感器2的靶面中心。
本实施方式的有益之处在于：采用PSD位置探测器实现对光束重心位置的解算与通信数据的解调，实现了将空间激光系统中通信与跟踪复合的目的，免去了实现通信光实时跟踪信标光的步骤，也避免了在设备安装过程中因为传感器的安装与探测器不同轴，导致通信光无法完全对准在探测器靶面上的问题。
实施方式二、结合图2说明本实施方式，本实施方式是对实施方式一提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法的进一步限定，将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响的方法具体为：包括：
获取带有调制和背景光噪声的信号均值的步骤；
获取带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的步骤；
根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的步骤；
通过取绝对值的方法将所述的调制电信号的负电平翻转为正电平，输出翻转电信号的步骤；
获取所述的翻转电信号的平均值的步骤；
在获取平均值的同时采用低通滤波的方式对所述的翻转电信号进行处理的步骤。
本实施方式的有益之处在于：通过获取将带有调制和背景光噪声的信号(以下简称原信号)的均值，进一步，获取所述均值与原信号的差值，用原信号与差值做减法，得到去除背景噪声的调制电信号，再进一步，通过绝对值计算方法将去除背景噪声的调制电信号的负电平转化为正电平，再进一步，将通过绝对值计算方法的电信号通过再次取均值并进行低通滤波的方式，得到了滤除调制信号和背景光导致的影响的电信号，克服了现有技术中“因为调制信号无法去除，并且会受到背景光的影响，所以采用位置传感器无法用于激光通信领域”的偏见。
实施方式三、本实施方式是对实施方式一提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法的进一步限定，所述的将接收到的光束进行光电转换的方式为：采用PSD位置传感器对所述的接收到的光束进行光电转换。
实施方式四、本实施方式是对实施方式一提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法的进一步限定，所述的将转换结果进行放大的方式为：采用跨阻放大器对所述的转换结果进行放大。
实施方式五、结合图1说明本实施方式，本实施方式提供了一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，所述装置包括：
光束接收器1，PSD位置传感器2、放大器3、采集模块4、去噪模块5、解算器6、加法器7、信号解调器8和控制模块；
所述的光束接收器1用于将接收的光束汇聚在PSD位置传感器2的靶面上；
所述的PSD位置传感器2对所述的光束进行光电转换，输出带有位置信息的电流信号；
所述的电流信号经过放大器3进行放大，并且转换为电压信号；
所述的电压信号输入至采集模块4；
所述的采集模块4将接收到的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
所述的一路电信号进入所述的加法器7进行叠加运算，输出叠加运算结果；
所述的叠加运算结果通过信号解调器8进行解调，获得解调结果用于点对点通信；
所述的二路电信号通过所述的去噪模块5，滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，输出不含调制信息的直流偏置电信号；
所述的解算器6根据所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算；
所述的控制模块根据所述的解算结果将光束重心移到所述的PSD位置传感器2的靶面中心。
具体实现方式为：
带有调制信息的激光信号，通过光学天线汇聚至PSD位置传感器2靶面，PSD位置传感器2将其输出为4通道的电流信号，分别经过跨组增益放大将PSD产生的电流信号转换为电压信号，通过AD对电压信号进行采集，将AD采集后的单通道信号分为两路，一路用于激光调制信息的解调，另一路用于计算光束的重心位置。
将一路4通道的电压信号进行叠加，通过信号解调器8获取激光信号的调制信息。同时，将另一路AD采集的电压信号通过去噪模块5滤除背景光对PSD位置解算精度的影响，最终根据去噪模块5输出的模拟信号解算输入光信号的能量重心位置。即可同时实现光束重心位置的解算与通信数据的解调。
实施方式六、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置的进一步限定，所述的去噪模块5具体为：包括：
用于采集带有调制和背景光噪声的信号均值的均值计算子模块；
用于采集带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的减法子模块；
用于根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的调制子模块；
用于将所述的调制电信号中的负电平翻转为正电平，得到翻转电信号的绝对值计算子模块；
用于采集输出的翻转电信号的均值的均值滤波子模块；
所述的均值滤波子模块还用于在采集输出的翻转电信号的均值的同时对所述的翻转电信号进行低通滤波。
实施方式七、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式五或实施方式六提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置的进一步限定，所述的PSD位置传感器2输出四路带有位置信息的电流信号；所述的四路带有位置信息的电流信号中，两路为带有X轴位置信息的电流信号，另外两路为带有Y轴位置信息的电流信号。
实施方式八、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式七提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置的进一步限定，所述的放大器3为跨阻放大器；所述的跨阻放大器共有四个，分别用于放大所述的四路带有位置信息的电流信号。
实施方式九、结合图1说明本实施方式，本实施方式是对实施方式八提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置的进一步限定，所述的采集模块4为四通道AD采集模块，所述的去噪模块5有四个，所述的解算器6有两个，分别为X轴位置解算器和Y轴位置解算器；所述的四通道AD采集模块的四个输入通道分别接收所述的四个跨阻放大器输出的电流信号，然后输出四路电信号，其中两路带有X轴位置的电信号分别连接两个去噪模块5，两路带有Y轴位置信息的电信号分别连接另外两个去噪模块5，两路带有X轴位置信息的电信号在经过去噪模块5后进入X轴位置解算器，两路带有Y轴位置信息的电信号进入Y轴位置解算器。
实施方式十、本实施方式提供了一种计算机设备，所述计算机设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1中所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法。
实施方式十一、本实施方式是根据实施方式一提供的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法结合实际实施对本申请做进一步的描述，具体为：
选用波长为850nm波段的激光，PSD位置传感器2选用DL-100-7-KER型号，跨阻增益放大器3选用ADA4615-2运放，AD采集选用AD7606芯片，去噪模块5采用FPGA EP4CE10芯片进行模块化运算。
实施步骤：
(1)光束接收器1将带有调制信号的850nm光信号束汇聚在PSD位置传感器2的靶面上，由PSD位置传感器2进行光电转换并同时输出4通道带有位置信息的电流信号；
(2)将电流信号分别通过四个跨阻放大器3进行放大，并转换为电压信号uX1、uX2、uY1、uY2；
(3)通过四通道AD采集模块4对电压信号uX1、uX2、uY1、uY2同时采集，采集后的电压信号将分为两路电信号UX1、UX2、UY1、UY2和U*X1、U*X2、U*Y1、U*Y2，两路信号具有相同的调制信息和背景光噪声，一路用于激光调制信息的解调，另一路用于计算光束的重心位置；
(4)将一路四通道的电压信号U*X1、U*X2、U*Y1、U*Y2进行叠加运算，叠加后的信号通过信号解调器8进行判决、时钟恢复等实现数据解调；
(5)另一路四通道的电压信号UX1需要经过去噪模块5，同时滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，得到不含调制信息的直流偏置电信号VX1、VX2、VY1和VY2；
(6)根据公式
进行x轴重心位置的解算；
根据公式
进行y轴重心位置的解算，同时实现光束重心位置的解算与通信数据的解调。
(7)将解算的光束重心位置传给控制模块，并通过控制模块根据接收到的信号控制电机使得光束重心移到PSD位置传感器2的靶面中心，实现对光束重心位置的跟踪。

Claims (8)

1.一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法，其特征在于，所述的方法包括：
将接收到的光束进行光电转换；
将转换结果进行放大，并且转换为电压信号；
将所述的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
将所述的一路电信号进行叠加运算，获得叠加运算结果；
将所述的叠加运算结果进行解调，获得解调结果，用于点对点通信；
将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，获得不含调制信息的直流偏置电信号；
将所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算，获得解算结果；
根据所述的解算结果将光束重心移到所述的PSD位置传感器的靶面中心；将所述的二路电信号滤除调制信号和背景光对位置解算的影响的方法具体为：包括：
获取带有调制和背景光噪声的信号均值的步骤；
获取带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的步骤；
根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的步骤；
通过取绝对值的方法将所述的调制电信号的负电平翻转为正电平，输出翻转电信号的步骤；
获取所述的翻转电信号的平均值的步骤；
在获取平均值的同时采用低通滤波的方式对所述的翻转电信号进行处理的步骤。
2.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法，其特征在于，所述的将接收到的光束进行光电转换的方式为：采用PSD位置传感器对所述的接收到的光束进行光电转换。
3.根据权利要求1所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法，其特征在于，所述的将转换结果进行放大的方式为：采用跨阻放大器对所述的转换结果进行放大。
4.一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，其特征在于，所述装置包括：
光束接收器，PSD位置传感器、放大器、采集模块、去噪模块、解算器、加法器、信号解调器和控制模块；
所述的光束接收器用于将接收的光束汇聚在PSD位置传感器的靶面上；
所述的PSD位置传感器对所述的光束进行光电转换，输出带有位置信息的电流信号；
所述的电流信号经过放大器进行放大，并且转换为电压信号；
所述的电压信号输入至采集模块；
所述的采集模块将接收到的电压信号分为两路，分别为一路电信号和二路电信号；
所述的一路电信号进入所述的加法器进行叠加运算，输出叠加运算结果；
所述的叠加运算结果通过信号解调器进行解调，获得解调结果用于点对点通信；
所述的二路电信号通过所述的去噪模块，滤除调制信号和背景光对位置解算的影响，输出不含调制信息的直流偏置电信号；
所述的解算器根据所述的直流偏置电信号对重心位置进行解算；
所述的控制模块根据所述的解算结果将光束重心移到所述的PSD位置传感器的靶面中心；所述的去噪模块具体为：包括：
用于采集带有调制和背景光噪声的信号均值的均值计算子模块；
用于采集带有调制和背景光噪声的信号与所述的信号均值的差值的减法子模块；
用于根据所述的差值获取去除背景噪声的调制电信号的调制子模块；
用于将所述的调制电信号中的负电平翻转为正电平，得到翻转电信号的绝对值计算子模块；
用于采集输出的翻转电信号的均值的均值滤波子模块；
所述的均值滤波子模块还用于在采集输出的翻转电信号的均值的同时对所述的翻转电信号进行低通滤波。
5.根据权利要求4所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，其特征在于，所述的PSD位置传感器输出四路带有位置信息的电流信号；所述的四路带有位置信息的电流信号中，两路为带有X轴位置信息的电流信号，另外两路为带有Y轴位置信息的电流信号。
6.根据权利要求5所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，其特征在于，所述的放大器为跨阻放大器；所述的跨阻放大器共有四个，分别用于放大所述的四路带有位置信息的电流信号。
7.根据权利要求6所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的装置，其特征在于，所述的采集模块为四通道AD采集模块，所述的去噪模块有四个，所述的解算器有两个，分别为X轴位置解算器和Y轴位置解算器；所述的四通道AD采集模块的四个输入通道分别接收所述的四个跨阻放大器输出的电流信号，然后输出四路电信号，其中两路带有X轴位置的电信号分别连接两个去噪模块，两路带有Y轴位置信息的电信号分别连接另外两个去噪模块，两路带有X轴位置信息的电信号在经过去噪模块后进入X轴位置解算器，两路带有Y轴位置信息的电信号进入Y轴位置解算器。
8.一种计算机设备，其特征在于：包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，当所述处理器运行所述存储器存储的计算机程序时，所述处理器执行根据权利要求1中所述的一种基于PSD位置传感器的通信与跟踪复合的方法。
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