CN114389683B

CN114389683B - 空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法及其装置

Info

Publication number: CN114389683B
Application number: CN202111619665.7A
Authority: CN
Inventors: 乔元哲
Original assignee: Beijing Institute of Remote Sensing Equipment
Current assignee: Beijing Institute of Remote Sensing Equipment
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2024-03-29
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114389683A

Abstract

本发明提供一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法及其装置，包括：提供一捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，然后，接收信号光，所述信号光由所述捕跟快反镜控制耦合方向；最后，所述捕跟快反镜以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，本发明的优点是：实现简单，实现激光通信链路在复杂温度和动态条件的空间环境中的链路自主稳定保持。

Description

空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法及其装置

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，特别是一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法及其装置。

背景技术

空间激光通信是一种利用激光束作为载波在自由空间进行图像、语音、信号等数据信息传递的通信方式。与传统微波通信相比，空间激光通信具有传输速率快、通信容量大、抗电磁干扰性能强、保密性高等优点，且其通信终端体积小、功耗低，实用性好。激光通信技术的发展和突破可解决现有空间传输的瓶颈问题，对增强自由空间信息传输的实时性、安全性意义重大。在欧洲SILEX计划、EDRS计划，日本的OICETS和国内北斗、实践项目中，已经多次实现不同速率的星地、星间空间激光通信在轨试验验证。目前正在建设中大规模星座，如美国SPACE-X的STAR-LINK计划，中国的星网计划等，已经明确把空间激光通信作为星间组网方式。然而，由于空间环境的影响，当前激光终端在通信过程中，存在探测器跟踪点位置变化，通信链路稳定性差的情况。

激光终端在轨后由于环境变化，导致在地面设置好的最优跟踪点偏离，从而导致接收功率下降，传统的方法为：在探测到接收功率偏离后，通过星地测控链路上注参数，设置CCD光敏面上通信跟踪点的位置，并和对应的接收光功率进行人工比对。在进行多次设置和比对后，从中选取接收光功率最强的位置作为修正后的最优跟踪点。该种方法存在较大的局限性：一是需要根据环境变化定期修正；二是修正需要依赖星地测控链路，修正窗口有限；三是人工比对的方法耗费大量时间，修正精度差。此外，哈尔滨工业大学谭丽英等申请的专利《基于偏转镜的卫星通信接收光场中心视场快速标定方法及装置》中，提及采用精瞄镜扫描的方法在地面对最优跟踪点进行标定，但是上述现有技术只能实现地面测试时的标定。

发明内容

本发明的目的在于提供一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法及其装置，其能够解决激光终端在轨后由于环境变化，导致在地面设置好的最优跟踪点偏离，从而导致接收功率下降的问题。

有鉴于此，本发明提供一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法，其特征在于，包括：

首先，提供一捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；

然后，接收信号光，所述信号光由所述捕跟快反镜控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；

最后，所述捕跟快反镜以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正。

进一步地，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，包括：记录在一个扫描周期过程中全部扫描点的APD电流大小。

进一步地，配合跟踪控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，包括：选取多个最大接收电流的位置，并对这些位置进行加权平均，作为最优跟踪点。

进一步地，所述进行修正还包括：判断所述最优跟踪点的接收功率是否满足设定的功率阈值要求，如果满足，则停止扫描，如果不满足，则以该扫描点所在的位置为新的起始点重复扫描过程。

进一步地，所述配合跟踪保持控制，包括：通过扫描控制模块记录次扫描位置及对应的接收功率之间的关系，不断调整捕跟快反镜的角度以优化最优跟踪点的位置，实现对通信最大功率的跟踪保持。

本发明的另一目的在于提供一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，其特征在于，包括：

捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；其中，所述捕跟快反镜用于在接收信号光后控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；所述捕跟快反镜用于以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正。

进一步地，所述扫描控制模块由FPGA或单片机实现。

进一步地，所述APD功率监测装置和扫描控制模块之间通过印制板走线连接。

进一步地，所述扫描控制模块和捕跟快反镜之间通过驱动电缆连接。

进一步地，所述APD功率监测装置和所述光纤直接连接。

本发明实现了以下显著的有益效果：

实现简单，包括：提供一捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；然后，接收信号光，所述信号光由所述捕跟快反镜控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；最后，所述捕跟快反镜以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正。可通过接收光功率的监测、反馈和最优跟踪点自动修正，实现激光通信链路在复杂温度和动态条件的空间环境中的链路自主稳定保持，有效解决了最优跟踪点人工修正中修正时间窗口受限、需要人工干预比对、修正精度差的问题,为激光通信捕获跟踪的在轨修正方法提供了有效技术手段。

附图说明

图1为本发明的一种空间光通信探测器最优跟踪点的原理示意图；

图2为本发明的一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置的结构示意图；

图3为图2所示装置的最优跟踪点的捕获流程图。

具体实例方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明，根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均适用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，为了清楚地说明本发明的内容，本发明特举多个实施例以进一步阐释本发明的不同实现方式，其中，该多个实施例是列举式而非穷举式。此外，为了说明的简洁，前实施例中已提及的内容往往在后实施例中予以省略，因此，后实施例中未提及的内容可相应参考前实施例。

虽然该发明可以以多种形式的修改和替换来扩展，说明书中也列出了一些具体的实施图例并进行详细阐述。应当理解的是，发明者的出发点不是将该发明限于所阐述的特定实施例，正相反，发明者的出发点在于保护所有给予由本权利声明定义的精神或范围内进行的改进、等效替换和修改。同样的元模块件号码可能被用于所有附图以代表相同的或类似的部分。

请参照图1，本发明的一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法，包括：

步骤S101，提供一捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；

步骤S102，接收信号光，所述信号光由所述捕跟快反镜控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；

步骤S103，所述捕跟快反镜以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正。

在本申请的一种实施例中，具体地，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，包括：记录在一个扫描周期过程中全部扫描点的APD电流大小。

在本申请的一种实施例中，具体地，配合跟踪控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，包括：选取多个最大接收电流的位置，并对这些位置进行加权平均，作为最优跟踪点。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述进行修正还包括：判断所述最优跟踪点的接收功率是否满足设定的功率阈值要求，如果满足，则停止扫描，如果不满足，则以该扫描点所在的位置为新的起始点重复扫描过程。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述配合跟踪保持控制，包括：通过扫描控制模块记录次扫描位置及对应的接收功率之间的关系，不断调整捕跟快反镜的角度以优化最优跟踪点的位置，实现对通信最大功率的跟踪保持。

请参照图1，本发明的工作原理是：空间激光通信终端工作过程中需要完成空间光到光纤信号光的转换，具体方法是将接收信号光耦合到光纤端面上，接收信号光进入终端光学系统后，由内部捕跟快反镜1控制耦合方向。经过分光镜2分为两路：一路到CCD探测器3上用于位置探测，一路经过反射镜4后耦合到光纤端面5上进行通信。由于CCD光敏面的光斑位置控制和光纤耦合控制通过同一个捕跟快反镜完成，因此单模光纤的耦合角度和CCD探测器上光斑位置存在对应关系。对单模光纤的耦合可通过在CCD上设定最优跟踪点控制，确保光斑在最优跟踪通信点时，接收光纤正入射。

根据本发明实施例的一方面，在CCD上存在位置P(x_c,y_c)，当接收光斑位于P点时，通信光耦合到接收光纤的能量最大(如上图实线所示)，当光斑位置偏离最优跟踪点，即位于P1(x_m,y_m)时，耦合到单模光纤的光束同步偏移，接收光功率下降(如图1虚线所示)。卫星入轨后，由于环境变化导致光轴误差，实际的最优跟踪点将在小范围内随着外部温度变化。此时如果还是按照地面设定的位置对光斑进行跟踪，则会导致光斑耦合效率降低，通信接收功率下降。当跟踪位置偏离量比较大时，会增加误码率，导致链路通信中断。在实际的激光通信中，为保证通信链路的稳定性，采用修正CCD上跟踪位置的方法提升单模光纤的耦合精度。

根据本发明实施例的一方面，对卫星入轨后温控误差导致的光轴偏移，提出了跟踪通信坐标系最优跟踪点的在轨自动捕获系统。该系统采用精瞄镜在CCD光敏面覆盖区间螺旋扫描的方式，配合跟踪控制，对跟踪通信坐标系的最优跟踪点进行扫描捕获和修正，通过精瞄镜在CCD探测器光敏面的扫描和APD功率检测，可在轨自动调整最优跟踪点，实现对最佳光功率接收的稳定保持。通过精瞄镜扫描，配合APD功率检测和反馈，采用闭环控制在轨自主修正系统调整最优跟踪点，实现激光通信链路无需人工干预的在轨稳定保持，进而大幅提升了通信稳定性。

本发明的另一目的在于提供一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，包括：捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；其中，所述捕跟快反镜用于在接收信号光后控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；所述捕跟快反镜用于以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述扫描控制模块由FPGA或单片机实现。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述APD功率监测装置和扫描控制模块之间通过印制板走线连接。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述扫描控制模块和捕跟快反镜之间通过驱动电缆连接。

在本申请的一种实施例中，具体地，所述APD功率监测装置和所述光纤直接连接。

作为具体的实施例，本实施例的一种基于精瞄摆扫的空间光通信探测器最优跟踪点在轨修正装置，包括：捕跟快反镜1、第一透镜2、分光镜3、CCD探测器4、反射镜5、第二透镜6、光纤7、APD功率监测装置8、扫描控制模块9、驱动电缆10。其中，捕跟快反镜1、第一透镜2、分光镜3、CCD探测器4沿直线摆放，反射镜5、第二透镜6沿直线摆放。上述器件按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板11上，其位置关系和激光终端光学系统设计指标相关。光纤7一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于反射镜5、第二透镜6所在的直线，另一端和控制电路板12连接。APD功率监测装置8，扫描控制模块9焊接在控制电路板12上。扫描控制模块由FPGA实现。APD功率监测装置8和扫描控制模块9之间通过印制板走线连接。扫描控制模块9和捕跟快反镜1之间通过驱动电缆10连接。

作为具体的实施例，装置工作时，捕跟快反镜以2s为一个扫描周期，在CCD探测器端面上以当前跟踪点为中心，进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置。扫描半径为150μm，扫描步长2μm。此时光纤端面入射光位置将以0.3～0.6μm左右的步长在光纤端面位置附近相应变化。当光束正入射到光纤端面时，耦合效率约为0.81。偏移为1μm时，耦合效率下降到0.45，当偏移3μm，耦合效率仅为0.15左右。不同耦合效率导致不同的接收光功率变化：在入射功率-8dBm时，对应的接收功率1mA，入射功率-30dBm时对应10μA。记录在一个扫描周期过程中全部扫描点的APD电流大小，选取n个最大接收电流的位置，并对这些位置进行加权平均，作为最优跟踪点。如果该位置下的接收功率满足设定的功率阈值要求，则停止扫描。如果不满足，则以该点为新的起始点重复扫描过程。

作为具体的实施例，本发明的最优跟踪点的捕获流程如图3所示，具体步骤如下：

设定扫描工作参数，包括扫描起始点、扫描步长和范围；

当收到最优跟踪点捕获的指令后，按照螺旋曲线在一定范围内扫描，扫描半径为100μm，扫描步长2μm。扫描起始位置为x₀和y₀；

在扫描过程中，对每个点的位置(x_i,y_i)，通过APD电流监测均记录相应的接收电流变化情况；

统计所有采样点的电流，选取记录若干功率较大的点，对应的坐标为(x₁,y₁)，(x₂,y₂)…(x_n,y_n)。对应的能量值为E₁,E₂..E_n；

为准确判定最优跟踪点位置，对选取采样点的功率加权处理，计算最优跟踪点位置。令E_s＝E₁+E₂+....E_n，权重系数：η_i＝E_i/E_s，其中i＝1,2…n。

经过捕获后，定义最优跟踪点位置为：

如果接收功率最大值低于设定阈值要求，则根据当前监测到功率最大的若干点加权计算后作为新的扫描中心点，方法与步骤4相同；

回到步骤1，不断迭代扫描中心，直到找到接收功率满足设定阈值要求的点，在步骤4结束迭代。

等待下次扫描指令；

为验证跟踪通信坐标系最优跟踪点的捕获修正方法，开展了最优跟踪点的捕获试验，将最优跟踪点拉偏150μm后，通过压电陶瓷精瞄镜进行扫描捕获，当扫描步进为2μm时，捕获时间为3s。经过实际测试，此时设定的通信中心点功率相对于光纤正入射时接收功率误差仅为0.4dB。该试验有效验证了跟踪通信坐标系最优跟踪点的捕获性能。

本发明提出的装置，有效解决了最优跟踪点人工修正中修正时间窗口受限、需要人工干预比对、修正精度差的问题,可实现激光通信链路在复杂温度和动态条件的空间环境中的链路自主稳定保持，为激光通信捕获跟踪的在轨修正方法提供了有效技术手段。

从以上描述中，可以看出，本申请上述的实施例实现了如下的技术效果：

根据本发明技术方案和构思，还可以有其他任何合适的改动。对于本领域普通技术人员来说，所有这些替换、调整和改进都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims

1.一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法，其特征在于，包括：

首先，提供一捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；所述APD功率监测装置和所述光纤直接连接；

最后，所述捕跟快反镜以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正；

采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，包括：记录在一个扫描周期过程中全部扫描点的APD电流大小；

配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，包括：选取多个最大接收电流的位置，并对这些位置进行加权平均，作为最优跟踪点；

所述配合跟踪保持控制，包括：通过扫描控制模块记录扫描位置及对应的接收功率之间的关系，不断调整捕跟快反镜的角度以优化最优跟踪点的位置，实现对通信最大功率的跟踪保持。

2.根据权利要求1所述的空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正方法，其特征在于，所述进行修正还包括：判断所述最优跟踪点的接收功率是否满足设定的功率阈值要求，如果满足，则停止扫描，如果不满足，则以该扫描点所在的位置为新的起始点重复扫描过程。

3.一种空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，其特征在于，包括：

捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜、光纤、APD功率监测装置、扫描控制模块、驱动电缆，其中，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器沿第一直线摆放，所述反射镜、第二透镜沿第二直线摆放，所述捕跟快反镜、第一透镜、分光镜、CCD探测器、反射镜、第二透镜按照入射光路设计，依次固定在整机光学基板上，所述光纤的一端固定在光学基板上，光纤端面垂直于所述第二直线，所述光纤的另一端和控制电路板连接，在所述控制电路板上焊接APD功率监测装置与扫描控制模块；所述APD功率监测装置和所述光纤直接连接；

其中，所述捕跟快反镜用于在接收信号光后控制耦合方向，经过所述分光镜分为两路：一路到所述CCD探测器上用于位置探测，一路经过所述反射镜后耦合到光纤端面上进行通信；所述捕跟快反镜用于以一定扫描周期，在所述CCD探测器的光敏面上以当前跟踪点为中心，采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，改变通信跟踪点的位置，配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，并进行修正；

采用覆盖区间螺旋扫描的方式进行螺旋扫描，具体用于：记录在一个扫描周期过程中全部扫描点的APD电流大小；

配合跟踪保持控制和APD功率检测，扫描捕获最优跟踪点，具体用于：选取多个最大接收电流的位置，并对这些位置进行加权平均，作为最优跟踪点；

所述配合跟踪保持控制，具体用于：通过扫描控制模块记录扫描位置及对应的接收功率之间的关系，不断调整捕跟快反镜的角度以优化最优跟踪点的位置，实现对通信最大功率的跟踪保持。

4.根据权利要求3所述的空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，其特征在于，所述扫描控制模块由FPGA或单片机实现。

5.根据权利要求3所述的空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，其特征在于，所述APD功率监测装置和扫描控制模块之间通过印制板走线连接。

6.根据权利要求3所述的空间光通信探测器最优跟踪点在轨自主修正装置，其特征在于，所述扫描控制模块和捕跟快反镜之间通过驱动电缆连接。