CN115291331B - 一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于空间光通信领域的光学设计与控制技术领域，提供一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，其利用空间光通信系统中的提前瞄准镜、精跟踪快反镜以及探测器，设计协同工作方法，对光纤耦合效率进行改进。本发明提供一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，巧妙的采用系统现有结构，不再增加额外的快反镜，采用传统的激光通信光学系统实现了类似章动跟踪功能，提高了光纤耦合效率的方法；有效降低了光学系统的复杂度，便于系统集成与装调；因为无需额外的章动执行机构，在保证功能基础上，又没有增加额外的质量与功耗。
Description
技术领域
本发明属于空间光通信领域的光学设计与控制技术领域，具体涉及一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法。
背景技术
近年来，空间光通信领域得到快速发展，技术也越发成熟，相继有多种星间、星地激光通信设备发射成功，尤其国网的成立，更是掀起一波热潮。随着国内互联网星座建立的步伐越来越快，对激光通信终端的商用化越来越急迫。对于星上设备，资源极其有限，在怎样保证产品性能的基础上，进一步降低其质量、体积、功耗成为下一步竞争放下。在激光接收端，需要将进入光学系统中的平行光耦合进约9um的单模光纤中，在考虑卫星平台振动、收发不同轴、跟踪系统实际指标等情况了，难度无疑是很大的。现有技术中，为了提高光纤耦合的效率，衍生出一种解决方法，即在接收前端增加一个快反镜，通过快反镜来进一步调整入射光角度，进而实现章动跟踪耦合。
但是快反镜的重量、体积、功耗都是不可忽视的，这无疑需要更多资源，所以如何能够在之前现有的方案中，采用一种方案，在不增加快反镜的同时，解决光纤耦合效率的问题变得十分具有意义。
发明内容
为解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，巧妙的采用系统现有结构，不再增加额外的快反镜，仍然达到了提高光纤耦合效率的目的。其具体技术方案如下：
一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，其利用空间光通信系统中的提前瞄准镜、精跟踪快反镜以及探测器，设计协同工作方法，对光纤耦合效率进行改进，具体的步骤包括：
S1、根据光学系统，建立探测器坐标和提前瞄准镜之间的映射关系；
S2：对精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间转换关系的标定；
S3：建立相机中光斑坐标变换与提前瞄准镜之间关系；
S4：通过调整通信中心点，小幅度调整光纤耦合效果；
S5：按照一定时间间隔τ分别遍历修改通信中心点坐标，同时下发对应提前瞄准镜角度，确保不改变发射支路光路角度，通过接收的光纤功率，得到不同中心点坐标下的接收功率；
S6：将下一个中心点作为新的通信中心点，重复步骤S4与步骤S5，直到得到满意的光纤耦合效率。
进一步，所述步骤S1的具体过程包括：
P1：先测出精跟踪快反镜与探测器坐标之间、精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间转换关系，进而计算得到探测器坐标和提前瞄准镜之间的映射关系；
P2：对精跟踪快反镜与探测器坐标之间转换关系进行标定：
搭建测试环境，上电后，调整最下面测试转台，使得光斑成像在探测器的中心区域，然后控制精跟踪快反镜x轴，采取一定步长，遍历走过整个行程，同时记录快反镜x轴不同角度(θxi,θyo)下对应的相机中光斑坐标(xi,yi)；同理，对y轴也进行相同操作；然后计算得到快反镜x/y轴分别转动1urad对应相机中光斑坐标变动情况，得到公式：
式中，(Δx,Δy)为相机光斑变动像素值，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a1,b1,c1,d1为所求参数。
进一步，所述步骤S2的具体过程包括：
Q1：搭建标定环境，从激光通信终端发射激光，调整测试转台，使得发射光斑在右侧探测器成像在视场中间；
Q2：然后转动精跟踪快反镜x轴一定角度βx，然后转动提前瞄准镜的x轴与y轴，使得光斑仍然位于探测器视场中央，记录此时瞄准镜转动角度为(θT_x,θT_y)，根据记录信息，即可得到精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间x/y轴的角度；
Q3：根据坐标旋转原理，得到二者之间坐标的等效转换关系；
式中，(ΔθT_x,ΔθT_y)为提前瞄准镜变动角度，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a2,b2,c2,d2为所求参数。
进一步，步骤S3的具体过程包括：
根据P2、Q3中得到的两个公式，获得到相机中光斑坐标变换与瞄准镜之间关系；
整理得到：
进而得到：
推导该过程目的是为了在改变相机中通信中心点坐标时，同时移动提前瞄准镜，确保在改变接收光路时，不改变发射支路角度。
进一步，步骤S5的具体过程包括：
H1：设通信中心点为(xc0,yc0)，以通信中心点(xc0,yc0)为中心，设置章动半径以及步长分别为ri与ρi，进而得到一圈中心点坐标[(x1,y1),(x2,y2)……(xn,yn)]，同时，根据当前提前瞄准镜的位置计算出对应的提前瞄准镜的角度[(γx1,γy1),(γx2,γy2)……(γxn,γyn)]；
H2：按照一定时间间隔τ分别遍历修改通信中心点坐标，同时下发对应提前瞄准镜角度，确保不改变发射支路光路角度，通过接收的光纤功率，得到不同中心点坐标下的接收功率；这里假设共取n个点，不同中心点对应功率为[P1,P2……Pn]；通过n个点对应功率大小计算得到一个新的通信中心点矢量(xnew,ynew)，计算公式如下：
本发明所达到的有益效果为：
本发明提供一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，巧妙的采用系统现有结构，不再增加额外的快反镜，采用传统的激光通信光学系统实现了类似章动跟踪功能，提高了光纤耦合效率的方法；有效降低了光学系统的复杂度，便于系统集成与装调；因为无需额外的章动执行机构，在保证功能基础上，又没有增加额外的质量与功耗。
附图说明
图1是传统的含有光纤章动的光学系统示意图；
图2是本发明实施例1中简化后可以实现光纤章动的光学系统示意图；
图3是本发明实施例1中精跟踪快反镜与相机坐标转换关系标定示意图；
图4是本发明实施例1中精跟踪快反镜与提前瞄准镜转换关系标定示意图。
具体实施方式
为便于本领域的技术人员理解本发明，下面结合实施例及附图说明本发明的具体实施方式。
实施例1，
传统的含有光纤章动的光学系统示意图如图1所示，本实施例在图1的基础上简化后设计可以实现光纤章动的光学系统，如图2所示。
本发明的光学系统中包含收发两个支路，其中提前瞄准镜完成对发射支路的光路调节，用于补偿光路传输时延导致的角度偏差；精跟踪机构用于实现精跟踪，以探测器识别的光斑坐标为反馈，控制接收光路，使其能够被接收光纤接收；探测器用于接收信号光，计算出接收光支路的偏差，给控制系统反馈脱靶量，用于精跟踪控制器的输入；
如图3所示，是标定精跟踪快反镜与探测器坐标轴系转换关系的示意图，右侧1550nm光源通过平行光管入射到通信终端光学系统内；同时，通信终端安装在测试转台上，测试转台为一个二维转台。
如图4所示，是标定精跟踪快反镜与提前瞄准镜转换关系的示意图，发射支路激光先后通过提前瞄准机构、精跟踪快反镜，最后通过光学天线入射到镜头中，最终在探测器上呈现一个亮点，通过调整测试转台，可以使得光斑成像在探测器的中心点上。
具体实施方法：
(1)搭建图3环境，调整测试转台，使得光斑成像在探测器视场中心点附近。假设探测器分辨率为640*512，则中心点应在(320,256)附近。然后保持精瞄镜Y轴在零位，转动X轴，使得光斑坐标从一个边界挪动到另一个边界，同时记录快反镜x轴不同角度(θxi,θyo)下对应的相机中光斑坐标(xi,yi)；同理，对y轴也进行相同操作。然后计算得到快反镜x/y轴分别转动1urad对应相机中光斑坐标变动情况，得到公式：
式中，(Δx,Δy)为相机光斑变动像素值，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a1,b1,c1,d1为所求参数。
(2)搭建图4环境，使得通信终端内发射激光，通过调整测试转台，使得发射光斑在右侧探测器成像在视场中间；然后转动精跟踪快反镜x轴一定角度βx，然后转动提前瞄准镜的x轴与y轴，使得光斑仍然位于探测器视场中央，记录此时瞄准镜转动角度为(θT_x,θT_y)，根据记录信息，即可得到精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间x/y轴的角度，根据坐标旋转原理，可以得到二者之间坐标的等效转换关系；
式中，(ΔθT_x,ΔθT_y)为提前瞄准镜变动角度，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a2,b2,c2,d2为所求参数。
(3)根据上述两个步骤，就可以得到相机中光斑坐标变换与瞄准镜之间转换关系。
注意控制方向的问题，理论上假设设置光斑中心点变动数值为(Δx,Δy)，那么应该要求快反镜转动(Δθx,Δθy)，而为了保证发射支路光束方向不变，应该要求提前瞄准镜转动相反方向，所以应该转动具体可以根据实测验证。
(4)标定完各转换关系后，我们假设以通信中心点为圆心，以一定步长环绕圆心进行更改通信中心点。假设通过光学仿真后，满足光纤耦合效率为50％的信号接收视场为17urad，我们可以取三分之一左右为步长，假设为6urad，如果单个像素对应视场角为9urad，那么步长就为三分之二个像素。以中心点为(320,256)为例，暂定一周取八个点，那么形成的八个新点坐标分别为(320,255.3)、(320.471,255.529)、(320.667,256)、(320.471,256.471)、(320,256.667)、(319.529,256.471)、(319.333,256)、(319.529,255.529)。
(5)依次控制程序，将通信中心点改为以上八个数值，同时，主要，应该根据上述八个坐标对应的坐标差值变动，计算出对应的提前瞄准镜的角度，要求更改通信中心点指令与驱动提前瞄准镜指令同时下发，保证更改通信中心点的同时不改变发射支路的方向；假设精跟踪带宽为1000Hz，接收光放大的高速功率遥测频率为1500Hz，需要根据调试结果，合理分配每个中心坐标对应的停留时间，即确定同一个中心点对应的采集功率的个数，然后取平均值，分别记录为[P1,P2……P8]。
(6)得到测试数据以后，需要根据反馈的功率值计算得到更准确的通信中心点，通过更改通信中心点来达到提高光纤耦合精度的目的。计算公式如下：
其中，xi指每个中心点的x坐标，yi指每个中心点的y坐标，Pi为对应中心点所接收到的功率；
(7)计算完以后将通信中心点更换为(xnew,ynew)，重复步骤4-6，直到得到比较高的接收功率为止。
本发明的重点在于通过计算得到提前瞄准镜与探测器坐标之间的关系，从而实现在不增加章动偏转镜的基础上，实现对接收光路调整，同时不改变发射支路的目的，进而实现了对系统的简化。本实施例中(4)-(6)所提到的方式只是提供了一个简单的验证思路，对本发明并不起限定作用。
以上的本发明实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (3)
1.一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，其特征在于，其利用空间光通信系统中的提前瞄准镜、精跟踪快反镜以及探测器，设计协同工作方法，对光纤耦合效率进行改进，具体的步骤包括：
S1、根据光学系统，建立探测器坐标和提前瞄准镜之间的映射关系；
S2：对精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间转换关系的标定；
S3：建立相机中光斑坐标变换与提前瞄准镜之间关系；
S4：通过调整通信中心点，小幅度调整光纤耦合效果；
S5：按照一定时间间隔τ分别遍历修改通信中心点坐标，同时下发对应提前瞄准镜角度，确保不改变发射支路光路角度，通过接收的光纤功率，得到不同中心点坐标下的接收功率；
S6：将下一个中心点作为新的通信中心点，重复步骤S4与步骤S5，直到得到满意的光纤耦合效率；
所述步骤S1的具体过程包括：
P1：先测出精跟踪快反镜与探测器坐标之间、精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间转换关系，进而计算得到探测器坐标和提前瞄准镜之间的映射关系；
P2：对精跟踪快反镜与探测器坐标之间转换关系进行标定：
搭建测试环境，上电后，调整最下面测试转台，使得光斑成像在探测器的中心区域，然后控制精跟踪快反镜x轴，采取一定步长，遍历走过整个行程，同时记录快反镜x轴不同角度(θxi,θyo)下对应的相机中光斑坐标(xi,yi)；同理，对y轴也进行相同操作；然后计算得到快反镜x/y轴分别转动1urad对应相机中光斑坐标变动情况，得到公式：
式中，(Δx,Δy)为相机光斑变动像素值，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a1,b1,c1,d1为所求参数；
所述步骤S2的具体过程包括：
Q1：搭建标定环境，从激光通信终端发射激光，调整测试转台，使得发射光斑在右侧探测器成像在视场中间；
Q2：然后转动精跟踪快反镜x轴一定角度βx，然后转动提前瞄准镜的x轴与y轴，使得光斑仍然位于探测器视场中央，记录此时瞄准镜转动角度为(θT_x,θT_y)，根据记录信息，即可得到精跟踪快反镜与提前瞄准镜之间x/y轴的角度；
Q3：根据坐标旋转原理，得到二者之间坐标的等效转换关系；
式中，(ΔθT_x,ΔθT_y)为提前瞄准镜变动角度，(Δθx,Δθy)为精跟踪快反镜对应转动角度，a2,b2,c2,d2为所求参数。
2.根据权利要求1所述的一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，其特征在于：步骤S3的具体过程包括：
根据P2、Q3中得到的两个公式，获得到相机中光斑坐标变换与瞄准镜之间关系；
整理得到：
进而得到：
推导该过程目的是为了在改变相机中通信中心点坐标时，同时移动提前瞄准镜，确保在改变接收光路时，不改变发射支路角度。
3.根据权利要求2所述的一种应用于空间光通信的无章动镜的光纤章动耦合设计方法，其特征在于：步骤S5的具体过程包括：
H1：设通信中心点为(xc0,yc0)，以通信中心点(xc0,yc0)为中心，设置章动半径以及步长分别为ri与ρi，进而得到一圈中心点坐标[(x1,y1),(x2,y2)……(xn,yn)]，同时，根据当前提前瞄准镜的位置计算出对应的提前瞄准镜的角度[(γx1,γy1),(γx2,γy2)……(γxn,γyn)]；
H2：按照一定时间间隔τ分别遍历修改通信中心点坐标，同时下发对应提前瞄准镜角度，确保不改变发射支路光路角度，通过接收的光纤功率，得到不同中心点坐标下的接收功率；
这里假设共取n个点，不同中心点对应功率为[P1,P2……Pn]；通过n个点对应功率大小计算得到一个新的通信中心点矢量(xnew,ynew)，计算公式如下：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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