CN115333633B - 一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法及装置，解决了现有采用单CCD的跟踪系统的光束跟踪控制精度不高的问题，属于空间激光通信领域。本发明应用于采用单CCD的跟踪系统，包括：辨识粗跟踪系统的旋转矩阵K₁和精跟踪系统的旋转矩阵K₂；测量跟踪时CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real；将ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令，输入至PID1控制器，使精瞄镜偏转相应角度；再将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵转换为伺服电机指令，输入至PID2控制器；同时，将ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令，输入至PID3控制器，PID2控制器及PID3控制器共同使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动。

Description

一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法及装置

技术领域

本发明涉及一种针对空间激光通信跟踪过程中光束精确控制方法，属于空间激光通信领域。

背景技术

在空间激光通信链路建立后，为保证链路的稳定性，需要将发射终端的光束始终控制在接收终端探测器的视域范围中心(CCD光敏面中心)，这一过程即为跟踪过程。激光通信终端对通信光束精确和快速的跟踪能力取决于终端自身所拥有的跟踪系统，即粗跟踪系统和精跟踪系统，如图1所示。粗跟踪系统是由万向支架、伺服电机、光学望远镜和高速CCD组成的光束控制系统，其优点是转动范围大，缺点是控制带宽和转动精度较低。精跟踪系统的组成部分为精瞄镜、高速CCD和控制器，其控制频率和偏转角度精度较高、响应快，但其转动范围非常小，仅在毫弧度量级。在跟踪过程中，粗跟踪系统和精跟踪系统相互协同配合，同时进行工作来完成对光束的控制，使得光斑稳定地处于CCD中心。

在实际工程应用中，粗跟踪系统和精跟踪系统的相互配合方式如图1中黑色实线所示，该系统中的粗跟踪系统和精跟踪系统共用一个CCD，其相应的控制框图如图2所示。在跟踪过程中，当接收光束的入射角度发生变化时，光斑在CCD光敏面上的坐标也会产生相应改变，此时把光斑位置偏移量(光斑坐标与CCD中心坐标的差值)经过旋转矩阵K₂(精跟踪系统的旋转矩阵)转换成精瞄镜的指令，使其偏转相应角度，从而让光斑始终稳定在CCD中心。与此同时，精瞄镜偏转量经过旋转矩阵转换为伺服电机指令，伺服电机进行转动，使得精瞄镜始终处于舒适的工作状态。此种跟踪模式容易受PID参数和外界干扰的影响，从而使得光束的控制精度降低。为了提高光束控制精度，最常用的方法是采用双CCD对光束进行跟踪控制，如图1所示，CCD分为精跟踪CCD 9和粗跟踪CCD 10。在此跟踪模式中，粗跟踪系统和精跟踪系统独立工作，互不影响，其相应的控制框架如图3所示。双CCD跟踪方法虽然提升了光束控制精度，但其额外分出了一束光路，使得信号解调时光强减弱，不利于信息的传输，且由于硬件的增加，通信终端的制造成本也随之上升。

发明内容

针对现有采用单CCD的跟踪系统的光束跟踪控制精度不高的问题，本发明提供一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法及装置。

本发明的一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法，应用于采用单CCD的跟踪系统，所述方法包括：

S1、辨识粗跟踪系统的旋转矩阵K₁和精跟踪系统的旋转矩阵K₂；

S2、测量跟踪时CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real；

S3、将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令，并输入至PID1控制器，PID1控制器使精瞄镜偏转相应角度；再将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵转换为伺服电机指令，并输入至PID2控制器；同时，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令，并输入至PID3控制器，PID2控制器及PID3控制器共同使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动。

作为优选，S1中，获取粗跟踪系统中伺服电机的转动变化量ΔCM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；

ΔCM＝K₁ΔCCD，利用ΔCM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₁。

作为优选，S1中，获取精跟踪系统中精瞄镜的偏转角度ΔJM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；

ΔJM＝K₂ΔCCD，利用ΔJM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₂。

本实施方式还提供一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制装置，用于控制采用单CCD的跟踪系统，所述控制装置包括PID1控制器、PID2控制器和PID3控制器；

将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令；

PID1控制器，与跟踪系统的精瞄镜连接，用于根据精瞄镜指令使精瞄镜偏转相应角度；

将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵转换为伺服电机指令1，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令2；

PID2控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令1获取驱动量1；

PID3控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令2获取驱动量2；

伺服电机根据驱动量1和驱动量2之和进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动，使光斑始终稳定在CCD中心。

本发明的有益效果，本发明改变单CCD的跟踪模式，有效提升光束跟踪控制精度，使得光斑始终精准稳定在CCD中心，且保留了原有光路中的光强大小，有效提高通信链路的稳定性，并通过降低通信误码率提升通信质量。

附图说明

图1为激光通信终端的粗跟踪系统和精跟踪系统结构示意图，万向支架1，望远镜2，次镜3，主镜4，折返透镜5，精瞄镜6，接收机7，折返透镜8，精瞄CCD 9，粗瞄CCD10；

图2为传统单CCD跟踪方式原理示意图；

图3为传统双CCD跟踪方式原理示意图；

图4为本发明单CCD跟踪方式原理示意图；

图5为传统单CCD跟踪方式和本发明跟踪方式的跟踪误差图，其中(a)为均方根误差，(b)为跟踪最大误差。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施方式的光束跟踪控制方法是当采用单CCD跟踪方式时，粗跟踪时CCD的光斑位置偏差(理论计算值)等于此时精瞄镜偏转角度所造成的光斑位置偏差与CCD实际光斑位置偏差之和：

ΔCCD_CM＝ΔCCD_bias+ΔCCD_real

其中，ΔCCD_CM表示粗跟踪时CCD光斑位置偏差计算值，ΔCCD_bias表示精瞄镜偏转角度所造成的光斑位置偏差，ΔCCD_real表示CCD实际光斑位置偏差。

伺服电机应转动的角度指令为：

从上式中的第一项和第二项中可以发现，伺服电机转动指令应与精瞄镜的偏转角度和CCD实际光斑位置偏差有关系。所以本实施方式提出的光束跟踪控制框图如图4所示，对于精跟踪系统来说，当接收光束的入射角度发生变化时，光斑在CCD光敏面上的坐标也会产生相应改变，此时把CCD实际光斑位置偏差经过旋转矩阵K₂转换为精瞄镜指令，通过PID1控制器使其偏转相应角度，从而让光斑始终稳定在CCD中心。对于粗跟踪系统来说，精瞄镜偏转量经过旋转矩阵转换成伺服电机指令，且CCD实际光斑位置偏差经过旋转矩阵K₁转换成伺服电机指令，两指令分别经过PID2控制器和PID3控制器，其两者之和驱动伺服电机进行转动。

本实施方式的一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法，包括：

步骤1、辨识粗跟踪系统的旋转矩阵K₁和精跟踪系统的旋转矩阵K₂；

步骤2、测量跟踪时CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real；

步骤3、将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令，并输入至PID1控制器，PID1控制器使精瞄镜偏转相应角度；再将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵转换为伺服电机指令，并输入至PID2控制器；同时，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令，并输入至PID3控制器，PID2控制器及PID3控制器共同使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动。

本发明光束控制方法，使用单个CCD就可近似达到使用双CCD的跟踪精度。本发明提出的光束跟踪控制框图如图4所示，对于精跟踪系统来说，当接收光束的入射角度发生变化时，光斑在CCD光敏面上的坐标也会产生相应改变，此时把光斑位置偏移量经过旋转矩阵K₂转换为精瞄镜指令，通过PID1控制器使其偏转相应角度，从而让光斑始终稳定在CCD中心。对于粗跟踪系统来说，精瞄镜偏转量经过旋转矩阵转换成伺服电机指令，且CCD实际光斑位置偏差经过旋转矩阵K₁转换成伺服电机指令，两指令分别经过PID2控制器和PID3控制器，其两者之和驱动伺服电机进行转动。本发明的光束跟踪控制方法具体实施步骤如下：

步骤1中，获取粗跟踪系统中伺服电机的转动变化量ΔCM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD，

ΔCM与ΔCCD之间的旋转关系可表示为ΔCM＝K₁ΔCCD，利用ΔCM和ΔCCD辨识出旋转矩阵

步骤1中，获取精跟踪系统中精瞄镜的偏转角度ΔJM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD，ΔJM与ΔCCD之间的旋转关系可表示为ΔJM＝K₂ΔCCD，利用ΔJM和ΔCCD辨识出旋转矩阵/>

本实施方式对光束进行更加精准的跟踪控制，即把光斑始终稳定在CCD中心，本实施方式采用新型光束跟踪控制方法，结合单CCD跟踪和双CCD跟踪方法两者的优点，有效提升了光束跟踪控制精度，使得光斑始终精准稳定在CCD中心，且保留了原有光路中的光强强弱，有效的提高了通信链路的稳定性，提升了通信质量。

当接收光束的入射角度以一定的速率变化时，跟踪结果如图5所示，从均方根误差和最大跟踪误差层面来说，其光束跟踪控制精度得到了显著的提升。

本实施方式还提供一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制装置，用于控制采用单CCD的跟踪系统，包括PID1控制器、PID2控制器和PID3控制器；

将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令；

PID1控制器，与跟踪系统的精瞄镜连接，用于根据精瞄镜指令使精瞄镜偏转相应角度；

将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵转换为伺服电机指令1，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令2；

PID2控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令1使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动；

PID3控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令2使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动。

本实施方式的光束控制装置的原理与上述光束控制方法相同。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制方法，所述方法应用于采用单CCD的跟踪系统，其特征在于，所述方法包括：

S1、辨识粗跟踪系统的旋转矩阵K₁和精跟踪系统的旋转矩阵K₂；

S2、测量跟踪时CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real；

S3、将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令，并输入至PID1控制器，PID1控制器使精瞄镜偏转相应角度；再将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵K₁K₂ ^-1转换为伺服电机指令，并输入至PID2控制器；同时，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令，并输入至PID3控制器，PID2控制器及PID3控制器共同使伺服电机进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动；

S1中，获取粗跟踪系统中伺服电机的转动变化量ΔCM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；

ΔCM＝K₁ΔCCD，利用ΔCM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₁；

S1中，获取精跟踪系统中精瞄镜的偏转角度ΔJM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；

ΔJM＝K₂ΔCCD，利用ΔJM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₂。

2.一种空间激光通信跟踪过程中的光束控制装置，所述控制装置用于控制采用单CCD的跟踪系统，所述控制装置包括PID1控制器、PID2控制器和PID3控制器；

获取粗跟踪系统中伺服电机的转动变化量ΔCM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；ΔCM＝K₁ΔCCD，利用ΔCM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₁；

获取精跟踪系统中精瞄镜的偏转角度ΔJM，得到CCD中光斑坐标的相应变化量ΔCCD；ΔJM＝K₂ΔCCD，利用ΔJM和ΔCCD辨识出旋转矩阵K₂；

将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₂转换成精瞄镜指令；

PID1控制器，与跟踪系统的精瞄镜连接，用于根据精瞄镜指令使精瞄镜偏转相应角度；

将精瞄镜偏转的角度经过旋转矩阵K₁K₂ ^-1转换为伺服电机指令1，将CCD实际光斑位置偏差ΔCCD_real经过旋转矩阵K₁转换为伺服电机指令2；

PID2控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令1获取驱动量1；

PID3控制器，与伺服电机连接，用于根据伺服电机指令2获取驱动量2；

伺服电机根据驱动量1和驱动量2之和进行转动，伺服电机带动跟踪系统转动，使光斑始终稳定在CCD中心。