CN115342831A

CN115342831A - 一种光束指向主动修正系统及方法

Info

Publication number: CN115342831A
Application number: CN202210821695.4A
Authority: CN
Inventors: 林栩凌; 吴铠岚; 吴金贵; 郭忠凯; 王芸; 彭博; 谈宜东; 王小勇; 郑永超
Original assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Current assignee: Beijing Institute of Space Research Mechanical and Electricity
Priority date: 2022-07-12
Filing date: 2022-07-12
Publication date: 2022-11-15

Abstract

一种光束指向主动修正系统及方法，针对空间激光干涉测量任务中光束指向偏移的问题，属于空间激光干涉技术领域。本发明提出将四象限探测器测与压电陶瓷驱动相结合的光束指向主动修正方法，通过四象限探测器测得差分波前相位探测信号，借此反馈调节由压电陶瓷驱动的快反镜，进而达到修正光束指向的目的。该方法在保证测量精度的同时，稳定性更高，噪声更低，有效地降低了光束指向变化给测量结果带来的影响。

Description

一种光束指向主动修正系统及方法

技术领域

本发明涉及一种应用于空间激光干涉测量任务的精密指向修正系统，特别是一种光束指向主动修正系统及方法，属于空间激光干涉技术领域。

背景技术

在当前空间激光干涉测量任务中，常采用编队飞行的卫星组成的星座实现测量；又因为空间激光干涉测量往往有着较高的测量精度要求，因此对于稳定性有着较为苛刻的要求。倾斜-位移耦合噪声是众多影响测量精度因素中权重最大的几项之一，它是空间长基线激光干涉测量中除散粒噪声外的第二大噪声来源，会造成光束指向偏移。

传统的指向角度修正主要采取在航天器上安装可移动的子光学平台，依靠移动光学平台的方向来达到指向角度修正的目的。该方法能在一定程度上补偿指向偏移，但缺点在于修正精度不够高，且需要更高的能耗；此外，常借助成像系统来降低倾斜-位移耦合噪声，利用二透镜或四透镜系统，抑制光束在探测器上的偏移，聚焦光束以提高光拍功率，但该方法需要额外添加多组透镜系统，额外元件的加入可能会降低测量系统对于外界影响的应对能力。

发明内容

本发明解决的问题是：克服现有技术上的不足，提出一种光束指向主动修正方法及系统，设计了四象限探测器测角与压电陶瓷驱动相结合的主动指向修正模式，用于环境扰动、元件错位等引起的光束指向偏移的补偿修正，能够有效地降低指向偏移给测量结果带来的影响。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种光束指向主动修正系统，用于对空间激光进行指向角度修正，所述光束指向主动修正系统包括光束传输通道、控制器、压电陶瓷、相位计、本地激光器；

所述本地激光器发射本地激光；

所述光束传输通道接收所述激光光束和所述本地激光，经过对所述激光光束进行反射分束处理，对所述本地激光进行分束处理后，分束后的光束传输至四象限探测器，并在在四象限探测器表面发生干涉；

所述四象限探测器将干涉产生的光拍信号转变为光电流信号；

所述相位计对所述四象限探测器输出的光电流信号进行鉴相处理，输出所述四象限探测器上四个象元各自接收光拍信号的相位值；

所述控制器根据所述相位计输出的相位值，控制所述压电陶瓷，所述压电陶瓷控制光束传输通道的传输路径。

优选的，所述光束传输通道包括望远镜、快反镜Ⅰ、快反镜Ⅱ、分束镜Ⅰ、分束镜Ⅱ；

所述望远镜用于接收远端卫星发射的激光光束，并将激光光束射向所述快反镜Ⅰ；

所述快反镜Ⅰ反射从所述望远镜射来的激光光束，所述快反镜Ⅱ反射所述快反镜Ⅰ射来的光束；

所述分束镜Ⅰ对所述快反镜Ⅱ反射的光束进行分束处理；所述分束镜Ⅱ对经所述分束镜Ⅰ透射的光束再次分束，分束后的任一束光束入射所述四象限探测器；所述分束镜Ⅱ对本地激光进行分束，分束后的任一束光束入射所述四象限探测器。

优选的，所述压电陶瓷控制快反镜Ⅰ和快反镜Ⅱ转动，实现对光束传输通道的传输路径控制。

优选的，还包括另一个四象限探测器，记为四象限探测器Ⅱ，将所述分束镜Ⅱ对经所述分束镜Ⅰ透射的光束再次分束后的另一光束入射所述四象限探测器Ⅱ，所述分束镜Ⅱ对本地激光进行分束后的另一光束入射所述四象限探测器Ⅱ；

所述四象限探测器Ⅱ接收上述两个光束发生干涉后生成的光拍信号，输出光电流信号至所述相位计。

一种光束指向主动修正方法，利用上述的一种光束指向主动修正系统进行光路指向修正，包括：

(1)远端卫星持续发射激光光束，本地激光器持续发射本地激光；

(2)控制器接收相位计输出的四象限探测器上四个象元各自接收光拍信号的相位值，计算得到差分波前相位探测信号；

(3)若所述差分波前相位探测信号等于零，望远镜接收的激光光束未发生指向偏差，无需指向修正；若所述差分波前相位探测信号不为零，根据此信号计算望远镜所接收的激光光束的角度偏移量，并将角度偏移量反馈至压电陶瓷，压电陶瓷控制快反镜Ⅰ和快反镜Ⅱ转动，重复步骤(2)(3),直至差分波前相位探测信号等于零。

优选的，所述步骤(2)中，所述差分波前相位探测信号计算方法如下：

所述差分波前相位探测信号的水平信号为四象限探测器左侧相位平均值与右侧相位平均值之差，所述差分波前相位探测信号的竖直信号为四象限探测器上侧相位平均值与下侧相位平均值之差；

只有当所述水平信号与所述竖直信号均为零时，所述差分波前相位探测信号为零，否则所述差分波前相位探测信号不为零。

优选的，所述步骤(3)中，所述差分波前相位探测信号不为零时，四象限探测器接收到的光拍信号相位，与差分波前相位探测信号为零时四象限探测器接收到的光拍信号相位Φ₀相比，存在的相位差δΦ；

分别为远端卫星发射光束和本地激光光束的初始相位，λ为激光波长，ΔL为上述两束光束的光程差，

ΔL均为已知值；

计算望远镜所接收激光光束的角度偏移量δθ：

其中：

其中，θ₀为装调引起的静态指向偏移；F为波前畸变造成的额外光程变化,并在泽尼克多项式上展开；a为望远镜口径半径；

为泽尼克多项式的径向部分，

n，l为任意正整数或0，用于表征

项数；

为望远镜出瞳处横截面极坐标。

优选的，四象限探测器接收到的光拍信号相位值为四个象元各自接收光拍信号的相位值的平均值。

优选的，测量倾斜-位移耦合噪声：

计算轴向光程信号ΔLPS

通过计算

得到光束指向抖动与测量光程结果的倾斜-位移耦合噪声。

优选的，所述步骤(3)中，将得到的所述角度偏移量输入PID控制算法，得到的结果作为压电陶瓷的驱动输入。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提出的光束指向主动修正系统，通过四象限探测器获得差分波前相位探测信号，以监控入射光束的偏移情况，并将所得结果反馈至快反镜，借助压电陶瓷控制镜面转动，以此实现改变光束传播方向，有效降低指向偏移给测量结果带来的倾斜—位移耦合噪声，且能够很好的满足空间测量任务对于精度和稳定性的要求。

(2)本发明提出的光束指向主动修正系统，所需光学元件少，成本低，能够在低能耗的前提下达到对于指向角度修正的目的。系统可安装在光学平台之上，使整体结构更为紧凑稳定。

(3)本发明提出的光束指向主动修正方法，与现有技术相比，经过光束指向修正后，光束指向偏移小于1×10^-8rad，满足任务需求。

附图说明

图1为本发明一种光束指向主动修正系统实施例的光路示意图；

图2为本发明一种光束指向主动修正方法实施例的流程图。

具体实施方法

为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的解释说明，且实施例不构成对本发明实施例的限定。

本发明设计了一种光束指向主动修正系统及方法，通过基于四象限探测器的负反馈控制，达到补偿光束指向抖动的目的。

其中，本发明提出的一种光束指向主动修正系统由望远镜、两个快反镜、两个分束镜、四象限探测器、控制器、压电陶瓷、相位计、本地激光器组成，通过结合四象限探测器和两面快反镜，可以在四象限探测器高精度测量偏移角度的基础上，控制两面快反镜同时在各自方位、俯仰自由度上快速调节光束指向，在尽可能降低元件使用数量的同时高效、高精度的修正光束指向偏移，补偿指向抖动给测量结果带来的误差。为了进一步减小系统误差，进一步提高指向修正精度，还可以在上述系统的基础上增加四象限探测器。此外，此四象限探测器还可作为备用探测器，当原有四象限探测器故障时则用新增加的四象限探测器继续测量。

图1为本发明一种光束指向主动修正系统的实施例。如图1所示，此系统包括望远镜、快反镜Ⅰ(即图1中的快反镜1)、快反镜Ⅱ(即图1中的快反镜2)、分束镜Ⅰ(即图1中的分束镜1)、分束镜Ⅱ(即图1中的分束镜2)、四象限探测器(即图1中的四象限探测器1)、四象限探测器Ⅱ(即图1中的四象限探测器2)、控制器、压电陶瓷、相位计、本地激光器。结合图2的主动指向修正方法，进行具体介绍：

(1)望远镜用于接收远端卫星发射的激光光束，并将激光光束射向快反镜Ⅰ，接收到的激光光束频率为f₁。本地激光器用于发射本地激光，本地激光频率为f₂。

(2)快反镜Ⅰ反射从望远镜射来的激光光束，快反镜Ⅱ反射所述快反镜Ⅰ射来的光束。两面快反镜皆由压电陶瓷控制方位、俯仰自由度。

分束镜Ⅰ对快反镜Ⅱ反射的光束进行分束处理，透射光进入后续测量光路，反射光入射分束镜Ⅱ。分束镜Ⅱ再次分束，分束后的任一束光束入射四象限探测器，另一束光束入射四象限探测器Ⅱ。分束镜Ⅱ还对入射的本地激光进行分束，分束后的任一束光束入射四象限探测器，另一束光束入射四象限探测器Ⅱ。

(3)由于卫星间相对运动会导致多普勒频移，入射四象限探测器的两束光束存在频差Δf＝f₁-f₂，两束光束发生外差干涉，产生光拍信号。同样，入射四象限探测器Ⅱ的两束光束也发生干涉产生光拍信号。

(4)四象限探测器、四象限探测器Ⅱ分别接收光拍信号，分别输出光电流信号至相位计。相位计对光电流信号进行鉴相处理，输出四象限探测器上四个象元各自接收光拍信号的相位值、四象限探测器Ⅱ上四个象元各自接收光拍信号的相位值。

控制器对两个四象限探测器的相位值分别计算，分别得到差分波前相位探测信号：

针对于四象限探测器，所得的差分波前相位探测信号1的水平信号为四象限探测器左侧相位平均值与右侧相位平均值之差，所述差分波前相位探测信号1的竖直信号为四象限探测器上侧相位平均值与下侧相位平均值之差；

针对于四象限探测器Ⅱ，所得的差分波前相位探测信号2的水平信号为四象限探测器Ⅱ左侧相位平均值与右侧相位平均值之差，所述差分波前相位探测信号2的竖直信号为四象限探测器Ⅱ上侧相位平均值与下侧相位平均值之差。

(5)只有当两个差分波前相位探测信号的水平信号与竖直信号均为零时，表明望远镜接收的激光光束指向正确，经快反镜Ⅰ透射的光束为发生偏移，可以准确用于后续测量任务。

否则，只要两个差分波前相位探测信号的水平信号与竖直信号有不为零的情况，表明望远镜接收的激光光束出现指向抖动，需要进行修正处理：

(51)计算四象限探测器、四象限探测器Ⅱ接收的光拍信号的角度Φ₁、Φ₂，Φ₁、Φ₂分别为四象限探测器、四象限探测器Ⅱ的各自四个象元相位的平均值。

将Φ₁与差分波前相位探测信号为零时四象限探测器接收到的光拍信号相位相比，得到差值δΦ₁；将Φ₂与差分波前相位探测信号为零时四象限探测器Ⅱ接收到的光拍信号相位相比，得到差值δΦ₂。其中，差分波前相位探测信号为零时四象限探测器、四象限探测器Ⅱ接收到的光拍信号相位均为Φ₀

其中

分别为远端卫星发射光束和本地激光光束的初始相位，λ＝1064nm，ΔL为远端卫星发射光束和本地激光光束之间的光程差，远端卫星发射光束和本地激光光束的光程与卫星间距和光学平台具体设计有关，

ΔL均为已知值。

(52)取δΦ₁、δΦ₂的平均值做为光拍信号的角度差值δΦ，计算望远镜接收的激光光束偏移角度值δθ：

其中：

为泽尼克多项式的径向部分，

n，l为任意正整数或0，用于表征

项数；

为望远镜出瞳处横截面极坐标。

(53)控制器将计算得到的偏移角度值δθ，输入PID控制算法，将此算法的计算结果控制压电陶瓷驱动，用于控制快反镜Ⅰ和快反镜Ⅱ的转动，由此建立基于四象限探测器反馈的闭环系统。通过调节快反镜Ⅰ、快反镜Ⅱ的二维转动，调节接收光束的传播方向，直到使两个差分波前相位探测信号的水平信号与竖直信号均为零时，实现光束指向修正，修正后的光束指向偏移可以达到小于1×10^-8rad的高精度水平。

另外，可以得到倾斜-位移耦合噪声：

计算轴向光程信号ΔLPS：

通过计算

得到光束指向抖动与测量光程结果的倾斜-位移耦合噪声。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。