CN116015433A - 一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于快速反射镜的光束方向估计和调整方法。包括以下步骤：数据库建立，入射光束方向估计，出射光束方向调整。在准备阶段，根据反射镜系统的具体参数，收集不同反射镜角度下，入射光束方向和探测器内光斑坐标的映射关系建立数据库。数据库对应具体的反射镜系统，准备阶段只需进行一次。在入射光进入系统后，调整反射镜角度使出射光束能指向探测器视野内，根据反射镜角度和探测器内的光斑坐标查找数据库，完成入射光束方向的估计。根据入射光束方向，使用两个快速反射镜在水平和竖直方向上调整出射光束，实现光束的精细调整。

Description

一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法

技术领域

本发明属于短距离激光通信领域，尤其涉及一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法。

背景技术

在短距离激光通信中，信号光束往往不能以理想的角度到达接收端，从而导致接收信噪比的显著降低。针对这一问题，目前应用最多的解决方法是在接收器上加装辅助设备以实现光束方向的调整。常用的方案有透镜、MEMS微镜和光纤光栅等。

现有的相关技术在测量入射光束的方向时，一般采用2个及以上的位置敏感探测器。多个探测器反馈带来多维度的光束信息，从而确定光束的实际方向，以便后续的方向调整。这种方法尽管能保证一定的精度，但同时也增加了成本。

上述系统借助单透镜实现光束聚焦或透镜级联实现多维度的光束方向调整，也有采用微机电系统对反射镜精细控制从而调整光束，或使用光纤光栅根据光束的波长调整方向。为了实现良好的调整效果，这些系统对所需光学器件的精度有一定要求，并导致系统复杂且不易实现的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法,以解决现有方法成本高且系统复杂不易实现的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明的具体技术方案如下：

一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法，包括以下步骤：

步骤1、根据实际硬件对反射镜和探测器建模，确定具体参数；

反射镜包括第一反射镜y和第二反射镜x，以第一反射镜y中心点所在垂直方向为z轴，平行于第一反射镜y转轴方向为x轴，平行于第二反射镜x转轴方向为y轴建立坐标系；第一反射镜y中心点的坐标为p₁，第二反射镜x中心点的坐标为p₂，第一反射镜y法向量n₁由其旋转角度β,决定，第二反射镜x法向量n₂由其旋转角度α决定；

所述探测器是四象限探测器，p_d为探测器中心坐标，n_d为限探测器法向量；在此建模方式下，反射镜法向量表示为

入射光束方向向量未知，设为v₀＝(x₀,y₀,z₀)，则其两次反射光束的反射点和方向向量由以下光束反射公式迭代得到：

其中l_i是第i次反射的反射点坐标，v_i是第i次反射的反射光向量，n₁为第一反射镜y的法向量，n₂为第二反射镜x的法向量，p₁为第一反射镜y的中心点坐标，p₂为第二反射镜x的中心点坐标，(·)^T表示向量或矩阵的转置；

根据上述公式，可以得到第二次反射的反射点坐标和反射光向量v₂，从而得到探测器平面的光斑坐标为

步骤2、建立数据库；在确定第一反射镜y和第二反射镜x相对位置后，通过蒙特卡洛仿真，模拟不同反射镜角度(α,β)组合下，不同方向的入射光束轨迹:入射光向量v₀经过两次反射(v₁,v₂)后，与探测器平面交于点l_r:(x_r,y_r,z_r)；建立不同反射镜角度(α,β)组合下，入射光束方位角θ，俯仰角φ和光斑坐标(y_r,z_r)的映射关系

曲面函数h₁和h₂表示特定角度组合(α,β)下的拟合函数：

映射关系由拟合系数p_i,j,q_i,j(i＝0,1,...,5)表示，并储存在数据库中；

步骤3、在完成步骤1和2的准备工作后，实际系统以初始角度(α,β)＝(45°,45°)接收入射光；调整第一反射镜y和第二反射镜x的角度，出射光进行矩形螺旋线扫描以使光束照射到探测器视野内；根据此时反射镜的角度组合(α₁,β₁)和探测器光斑坐标反馈(x_r1,y_r1)，查找数据库对应曲面，获得入射光束方位角和俯仰角的估计值

这里(α₁,β₁)是用于搜寻数据库的索引。

步骤4、根据入射光束角度估计值

以及步骤1中的光束反射公式

调整反射镜角度α和β，实现精准调整出射光方向。

进一步的，步骤4中入射光束表示为

为将出射光束调整至垂直于探测器平面的方向，由以下两步得到第一反射镜y和第二反射镜x的所需角度：

步骤4.1、求解方程

得到使第一次反射光竖直向下的第一反射镜y角度β′；

步骤4.2、求解方程

得到使出射光束垂直于探测器平面的第二反射镜x角度α′，其中

最后将第一反射镜y旋转至角度β′，第二反射镜x旋转至角度α′。这里(α′,β′)是调整的目标角度。

本发明的一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法，具有以下优点：

(1)相比于部分需要多个探测器的光束估计系统，本发明采用单个四象限探测器即可实现对入射光束方向的估计。

(2)借助两个快速反射镜，可以在水平和竖直两个方向上调整光束。并且由于反射镜角度可以精准控制，因此对光束的调整也更加精细。

附图说明

图1为本发明光束估计和调整方法流程图；

图2为本发明反射镜系统建模图；

图3为本发明反射镜角度组合(α,β)＝(42°,54°)下，入射光方位角和光斑坐标映射关系图；

图4为本发明出射光矩形螺旋扫描示意图。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的目的、结构及功能，下面结合附图，对本发明一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法做进一步详细的描述。

一种基于快速反射镜的光束方向估计和调整方法，包括以下步骤：

步骤1、根据实际硬件对反射镜和探测器建模，确定具体参数；

反射镜包括第一反射镜y和第二反射镜x，如图2所示，以第一反射镜y中心点所在垂直方向为z轴，平行于第一反射镜y转轴方向为x轴，平行于第二反射镜x转轴方向为y轴建立坐标系；第一反射镜y中心点的坐标为p₁，第二反射镜x中心点的坐标为p₂，第一反射镜y法向量n₁由其旋转角度β,决定，第二反射镜x法向量n₂由其旋转角度α决定；

所述探测器是四象限探测器，p_d为探测器中心坐标，n_d为限探测器法向量；在此建模方式下，反射镜法向量表示为

入射光束方向向量未知，设为v₀＝(x₀,y₀,z₀)，则其两次反射光束的反射点和方向向量由以下公式迭代得到：

其中l_i是第i次反射的反射点坐标，v_i是第i次反射的反射光向量，n₁为第一反射镜y的法向量，n₂为第二反射镜x的法向量，p₁为第一反射镜y的中心点坐标，p₂为第二反射镜x的中心点坐标，(·)^T表示向量或矩阵的转置；

根据上述公式，可以得到第二次反射的反射点坐标和反射光向量v₂，从而得到探测器平面的光斑坐标为

步骤2、建立数据库；在确定第一反射镜y和第二反射镜x相对位置后，通过蒙特卡洛仿真，模拟不同反射镜角度(α,β)组合下，不同方向的入射光束轨迹:入射光向量v₀经过两次反射(v₁,v₂)后，与探测器平面交于点l_r:(x_r,y_r,z_r)；建立不同反射镜角度(α,β)组合下，入射光束方位角θ，俯仰角φ和光斑坐标(y_r,z_r)的映射关系

曲面函数h₁和h₂表示特定角度组合(α,β)下的五次拟合函数；如图3，映射关系由拟合曲面表示，并储存在数据库中；

步骤3、在完成步骤1和2的准备工作后，实际系统以初始角度(α,β)＝(45°,45°)接收入射光；如图4所示，调整第一反射镜y和第二反射镜x的角度，出射光进行矩形螺旋线扫描以使光束照射到探测器视野内；根据此时反射镜的角度组合(α',β')和探测器光斑坐标反馈(x_r',y_r')，查找数据库对应曲面，获得入射光束方位角和俯仰角的估计值

步骤4、根据入射光束角度估计值

以及步骤1中的光束反射公式，调整反射镜角度(α,β)，实现精准控制出射光方向。

以图2中实际系统为例，两个反射镜的尺寸均为1.7cm×3cm，反射镜中心水平距离0.1cm，竖直距离3cm。使用有效半径1.5cm的摄像头作为探测器，中心正对反射镜x中心，距离为4cm。

具体光束估计和调整流程如下：

步骤1、根据实际系统参数，反射镜中心坐标分别为

探测器中心坐标为p_d:(-4,0,1.35)。

步骤2、在入射光束已实现初步对准的条件下，入射点l₁与反射镜y的中心p₁十分靠近。通过蒙特卡洛仿真，模拟不同反射镜角度(α,β)组合下，不同方向的入射光束轨迹。两个反射镜角度范围均为30°～60°，以0.5°递增。模拟的入射光向量v₀的方位角和俯仰角范围均为-20°～20°，经过两次反射v₁,v₂后，与探测器平面交于点l_r:(x_r,y_r,z_r)。建立不同反射镜角度(α,β)组合下，入射光束方位角俯仰角(θ,φ)和光斑坐标(y_r,z_r)的映射关系

共计3722个拟合曲面，储存在数据库中。

步骤3、对于满足方位角和俯仰角在范围内的入射光束，反射镜按照0.5°为步长旋转，使出射光(v₂)执行矩形螺旋扫描。反射镜旋转服从规律：

(45°,45°)→(45°,45.5°)→(44.5°,45.5°)→(44.5°,45°)→(44.5°,44.5°)...当光束指向摄像头，视野内出现光斑后，反射镜停止，记录此时反射镜角度组合(α₁,β₁)和光斑反馈坐标(y_r1,z_r1)。按照角度组合(α₁,β₁)为索引查找数据库，获得该组合下的拟合曲面

代入光斑坐标(y_r1,z_r1)，得到入射光束方位角和俯仰角估计值

步骤4、在已有入射光束角度

后，入射光束可表示为

根据步骤1中建模，为将出射光束调整至垂直于探测器平面的方向，可以由以下两步得到反射镜y和x的所需角度：

a.求解方程

得到使第一次反射光竖直向下的y反射镜角度β′

b.求解方程

得到使出射光束垂直于探测器平面的x反射镜角度α′，其中

最后，将反射镜x,y旋转至角度α′,β′即可实现预期的调整效果。

可以理解，本发明是通过一些实施例进行描述的，本领域技术人员知悉的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以对这些特征和实施例进行各种改变或等效替换。另外，在本发明的教导下，可以对这些特征和实施例进行修改以适应具体的情况及材料而不会脱离本发明的精神和范围。因此，本发明不受此处所公开的具体实施例的限制，所有落入本申请的权利要求范围内的实施例都属于本发明所保护的范围内。

Claims (2)

1.一种基于快速反射镜的光束估计和调整方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、根据实际硬件对反射镜和探测器建模，确定具体参数；

反射镜包括第一反射镜y和第二反射镜x，以第一反射镜y中心点所在垂直方向为z轴，平行于第一反射镜y转轴方向为x轴，平行于第二反射镜x转轴方向为y轴建立坐标系；第一反射镜y中心点的坐标为p₁，第二反射镜x中心点的坐标为p₂，第一反射镜y法向量n₁由其旋转角度β,决定，第二反射镜x法向量n₂由其旋转角度α决定；

所述探测器是四象限探测器，p_d为探测器中心坐标，n_d为限探测器法向量；在此建模方式下，反射镜法向量表示为

入射光束方向向量未知，设为v₀＝(x₀,y₀,z₀)，则其两次反射光束的反射点和方向向量由以下光束反射公式迭代得到：

其中l_i是第i次反射的反射点坐标，v_i是第i次反射的反射光向量，n₁为第一反射镜y的法向量，n₂为第二反射镜x的法向量，p₁为第一反射镜y的中心点坐标，p₂为第二反射镜x的中心点坐标，(·)^T表示向量或矩阵的转置；

根据上述公式，可以得到第二次反射的反射点坐标和反射光向量v₂，从而得到探测器平面的光斑坐标为

步骤2、建立数据库；在确定第一反射镜y和第二反射镜x相对位置后，通过蒙特卡洛仿真，模拟不同反射镜角度(α,β)组合下，不同方向的入射光束轨迹:入射光向量v₀经过两次反射(v₁,v₂)后，与探测器平面交于点l_r:(x_r,y_r,z_r)；建立不同反射镜角度(α,β)组合下，入射光束方位角θ，俯仰角φ和光斑坐标(y_r,z_r)的映射关系

曲面函数h₁和h₂表示特定角度组合(α,β)下的拟合函数：

映射关系由拟合系数p_i,j,q_i,j(i＝0,1,...,5)表示，并储存在数据库中；

步骤3、在完成步骤1和2的准备工作后，实际系统以初始角度(α,β)＝(45°,45°)接收入射光；调整第一反射镜y和第二反射镜x的角度，出射光进行矩形螺旋线扫描以使光束照射到探测器视野内；根据此时反射镜的角度组合(α₁,β₁)和探测器光斑坐标反馈(x_r1,y_r1)，查找数据库对应曲面，获得入射光束方位角和俯仰角的估计值

步骤4、根据入射光束角度估计值

以及步骤1中的光束反射公式

调整反射镜角度α和β，实现精准调整出射光方向。

2.根据权利要求1所述的基于快速反射镜的光束估计和调整方法，其特征在于，步骤4中入射光束表示为

为将出射光束调整至垂直于探测器平面的方向，由以下两步得到第一反射镜y和第二反射镜x的所需角度：

步骤4.1、求解方程

得到使第一次反射光竖直向下的第一反射镜y角度β′；

步骤4.2、求解方程

得到使出射光束垂直于探测器平面的第二反射镜x角度α′，其中

最后将第一反射镜y旋转至角度β′，第二反射镜x旋转至角度α′。

Images