CN116566493A - 一种基于单相机的激光通信终端 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光通信技术领域，提供了一种基于单相机的激光通信终端，包括望远镜、分光组件和相机模块，所述望远镜用于接收激光，并对接收的激光进行收束，所述分光组件用于将来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光传输至所述相机模块，所述相机模块用于根据来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光进行成像，其中，来自自由空间的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现粗跟踪，所述望远镜收束的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现精跟踪。本发明能够通过单相机实现粗跟踪和精跟踪功能，结构简单，成本较低。

Description

一种基于单相机的激光通信终端

技术领域

本发明涉及激光通信技术领域，具体涉及一种基于单相机的激光通信终端。

背景技术

典型的空间激光通信系统的详细工作流程应为初始视轴指向、捕获、粗跟踪、精跟踪、精密瞄准，简称捕获、跟踪、对准（Acquisition，Tracking and Pointing-ATP）。传统的ATP系统使用一个大视场的粗跟踪相机和一个高分辨率的精跟踪相机完成捕获和跟踪，这种双相机的结构不利于小型化设计，而且成本较高。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了一种基于单相机的激光通信终端，能够通过单相机实现粗跟踪和精跟踪功能，结构简单，成本较低。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于单相机的激光通信终端，包括望远镜、分光组件和相机模块，所述望远镜用于接收激光，并对接收的激光进行收束，所述分光组件用于将来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光传输至所述相机模块，所述相机模块用于根据来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光进行成像，其中，来自自由空间的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现粗跟踪，所述望远镜收束的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现精跟踪。

在本发明的一个实施例中，所述分光组件和/或所述相机模块还用于在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

在本发明第一方面的实施例中，所述分光组件包括分光片和遮光片，通过打开所述遮光片以使来自自由空间的激光经过所述分光组件进入所述相机模块实现粗跟踪，在精跟踪工作后，关闭遮光片，排除粗跟踪光斑的干扰。

在本发明第二方面的实施例中，所述分光组件包括分光片，通过采用预设分光比例的所述分光片，使精跟踪的跟踪灵敏度优于粗跟踪的跟踪灵敏度，以在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

在本发明第三方面的实施例中，还通过调整所述相机模块的阈值，以进一步排除粗跟踪光斑的干扰。

在本发明第四方面的实施例中，所述分光组件包括分光片，通过将粗跟踪的跟踪点调整到精跟踪的视场外，以在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

在本发明的一个实施例中，所述分光片为带孔反射镜，来自自由空间的激光由所述带孔反射镜反射进入所述相机模块，所述望远镜收束的激光从所述带孔反射镜的小孔透射进入所述相机模块。

进一步地，所述的基于单相机的激光通信终端还包括电控系统，所述电控系统用于控制所述望远镜的指向位置，并用于根据所述相机模块的成像数据控制所述激光通信终端实现ATP功能。

进一步地，所述的基于单相机的激光通信终端还包括中继光路和后继光路，所述中继光路将所述望远镜收束的激光的一部分传输至所述分光组件、另一部分传输至所述后继光路，所述后继光路将接收到的激光作为信标光、信号光进行处理。

本发明的有益效果：

本发明的基于单相机的激光通信终端，通过设置分光组件，使得来自自由空间的激光经过分光组件进入相机模块实现粗跟踪，望远镜收束的激光经过分光组件进入相机模块实现精跟踪，由此，能够通过单相机实现粗跟踪和精跟踪功能，结构简单，成本较低。

附图说明

图1为本发明实施例的基于单相机的激光通信终端的结构示意图；

图2为本发明一个实施例的精跟踪开窗与粗跟踪开窗的示意图；

图3为本发明一个实施例的基于单相机的激光通信终端的结构示意图；

图4为本发明另一个实施例的基于单相机的激光通信终端的结构示意图。

附图标记：

激光通信终端-100、望远镜-101、分光组件-102、相机模块-103、电控系统-104、中继光路-105、后继光路-106。

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做出创造性劳动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。

如图1所示，本发明实施例的基于单相机的激光通信终端100包括望远镜101、分光组件102和相机模块103，望远镜101用于接收激光，并对接收的激光进行收束，分光组件102用于将来自自由空间的激光和望远镜101收束的激光传输至相机模块103，相机模块103用于根据来自自由空间的激光和望远镜101收束的激光进行成像，其中，来自自由空间的激光经过分光组件102进入相机模块103以实现粗跟踪，望远镜101收束的激光经过分光组件102进入相机模块103以实现精跟踪。

需要说明的是，本发明实施例中来自自由空间的激光和望远镜101收束的激光实际上为同轴的激光，进一步地，可以是同一束激光，该束激光的一部分直接经由分光组件102传输到相机模块103实现粗跟踪、另一部分经过望远镜101收束后再经过分光组件102传输到相机模块103实现精跟踪。

本发明实施例的激光通信终端100在完成粗跟踪后，可转换到精跟踪，但是在粗跟踪完成后，相机模块103上会同时存在粗跟踪和精跟踪的光斑，此时粗跟踪的光斑会形成干扰。因此，本发明实施例还通过分光组件102和/或相机模块103在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰，即通过对分光组件102进行相应设计，或对相机模块103进行相应设置，或同时对二者进行相应设计和设置，以实现粗跟踪的光斑的干扰的去除。

在本发明第一方面的实施例中，分光组件102可包括分光片和遮光片，通过打开遮光片以使来自自由空间的激光经过分光组件102进入相机模块103实现粗跟踪，在精跟踪工作后，关闭遮光片，排除粗跟踪光斑的干扰。在实际工作过程中，开始工作时控制遮光片打开，启动粗跟踪，当粗跟踪捕获到目标后，启动精跟踪，控制遮光片关闭，粗跟踪功能关闭。

在本发明第二方面的实施例中，分光组件102包括分光片，可通过采用预设分光比例的分光片，使精跟踪的跟踪灵敏度优于粗跟踪的跟踪灵敏度，从而无须遮光片，也可在精跟踪工作时去除粗跟踪的光斑的干扰。

在上述第二方面的实施例中，分光片通过分振幅的方式使得粗跟踪光斑与精跟踪光斑进入相机的光功率不同，如R:T=1:10，其中R指激光经过分光片反射，T指激光经过分光片透射，经过分光片时反射光功率与透射光功率比例为1：10。分光片的分光比例根据精跟踪的跟踪灵敏度与粗跟踪的跟踪灵敏度决定，以使得精跟踪的跟踪灵敏度优于粗跟踪的跟踪灵敏度，确保信标光和/或信号光的光功率在粗跟踪能够工作的情况下精跟踪能够正常工作。

激光通信终端100跟踪功能的稳定实现依赖于相机对信标光（来自自由空间的激光，其本质可以是信号光，也可以是有别于信号光的单独的激光，因其用于跟踪，在描述跟踪功能时称为信标光）的成像，当进入相机镜头的光功率足够强时，相机模块103能够稳定清晰成像并输出光斑质心，当光功率减弱到某一临界值时，相机模块103成像的光斑不够稳定清晰，输出的光斑质心不足以完成跟踪功能，所述的光功率的临界值换算成信标光的光功率密度时称之为跟踪灵敏度。具体到粗跟踪灵敏度，粗跟踪灵敏度主要受限与入射信标光的口径、大视场时产生的间晕以及分光片的分光比例：其有效口径通常与镜头和分光片的机械口径有直接的密切的关系，相较于精跟踪通过望远镜收束，粗跟踪入射信标光的口径通常比精跟踪入射信标光的口径小数倍，倍数与望远镜的放大倍数相当；粗跟踪在设计时的工作视场要大于精跟踪，通常粗跟踪视场是精跟踪视场的数倍乃至于十倍或者更多，粗跟踪在边缘视场工作时，由于间晕效应，需要的光功率要比中心视场强很多，即跟踪灵敏度要受到限制；分光片的分光比例同样影响粗跟踪的跟踪灵敏度，本实施例正是通过调整风光片的分光比例控制粗跟踪灵敏度。对于精跟踪灵敏度，受限于入射信标光口径、中继光路的衰减、分光片的分光比例：精跟踪信标光通过望远镜收束，从这一点看光功率是远大于粗跟踪信标光的；经过可能存在的中继光路（主要是反射镜、分光片和其它分色片）的衰减，并经过分光片的分光比例的控制后进入相机模块103；实际上还受到相机开窗等跟踪方法的限制，总之可以通过分光片的分光比例控制精跟踪灵敏度。

在本发明的第三方面的实施例中，除了采用预设分光比例的分光片之外，还可通过调整相机模块103的阈值，进一步调整粗跟踪和精跟踪的跟踪灵敏度，使得精跟踪功能产生的光斑亮度远高于粗跟踪功能产生的光斑亮度，从而能够进一步排除粗跟踪光斑的干扰，而且也无须设置遮光片。

在上述第三方面的实施例中，通过设置相机模块103的工作的阈值点数，或者积分时间，使得相机模块103成像的光斑足够稳定清晰。在粗跟踪工作时设置粗跟踪阈值和粗跟踪积分时间，在精跟踪工作时设置精跟踪阈值和精跟踪积分时间，使得精跟踪工作时，粗跟踪光斑不会对精跟踪光斑产生干扰。具体设置阈值和积分时间的原则与第二方面实施例中控制跟踪灵敏度的原则相适应。

在本发明的第四方面的实施例中，分光组件102包括分光片，通过改变粗跟踪与精跟踪的跟踪点，将粗跟踪的跟踪点调整到精跟踪的视场外，从而无须遮光片，也可去除粗跟踪的光斑的干扰。

在上述第四方面的实施例中，精跟踪视场要小于粗跟踪视场，并且一般情况下精跟踪开窗要小于粗跟踪开窗。如图2所示，以1024×1024的CMOS（也可以是CCD等其它感光元件）为例，粗跟踪开窗通常设置为最大开窗即1024×1024，则精跟踪开窗通常要小于粗跟踪开窗，如精跟踪开窗设置为512×512（视需要可以相应增大或缩小，在一些示例中可以设置为128×128）。此时将粗跟踪跟踪点设置在精跟踪的开窗范围之外，即可避免粗跟踪光斑对精跟踪产生干扰。

上述第一方面和第二方面实施例是通过对分光组件102进行相应设计来实现粗跟踪的光斑的干扰的去除的，上述第三方面实施例是通过对分光组件102和相机模块103同时进行相应设计和设置来实现粗跟踪的光斑的干扰的去除的，上述第四方面实施例是通过对相机模块103进行相应设置来实现粗跟踪的光斑的干扰的去除的。

上述任一实施例的分光片可为带孔反射镜，来自自由空间的激光由带孔反射镜反射进入相机模块103，望远镜101收束的激光从带孔反射镜的小孔透射进入相机模块103，带孔反射镜实现的是空间分光。或者，上述任一实施例的分光片也可为光学镀膜分光镜，光学镀膜分光镜实现的是分振幅。

进一步地，如图3所示，本发明实施例的基于单相机的激光通信终端100还可包括电控系统104，电控系统104可控制望远镜101的指向位置，并可根据相机模块103的成像数据控制激光通信终端100实现ATP功能。

进一步地，如图4所示，本发明实施例的基于单相机的激光通信终端100还可包括中继光路105和后继光路106，中继光路105可将望远镜101收束的激光的一部分传输至分光组件102、另一部分传输至后继光路106，后继光路106可将接收到的激光作为信标光、信号光进行处理。

综上所述，根据本发明实施例的基于单相机的激光通信终端，通过设置分光组件，使得来自自由空间的激光经过分光组件进入相机模块实现粗跟踪，望远镜收束的激光经过分光组件进入相机模块实现精跟踪，由此，能够通过单相机实现粗跟踪和精跟踪功能，结构简单，成本较低。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于单相机的激光通信终端，其特征在于，包括望远镜、分光组件和相机模块，所述望远镜用于接收激光，并对接收的激光进行收束，所述分光组件用于将来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光传输至所述相机模块，所述相机模块用于根据来自自由空间的激光和所述望远镜收束的激光进行成像，其中，来自自由空间的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现粗跟踪，所述望远镜收束的激光经过所述分光组件进入所述相机模块以实现精跟踪。

2.根据权利要求1所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，所述分光组件和/或所述相机模块还用于在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

3.根据权利要求2所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，所述分光组件包括分光片和遮光片，通过打开所述遮光片以使来自自由空间的激光经过所述分光组件进入所述相机模块实现粗跟踪，在精跟踪工作后，关闭遮光片，排除粗跟踪光斑的干扰。

4.根据权利要求2所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，所述分光组件包括分光片，通过采用预设分光比例的所述分光片，使精跟踪的跟踪灵敏度优于粗跟踪的跟踪灵敏度，以在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

5.根据权利要求4所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，还通过调整所述相机模块的阈值，以进一步排除粗跟踪光斑的干扰。

6.根据权利要求2所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，所述分光组件包括分光片，通过将粗跟踪的跟踪点调整到精跟踪的视场外，以在精跟踪工作时排除粗跟踪光斑的干扰。

7.根据权利要求3-6中任一项所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，所述分光片为带孔反射镜，来自自由空间的激光由所述带孔反射镜反射进入所述相机模块，所述望远镜收束的激光从所述带孔反射镜的小孔透射进入所述相机模块。

8.根据权利要求7所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，还包括电控系统，所述电控系统用于控制所述望远镜的指向位置，并用于根据所述相机模块的成像数据控制所述激光通信终端实现ATP功能。

9.根据权利要求7所述的基于单相机的激光通信终端，其特征在于，还包括中继光路和后继光路，所述中继光路将所述望远镜收束的激光的一部分传输至所述分光组件、另一部分传输至所述后继光路，所述后继光路将接收到的激光作为信标光、信号光进行处理。