CN201203707Y - 大气激光通信系统中精密光轴定位装置 - Google Patents

Abstract

大气激光通信系统中精密光轴定位装置，是由，光学接收用缩束器，振镜，振镜控制器，平行光管和高帧频CCD，其特征在于还有分光棱镜和哈特曼传感器光轴精密定位单元构成。对于大气激光通信系统中，对于光斑的偏移、散斑等现象，基于哈特曼传感器基础上，采用基于泽尼克的微透镜阵列的方法，最终光轴的检测精度优于2μ rad。接收端的普通CCD若要获得相同的分辨率和测量精度，其光学系统体积庞大、重量较重。本实用新型采用哈特曼传感器的等效焦距512mm，其系统长度为250mm分辨率达到μrad量级，而口径只有30mm，与传统的平台相比，体积显著减小和重量明显减轻。有效的满足了未来空间激光通信对机载平台轻型化的需求。

Description

大气激光通信系统中精密光轴定位装置

技术领域

本实用新型涉及大气激光通信系统中精密光轴定位装置，属于大气激光通信技术领域。

背景技术

1960年激光出现之后，为光通信系统提供了具有高度指向性、高相干性、高亮度的光源，促进了光通信技术的发展。由于可以将光束以非常小的发散角对准目标发射，自由空间光通信比现有的射频通信更加不容易探测。因此，自由空间激光通信对于在两个移动平台之间实现通信非常具有吸引力，如卫星之间、卫星与地面间、飞机之间、飞机和地面间、飞机与卫星间的链路等。从二十世纪七十年代开始，世界发达国家就已经开始激光通信技术的研究工作，对上述的各种链路技术进行研究，取得了显著的成果，一些实验获得了成功。

空间光通信最初是用于军事目的，这主要是由于其良好的保密性以及大通信容量。空间光通信终端所发射的信号光束波束窄，有很强的指向性，并且发散角很小，可以控制到几个毫弧度，这就使信号光束难以被截获、窃听；空间光通信具有良好的抗电磁干扰性，如复杂电磁环境、电磁波炸弹等，而1Gbps的通信容量也足以满足战术乃至战略通信的需求；能耗低、结构简单、携带方便、组网快速灵活是空间光通信的另一突出优点。因此空间光通信非常适用于军事通信。正是看到了激光通信技术在军事通信领域的巨大应用潜力，最近两年，世界各国对激光通信系统研究的投资力度显著增加：

大气激光通信技术的核心技术是捕获、对准和跟踪APT(Acquisition PointingTracking)技术。大气激光通信以其高带宽、高码率、高保密性及抗干扰等优点成为光通信发展的新方向，目前已成为各国研究工作的热点。而窄的激光发射光束导致了光束对准中许多技术上的挑战，对APT技术的研究也就显得尤其重要。快速精确的捕获、瞄准和跟踪是保证实现空间远距离光通信的前提，是星际间光通信的核心，它需要获得非常高跟瞄精度，同时要抑制和消除一个在很宽的频率范围内存在且幅值很大的外部干扰，从而决定了它是一个高精度、高带宽的精密跟踪系统。另外，空间光通信系统的通信信号光束发散角非常小，如果用信号光束进行捕获、瞄准和跟踪非常困难，所以要完成这一过程需要采用信标光来完成，而信号的接收由通信光来完成。APT系统的功能是在接收端探测发射端发出的信标光，并对之进行捕获、瞄准和跟踪，然后返回信标光到发射端，借以完成点对点的锁定，在两端之间建立通信链接，之后，双方用通信光束开始传输数据，实现通信。为此，用通信光束来代替信标光束，继续维持跟踪，直到通信结束，如果因某种原因，链接断开，这就需要APT系统尽快地重新进行捕获、瞄准和跟踪，所以APT系统的性能和跟瞄精度对整个通信过程的成败有着至关重要的影响，对于激光武器和大气激光通信系统或者其它以被动或主动激光目标跟踪为目标的控制系统来说，一个高精度(μrad量级)APT系统是必不可少的。

对于以机载激光通信系统或者其它以被动或主动激光目标跟踪为目标的火控系统来说，一个高质量的APT系统是必不可少的，激光光束的快速、精密定位是一个高精度、宽频带APT系统的关键。能在大气环境中工作的高精度、宽频带APT系统的设计和实现是一项难度很大的工程技术。系统的关键问题就是必须对入射的激光光束进行定位，找到与其对应的对方发射光学系统的光轴，然后调整自己的跟踪系统光轴使之指向对方，才能完成精确对准和跟踪(μrad量级)，从而使激光武器系统能够准确打击被跟踪的目标，激光通信系统能够实现高速率、低误码率的激光通信。激光光束在大气信道传输过程中受大气湍流的扰动，激光的能量和偏振特性都受到影响，光斑发生畸变，整体上已经不再符合高斯分布特性，因此传统的CCD传感器的光斑质心算法，已经无法准确地确定出激光光束的主光轴，系统定位精度不可能做得很高，一般定位传感器的目标跟踪系统精度大于15～20μrad，常用典型装置示意图为图1(参考文献1罗彤，等，自由空间光通信地面演示系统光束APT设计与实现，应用光学，第23卷，第2期，2002中的结构主要组成)，其他很多激光空间通信系统的光轴定位装置也基本上和文献1即图1的典型系统相类似(主要参考文献为：2曾华林，等，空间光通信ATP系统的研究，光学技术，第31卷，第1期，2005年1月；3谭靖，等，光无线通信的光束对准/跟踪技术，《激光杂志》，第26卷第3期，2005年；4岳冰，等，空间光通信中的快速倾斜镜精跟踪实验系统〔J〕.光电工程，2002，29(3)：35-42；5徐科华，等，深空光通信中光束瞄准技术研究，光学精密工程，第14卷，第1期，2006年2月；6周亚霖艾勇左韬鲍黎波.空间光束实时捕获、跟踪实验与分析，光子学报，2005年34卷6期；7王萍萍，艾勇，支新军.自由空间光通信终端机中APT系统设计应用激光2003年1223卷6期；8苏秀琴，王飞，刘文.一种提高CCD目标测量数据处理速度的新方法.光子学报，2001，30(7)：864～867Su X Q，Wang F，Liu W.Acta Photonica Sinica，2001，30(7)：864～867；9 Hohn，D.H.Effects of atmospheric turbulence on the transmission of a laser beamat 6328 A.I-Distribution of intensity Applied Optics IP，vol.5，Issue 9，p.1427；10国外空间激光通信技术发展情况.内部资料.2005年10月.)，均采用探测器均为普通CCD探测器。对于激光通信系统来说，这样的跟踪精度无法使通信的技术指标进一步提高。在大气激光通信系统中也有其自身的不足之处，大气激光通信以空气为介质，决定了激光传输过程中不可避免地要受到大气环境的影响(大气吸收、散射和湍流效应的影响)，其中大气湍流对目标跟踪过程的影响最大。影响的主要表现为光束的偏折、漂移与光斑的破碎和能量闪烁等现象，以及由于成像光学系统像差的影响，使跟踪探测器在计算目标位置时产生误差，直接影响系统的捕获、瞄准和跟踪精度。为了解决大气湍流对武器装备中APT系统精度的影响，提高APT系统的跟踪精度，必须采取一定的技术措施。

发明内容

在大气激光通信系统中也有其自身的不足之处，大气激光通信以空气为介质，决定了激光传输过程中不可避免地要受到大气环境的影响(大气吸收、散射和湍流效应的影响)，其中大气湍流对目标跟踪过程的影响最大。影响的主要表现为光束的偏折、漂移与光斑的破碎和能量闪烁等现象，以及由于成像光学系统像差的影响，使跟踪探测器在计算目标位置时产生误差，直接影响系统的捕获、瞄准和跟踪精度。

为了克服上述不足和缺点，依据现代光学技术和动态光学技术的发展，结合自适应光学系统技术的发展现状，提出了在高技术武器装备稳定跟踪平台中提高捕获、瞄准和跟踪精度的新方案。本实用新型改革并简化了自适应光学技术的应用模式和目标，进一步提出了该技术在武器装备捕获、瞄准和跟踪系统中的具体应用方法，即可采用自适应光学系统中哈特曼探测器对大气激光束进行探测，由哈特曼传感器的多孔径的波面拟合的方法，采用泽尼克多项式模式法实时计算大气激光通信系统中光轴的真实指向。本实用新型有效的解决了大气激光光轴精密定位问题，定位精度优于2_μrad(RMS)。本实用新型中哈特曼传感器的微透镜阵列位于平行光路中，后面放置高速EMCCD相机，微透镜阵列所成的像位于EMCCD相机的像面上，实时测量出光斑位置变化(光束偏折)以及不同孔径光束的能量分布，此能量分布与像面点阵图对应。实时记录各子孔径光斑质心坐标，质心平均偏离EMCCD图像传感器中心的距离即为大气湍流引起的光束偏折大小，这相当于将点阵图放大几百倍，从而提高光斑位置和质心的判定精度，相应提高激光光斑质心探测精度，最终提高机载激光通信系统稳定平台的跟踪精度。利用其多通道数据输出能力实现快速并行图像数据的采集和处理，有效提高自适应光学系统的控制带宽，从而对大气湍流的影响进行充分有效的抑制。本实用新型只涉及到激光接收端部分，不涉及到激光发射端部分。

如图2所示，本实用新型提供的大气激光通信系统中精密光轴定位装置，是由，光学接收用缩束器1，振镜2，振镜控制器3，平行光管4和高帧频CCD5，其特征在于还有分光棱镜6和哈特曼传感器光轴精密定位单元40构成。其中振镜2和振镜控制器3和分光棱镜6组成振镜控制端20，平行光管4和高帧频CCD5组成普通相机端30；

1、所述的振镜控制端20是由缩束器1，S330振镜2，振镜控制器3和分光棱镜4组成。缩束器1和振镜2同轴排列，缩束器1在振镜2的正前方，振镜2的镜面与缩束器1和振镜2所成轴45度角放置，且振镜2保持绝对的水平。分光棱镜4在缩束器1与振镜2所成轴的垂直方向放置。经过大气的激光光束由经由缩束器1，通过振镜2的镜面反射，打入分光棱镜分出两束光。振镜控制器3为振镜2实时偏转控制装置，其与振镜2相连接。振镜控制端20完成激光在大气传输的过程中光轴发生偏转的实时纠正功能，光轴偏转的方向由哈特曼传感器光轴精密定位单元40实时计算，然后给振镜控制端20，由振镜控制器3控制振镜实现高精度光闭环和电开环控制。

2、所述的普通相机端30是平行光管4·和普通CA-D1相机5构成，所述的平行光管4的焦距为1.6-3.2米，优选焦距为1.6m，其中平行光管4在普通CA-D1相机的正前方平行放置，平行光管4在这里作为光学系统的接收装置放置中的分划板端不用放置任何波片；普通相机端30的作用一是用来和哈特曼探测器光轴偏向进行对比，作用二是来监测当由哈特曼传感器光轴精密定位单元40和振镜控制端20构成的闭环系统中，调整光轴后的光斑监测。

3、所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元40是在分光棱镜垂直透射的光路中，实时监测光束偏移变化，它的另一端为光轴偏移量的输出，以以太网的网络传输的方式传输给振镜控器3。

4、本实用新型中图2中哈特曼传感器主要构成为图3所示，其特征在于有，缩束器7，微透镜阵列8，EMCCD高帧频相机9和FPGA现场可编程门阵列10，DMA控制器11和DSP数字信号处理单元12构成；其连接方式为由缩束器7，微透镜阵列8，EMCCD高帧频相机9为一体，由7，8，9依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，其功能是为了探测到基于阵列多孔径的光斑分布图像，根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术，检测受大气湍流影响的光轴偏移角度，FPGA现场可编程门阵列10是用来快速获取数字图像数据，作为图像处理DSP的缓存，提高图像处理的速度，DMA控制器11为快速数据传输通道。DSP数字信号处理单元12由两部分构成一个图像数据实时处理系统C64xx，另一个DSP数字信号处理器用于控制信号的处理C28xx构成；用来实时计算光轴偏移和振镜的控制参数。

5、其中哈特曼传感器光轴精密定位单元40中，有一套完整精度较高、实时性较好的哈特曼精密光轴实时闭环程序。如图4所示，其流程为：步骤100开始，是精密光轴定位闭环系统的开始命令；步骤110是FPGA捕获一帧图像为DSP图像处理系统提供数据源，步骤120是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤130，否则返回步骤110，步骤130DSPC64xx图像处理系统对微弱信号进行处理，步骤140采用泽尼克多项式模式法计算激光光束的偏移角度，步骤150对数据优化和传输，步骤160和步骤170根据步骤150的数据对振镜进行控制，来达到对激光光束的精密闭环控制，步骤180是判断是否结束，要是不结束接下来继续处理下一帧图像数据，转到步骤110循环处理，步骤190是结束闭环控制。

6、需要特别指出的，本实用新型所述平行光管4和普通CA-D1相机5与传统的平行光管4和普通CCD相机5是不同，本实用新型中普通CA-D1相机5采用是低噪声的高帧频CCD数字相机，其帧频最高为1440f/s，传统多采用的是高帧频CMOS相机；另外本实用新型中为了普通相机端30有两个不同作用，这里考虑到和哈特曼的探测精度相当，采用平行光管4是焦距为1.6-3.2平行光管，而传统的一般等效焦距都小于700mm。

有益效果：对于大气激光通信系统中，对于光斑的偏移、散斑等现象，基于哈特曼传感器基础上，采用基于泽尼克的微透镜阵列的方法，解决了传统CCD探测器质心算法对散斑造成的光斑质心检测精度只能在15～20μrad，最终光轴的检测精度优于2_μrad。如果增加微透镜的数目和提高相机的帧频，在激光在强湍流的情况下精密光轴定位精度达到更高。接收端的普通CCD若要获得相同的分辨率和测量精度需要大于1.6m的焦距，其光学系统体积庞大、重量较重，本实用新型采用哈特曼传感器的等效焦距512mm，其系统长度为250mm分辨率达到μrad量级，而口径只有30mm，与传统的平台相比，体积显著减小和重量明显减轻。有效的满足了未来空间激光通信对机载平台轻型化的需求。

附图说明

图1大气激光通信系统中传统光轴定位典型装置示意图，图2大气激光通信系统中哈特曼精密光轴定位装置示意图，图3哈特曼传感器的内部组成、结构示意图，图4大气激光光束偏移计算及控制流程图。

具体实施方式

实施例1

如图2所示，本实用新型提供的大气激光通信系统中精密光轴定位装置，是由，光学接收用缩束器1，振镜2，振镜控制器3，平行光管4和高帧频CCD5，其特征在于还有分光棱镜6和哈特曼传感器光轴精密定位单元40构成。其中振镜2和振镜控制器3和分光棱镜6组成振镜控制端20，平行光管4和高帧频CCD5组成普通相机端30；

1、所述的振镜控制端20是由缩束器1，S330振镜2，振镜控制器3和分光棱镜4组成。缩束器1和振镜2同轴排列，缩束器1在振镜2的正前方，振镜2的镜面与缩束器1和振镜2所成轴45度角放置，且振镜2保持绝对的水平。分光棱镜4在缩束器1与振镜2所成轴的垂直方向放置。经过大气的激光光束由经由缩束器1，通过振镜2的镜面反射，打入分光棱镜分出两束光。振镜控制器3为振镜2实时偏转控制装置，其与振镜2相连接。振镜控制端20完成激光在大气传输的过程中光轴发生偏转的实时纠正功能，光轴偏转的方向由哈特曼传感器光轴精密定位单元40实时计算，然后给振镜控制端20，由振镜控制器3控制振镜实现高精度光闭环和电开环控制。

2、所述的普通相机端30是平行光管4和普通CA-D1相机5构成，所述的平行光管4的焦距为1.6-3.2米，优选焦距为1.6m，其中平行光管4在普通CA-D1相机的正前方平行放置，平行光管4在这里作为光学系统的接收装置放置中的分划板端不用放置任何波片；普通相机端30的作用一是用来和哈特曼探测器光轴偏向进行对比，作用二是来监测当由哈特曼传感器光轴精密定位单元40和振镜控制端20构成的闭环系统中，调整光轴后的光斑监测。

3、所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元40是在分光棱镜垂直透射的光路中，实时监测光束偏移变化，它的另一端为光轴偏移量的输出，以以太网的网络传输的方式传输给振镜控器3。

4、本实用新型中图2中哈特曼传感器主要构成为图3所示，其特征在于有，缩束器7，微透镜阵列8，EMCCD高帧频相机9和FPGA现场可编程门阵列10，DMA控制器11和DSP数字信号处理单

元12构成；其连接方式为由缩束器7，微透镜阵列8，EMCCD高帧频相机9为一体，由7，8，9依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，其功能是为了探测到基于阵列多孔径的光斑分布图像来根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术来检测受大气湍流影响的光轴偏移角度，FPGA现场可编程门阵列10是用来快速获取数字图像数据，作为图像处理DSP的缓存，提高图像处理的速度，DMA控制器11为快速数据传输通道。DSP数字信号处理单元12由两部分构成一个图像数据实时处理系统C64xx，另一个DSP数字信号处理器用于控制信号的处理C28xx构成；用来实时计算光轴偏移和给出振镜的控制参数。

5、其中哈特曼传感器光轴精密定位单元40中，有一套完整精度较高、实时性较好的哈特曼精密光轴实时闭环程序。如图4所示，其流程为：步骤100开始，是精密光轴定位闭环系统的开始命令；步骤110是FPGA捕获一帧图像为DSP图像处理系统提供数据源，步骤120是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤130，否则返回步骤110，步骤130DSPC64xx图像处理系统对微弱信号进行处理，步骤140采用泽尼克多项式模式法计算激光光束的偏移角度，步骤150对数据优化和传输，步骤160和步骤170根据步骤150的数据对振镜进行控制，来达到对激光光束的精密闭环控制，步骤180是判断是否结束，要是不结束接下来继续处理下一帧图像数据，转到步骤110循环处理，步骤190是结束闭环控制。

6、需要特别指出的，本实用新型所述平行光管4和普通CA-D1相机5与传统的平行光管4和普通CCD相机5是不同，本实用新型中普通CA-D1相机5采用是低噪声的高帧频CCD数字相机，其帧频最高为1440f/s，传统多采用的是高帧频CMOS相机；另外本实用新型中为了普通相机端30有两个不同作用，这里考虑到和哈特曼的探测精度相当，采用平行光管4是焦距为1.6-3.2平行光管，而传统的一般等效焦距都小于700mm。

Claims (3)

1、大气激光通信系统中精密光轴定位装置，是由，光学接收用缩束器(1)，振镜(2)，振镜控制器(3)，平行光管(4)和高帧频CCD(5)，其特征在于还有分光棱镜(6)和哈特曼传感器光轴精密定位单元(40)构成，其中振镜(2)和振镜控制器(3)和分光棱镜(6)组成振镜控制端(20)，平行光管(4)和高帧频CCD(5)组成普通相机端(30)；

所述的振镜控制端(20)是由缩束器(1)，S330振镜(2)，振镜控制器(3)和分光棱镜(4)组成，缩束器(1)和振镜(2)同轴排列，缩束器(1)在振镜(2)的正前方，振镜(2)的镜面与缩束器(1)和振镜(2)所成轴45度角放置，且振镜(2)保持绝对的水平，分光棱镜(4)在缩束器(1)与振镜(2)所成轴的垂直方向放置，经过大气的激光光束由经由缩束器(1)，通过振镜(2)的镜面反射，打入分光棱镜分出两束光，振镜控制器(3)为振镜(2)实时偏转控制装置，其与振镜(2)相连接，振镜控制端(20)完成激光在大气传输的过程中光轴发生偏转的实时纠正功能，光轴偏转的方向由哈特曼传感器光轴精密定位单元(40)实时计算，然后给振镜控制端(20)，由振镜控制器(3)控制振镜实现高精度光闭环和电开环控制；

所述的普通相机端(30)是平行光管(4)和普通CA-D1相机(5)构成，所述的平行光管(4)的焦距为1.6-3.2米，优选焦距为1.6m，其中平行光管(4)在普通CA-D1相机的正前方平行放置，平行光管(4)在这里作为光学系统的接收装置放置中的分划板端不用放置任何波片；普通相机端(30)的作用一是用来和哈特曼探测器光轴偏向进行对比，作用二是来监测当由哈特曼传感器光轴精密定位单元(40)和振镜控制端(20)构成的闭环系统中，调整光轴后的光斑监测；

所述的哈特曼传感器光轴精密定位单元(40)是在分光棱镜垂直透射的光路中，实时监测光束偏移变化，它的另一端为光轴偏移量的输出，以以太网的网络传输方式传输给振镜控器(3)。

2、如权利要求1所述的大气激光通信系统中精密光轴定位装置，其特征在于，所述的哈特曼传感器的构成有缩束器(7)，微透镜阵列(8)，EMCCD高帧频相机(9)和FPGA现场可编程门阵列(10)，DMA控制器(11)和DSP数字信号处理单元(12)；其连接方式为由缩束器(7)，微透镜阵列(8)，EMCCD高帧频相机(9)为一体，由(7)，(8)，(9)依次刚性连接组成高准直哈特曼图像传感器装置，其功能是为了探测到基于阵列多孔径的光斑分布图像，根据泽尼克多项式模式法和微弱信号的检测技术，检测受大气湍流影响的光轴偏移角度，FPGA现场可编程门阵列(10)是用来快速获取数字图像数据，作为图像处理DSP的缓存，提高图像处理的速度，DMA控制器(11)为快速数据传输通道，DSP数字信号处理单元(12)由两部分构成一个图像数据实时处理系统C64xx，另一个DSP数字信号处理器用于控制信号的处理C28xx构成；用来实时计算光轴偏移和振镜的控制参数；

其中哈特曼传感器光轴精密定位单元(40)中，有一套完整精度较高、实时性较好的哈特曼精密光轴实时闭环程序。如图(4)所示，其流程为：步骤(100)开始，是精密光轴定位闭环系统的开始命令；步骤(110)是FPGA捕获一帧图像为DSP图像处理系统提供数据源，步骤(120)是判断图像是否捕获到，捕获到进行步骤(130)，否则返回步骤(110)，步骤(130)DSPC64xx图像处理系统对微弱信号进行处理，步骤(140)采用泽尼克多项式模式法计算激光光束的偏移角度，步骤(150)对数据优化和传输，步骤(160)和步骤(170)根据步骤(150)的数据对振镜进行控制，来达到对激光光束的精密闭环控制，步骤(180)是判断是否结束，要是不结束接下来继续处理下一帧图像数据，转到步骤(110)循环处理，步骤(190)是结束闭环控制。

3、如权利要求1所述的大气激光通信系统中精密光轴定位装置，其特征在于，所述的普通CA-D1相机(5)采用是低噪声的高帧频CCD数字相机，其帧频最高为1440f/s；平行光管(4)是焦距为1.6-3.2m平行光管。

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