專利名稱：一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于光通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)，可用于高精度的跟蹤與瞄準(zhǔn)。
背景技術(shù)：
現(xiàn)有的精跟蹤控制系統(tǒng)如示意圖1，包括分光鏡Ma、跟蹤鏡Mb、反射鏡Me、CXD探測(cè)系統(tǒng)。該方法非常簡(jiǎn)單，在現(xiàn)有的精跟蹤控制系統(tǒng)中已經(jīng)成功運(yùn)用。該系統(tǒng)不足在于在振動(dòng)環(huán)境下，信標(biāo)光與目標(biāo)光的同軸性難于實(shí)時(shí)的調(diào)整；其次，對(duì)振動(dòng)的克服完全依賴跟蹤鏡的閉環(huán)性能。中國(guó)專利(201110063544.9)介紹了基于內(nèi)部慣性參考光源的瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤。但是系統(tǒng)復(fù)雜，需要更多的慣性傳感器穩(wěn)定參考光源。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的是提供一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)，用以解決光通信信標(biāo)光的高精度瞄準(zhǔn)。本發(fā)明提供一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)的技術(shù)方案包括圖像探測(cè)器、擴(kuò)束鏡、位置傳感器、分光鏡、跟蹤鏡、瞄準(zhǔn)鏡和激光器，跟蹤鏡接收目標(biāo)光，在目標(biāo)光的光束線上依次放置跟蹤鏡、分光鏡和圖像探測(cè)器；激光器輸出信標(biāo)光，在信標(biāo)光的光束線上依次放置瞄準(zhǔn)鏡、分光鏡、擴(kuò)束鏡；且以及在信標(biāo)光的光線束上依次放置瞄準(zhǔn)鏡、分光鏡以及跟蹤鏡；其中分光鏡，接收目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，用于將目標(biāo)光的反射光生成目標(biāo)光的透射光，用于將信標(biāo)光的反射光生成信標(biāo)的透射光，還獲得信標(biāo)光的反射光的分光光束；圖像探測(cè)器，用于接收目標(biāo)光的透射光，并將目標(biāo)光的透射光生成目標(biāo)光的位置偏差；擴(kuò)束鏡，用于對(duì)信標(biāo)光的透射光進(jìn)行擴(kuò)束，生成信標(biāo)光的擴(kuò)束光；位置傳感器，用于提供信標(biāo)光的光軸的位置；跟蹤鏡，用于將目標(biāo)光穩(wěn)定在圖像傳感器視場(chǎng)內(nèi)；瞄準(zhǔn)鏡，用于消除目標(biāo)光和信標(biāo)光之間位置偏差。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)有(I)可以實(shí)現(xiàn)大角度的跟蹤與瞄準(zhǔn)，非常適合瞄準(zhǔn)點(diǎn)偏離跟蹤點(diǎn)很遠(yuǎn)的目標(biāo)；(2)可以很好地保證信標(biāo)光與目標(biāo)光的同軸性，尤其是在振動(dòng)環(huán)境下能夠?qū)崿F(xiàn)光路的動(dòng)態(tài)標(biāo)定；(3)貓準(zhǔn)鏡跟隨了跟蹤鏡的偏差，進(jìn)一步提聞對(duì)抖動(dòng)的抑制能力。


圖I :是現(xiàn)有的精跟蹤系統(tǒng)圖；圖2 :是本發(fā)明改進(jìn)的精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)不意圖；圖3 :是實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中跟蹤鏡與瞄準(zhǔn)鏡控制結(jié)構(gòu)圖；圖4 :是本發(fā)明抖動(dòng)抑制頻率響應(yīng)；圖中，符號(hào)的定義如下CXD :圖像探測(cè)器(提供目標(biāo)在CXD中的位置)PSD :位置傳感器(檢測(cè)信標(biāo)光的光軸)
Ml :擴(kuò)束鏡M2 :分光鏡(分離信標(biāo)和目標(biāo)光)M3 跟蹤鏡(對(duì)目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤)M4 :瞄準(zhǔn)鏡(將信標(biāo)光偏置到指定的目標(biāo)位置)
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。如圖2所示，是一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)，用于校正粗跟蹤的殘差，進(jìn)一步提高跟蹤與瞄準(zhǔn)精度，由擴(kuò)束鏡Ml、分光鏡M2、跟蹤鏡M3、圖像探測(cè)器(XD、瞄準(zhǔn)鏡M4、位置傳 感器PSD和激光器組成，跟蹤鏡M3接收目標(biāo)光，在目標(biāo)光的光束線上依次放置跟蹤鏡M3、分光鏡M2和圖像探測(cè)器(XD;激光器輸出信標(biāo)光,在信標(biāo)光的光束線上依次放置貓準(zhǔn)鏡M4、分光鏡M2、擴(kuò)束鏡Ml ;且以及在信標(biāo)光的光線束上依次放置瞄準(zhǔn)鏡M4、分光鏡M2以及跟蹤鏡M3 ;其中分光鏡M2,接收目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，用于將目標(biāo)光的反射光生成目標(biāo)光的透射光，用于將信標(biāo)光的反射光生成信標(biāo)的透射光，還獲得信標(biāo)光的反射光的分光光束；圖像探測(cè)器CCD，用于接收目標(biāo)光的透射光，并將目標(biāo)光的透射光生成目標(biāo)光的位置偏差；擴(kuò)束鏡Ml,用于對(duì)信標(biāo)光的透射光進(jìn)行擴(kuò)束，生成信標(biāo)光的擴(kuò)束光；位置傳感器PSD，用于提供信標(biāo)光的光軸的位置；跟蹤鏡M3，用于將目標(biāo)光穩(wěn)定在圖像傳感器視場(chǎng)內(nèi)；瞄準(zhǔn)鏡M4，用于消除目標(biāo)光和信標(biāo)光之間位置偏差。本發(fā)明的系統(tǒng)中所有的部件都安裝于同一光學(xué)平臺(tái)上，其位置關(guān)系描述如下貓準(zhǔn)鏡M4、分光鏡M2相互平行并且與水平線成45°夾角。跟蹤鏡M3與水平線成45°夾角，但與瞄準(zhǔn)鏡M4成垂直關(guān)系。圖像探測(cè)器CXD放在分光鏡M2與跟蹤鏡M3中心的連線上，并且圖像探測(cè)器CXD的靶面中心與連線中心重合。同樣的道理，擴(kuò)束鏡Ml、位置傳感器PSD放在分光鏡M2與瞄準(zhǔn)鏡M4中心的連線上。分光鏡M2用于將目標(biāo)光和信標(biāo)光分開，實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光高反射，目標(biāo)光高透過。同時(shí)，信標(biāo)光透過分光鏡M2到達(dá)擴(kuò)束鏡Ml，然后入射到位置傳感器PSD。跟蹤鏡M3、瞄準(zhǔn)鏡M4是音圈電機(jī)(或者壓電陶瓷)驅(qū)動(dòng)的二維快速傾斜鏡，可以實(shí)現(xiàn)X-Y方向定位，精度為yrad級(jí)。如果信標(biāo)光波長(zhǎng)不在位置傳感器PSD探測(cè)頻率之內(nèi)，可以將位置傳感器PSD換成具有探測(cè)范圍更寬的圖像探測(cè)器(XD。瞄準(zhǔn)控制方法的步驟如下跟蹤鏡M3利用圖像探測(cè)器CXD提供目標(biāo)的位置Cenl進(jìn)行閉環(huán)，將目標(biāo)穩(wěn)定在圖像探測(cè)器CXD視場(chǎng)中。位置傳感器PSD提供信標(biāo)光的光軸位置Cen2,瞄準(zhǔn)鏡M4的閉環(huán)輸入是光軸位置Cen2與目標(biāo)位置Cenl之間的偏差，這樣就可以將信標(biāo)光軸與目標(biāo)探測(cè)光軸重合，使得信標(biāo)光能夠穩(wěn)定信標(biāo)到目標(biāo)上。圖3是實(shí)現(xiàn)是本發(fā)明圖2中瞄準(zhǔn)鏡與跟蹤鏡控制結(jié)構(gòu)圖，由含有跟蹤鏡M3構(gòu)成的跟蹤控制回路以及瞄準(zhǔn)鏡M4構(gòu)成的瞄準(zhǔn)控制回路。跟蹤控制回路包含有跟蹤控制器、圖像探測(cè)器(XD、跟蹤鏡M3。瞄準(zhǔn)控制回路包含有瞄準(zhǔn)控制器、位置傳感器PSD、瞄準(zhǔn)鏡M4。圖像探測(cè)器CXD提供了目標(biāo)光的位置偏差信號(hào)Cenl (輸入與輸出信號(hào)之差)，輸入至跟蹤控制器C1，其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)跟蹤鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤鏡的閉環(huán)校正。位置傳感器PSD提供光軸的位置偏差信號(hào)Cen2,將Cenl與Cen2之差輸入至貓準(zhǔn)控制器C2,其輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)貓準(zhǔn)鏡，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤鏡M3的閉環(huán)校正。這樣就實(shí)現(xiàn)信標(biāo)光的光軸和目標(biāo)光的光軸同軸。跟蹤控制原理由圖3可以得到本發(fā)明的精跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)抖動(dòng)的控制效果是， ^D = (I+ G,+⑴式中=Gcxd為傳遞函數(shù)特性，C1為跟蹤控制器，C2為瞄準(zhǔn)控制器，G3為跟蹤鏡傳遞函數(shù)特性，G4為瞄準(zhǔn)鏡傳遞函數(shù)特性，Y為目標(biāo)的抖動(dòng)、D為目標(biāo)輸入。很顯然，傳統(tǒng)的精跟蹤系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)抖動(dòng)的控制效果，萬(wàn)=(丨+(; ,/;/')(2)
比較⑴和⑵可以知道，改進(jìn)后的對(duì)抖動(dòng)效果顯然提高了一個(gè)級(jí)別。采用上面的要求和設(shè)計(jì)步驟，對(duì)一個(gè)實(shí)際的精跟蹤控制系統(tǒng)，假設(shè)圖像探測(cè)器CCD的采樣頻率為2000Hz，其特性為Gcxd = e_°_00753,跟蹤鏡M3與瞄準(zhǔn)鏡M4是壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速傾斜鏡子，具有近IKHz的閉環(huán)帶寬，于是它們的特性可以看成G3 ^ I, G4^ 1，跟蹤控制器C1和瞄準(zhǔn)控制器控制器C2表示為C1 = C2 = 104. 72/s。將這些傳遞特性帶入公式(I)、公式(2)就可以得到圖4的頻率域分析結(jié)果。圖4中的實(shí)線是公式(2)頻率域計(jì)算結(jié)果，虛線是公式(I)頻率域計(jì)算結(jié)果?？梢钥吹綇?. lHz-12Hz公式(I)所描述幅值要小的多。也就是說本發(fā)明的控制系統(tǒng)對(duì)抖動(dòng)的抑制明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)。
以上所述，僅為本發(fā)明中的具體實(shí)施方式
，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉該技術(shù)的人在本發(fā)明所揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可理解想到的變換或替換，都應(yīng)涵蓋在 本發(fā)明的包含范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.ー種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)，其特征在于包括圖像探測(cè)器、擴(kuò)束鏡、位置傳感器、分光鏡、跟蹤鏡、瞄準(zhǔn)鏡和激光器； 跟蹤鏡接收目標(biāo)光，在目標(biāo)光的光束線上依次放置跟蹤鏡、分光鏡和圖像探測(cè)器； 激光器輸出信標(biāo)光，在信標(biāo)光的光束線上依次放置貓準(zhǔn)鏡、分光鏡、擴(kuò)束鏡且以及在信標(biāo)光的光線束上依次放置瞄準(zhǔn)鏡、分光鏡以及跟蹤鏡；其中 分光鏡，接收目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，目標(biāo)光的反射光和信標(biāo)光的反射光，用于將目標(biāo)光的反射光生成目標(biāo)光的透射光，用于將信標(biāo)光的反射光生成信標(biāo)的透射光，還獲得信標(biāo)光的反射光的分光光束； 圖像探測(cè)器，用于接收目標(biāo)光的透射光，并將目標(biāo)光的透射光生成目標(biāo)光的位置偏差; 擴(kuò)束鏡，用于對(duì)信標(biāo)光的透射光進(jìn)行擴(kuò)束，生成信標(biāo)光的擴(kuò)束光； 位置傳感器，用于提供信標(biāo)光的光軸的位置； 跟蹤鏡，用于將目標(biāo)光穩(wěn)定在圖像傳感器視場(chǎng)內(nèi)； 瞄準(zhǔn)鏡，用于消除目標(biāo)光和信標(biāo)光之間位置偏差。
2.如權(quán)利要求I所述的光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)的控制方法，其特征在于利用瞄準(zhǔn)鏡修正目標(biāo)光的位置與信標(biāo)光的光軸位置之差并使其為零，具體的實(shí)現(xiàn)如下，圖像探測(cè)器CCD提供目標(biāo)光的位置偏差，輸入至跟蹤鏡，實(shí)現(xiàn)跟蹤鏡的閉環(huán)校正；位置傳感器PSD提供光軸的位置并輸入至瞄準(zhǔn)鏡，實(shí)現(xiàn)瞄準(zhǔn)鏡的閉環(huán)校正。
全文摘要
本發(fā)明公開一種光通信的精跟蹤控制系統(tǒng)，包括圖像探測(cè)器、擴(kuò)束鏡、位置傳感器、分光鏡、跟蹤鏡、瞄準(zhǔn)鏡和激光器，跟蹤鏡接收目標(biāo)光，在目標(biāo)光的光束線上依次放置跟蹤鏡、分光鏡和圖像探測(cè)器；激光器輸出信標(biāo)光，在信標(biāo)光的光束線上依次放置瞄準(zhǔn)鏡、分光鏡、擴(kuò)束鏡；且以及在信標(biāo)光的光線束上依次放置瞄準(zhǔn)鏡、分光鏡以及跟蹤鏡；主要用于光通信的高精度穩(wěn)定控制。其本質(zhì)就是利用瞄準(zhǔn)鏡修正目標(biāo)光的位置與信標(biāo)光的光軸位置之差并使差為零。具體的實(shí)現(xiàn)如下，跟蹤鏡利用圖像探測(cè)器提供目標(biāo)光的位置進(jìn)行閉環(huán)。位置傳感器提供光軸的位置，瞄準(zhǔn)鏡閉環(huán)目的就是使所述的差逼近為零。
文檔編號(hào)G05D3/12GK102707732SQ201210165639
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月25日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月25日
發(fā)明者包啟亮, 吳瓊燕, 唐濤, 趙華, 黃永梅 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所