專利名稱：衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置及控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衛(wèi)星激光通信鏈路技術(shù)領(lǐng)域，是一種衛(wèi)星激光通信的復(fù)合軸光跟瞄 裝置及其控制方法，用作兩衛(wèi)星之間的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤，具有大掃描范圍、高跟 蹤精度和高伺服帶寬的光跟瞄能力。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星激光通信和現(xiàn)有的射頻通信相比具有傳輸速率高、通信容量大、功耗低、 體積小、重量輕、抗干擾和高保密性等諸多的優(yōu)勢，被認(rèn)為是實現(xiàn)星間高碼率通信 的最佳方案，在軍用與民用領(lǐng)域獲得廣泛的重視。在衛(wèi)星激光通信終端中光跟瞄系 統(tǒng)扮演著極為重要的角色，光跟瞄系統(tǒng)決定了一個衛(wèi)星通信終端的基本架構(gòu)，同時 也是星間激光通信成敗的關(guān)鍵之一。
復(fù)合軸控制是提高衛(wèi)星激光通信跟蹤系統(tǒng)的跟蹤精度和控制帶寬的一種有效手 段。歐洲空間局SILEX (Semiconductor Laser Intersatellite Link Experiment)計劃的復(fù) 合軸光跟瞄控制系統(tǒng)采用了獨特的復(fù)合軸閉環(huán)回路(在先技術(shù)[l]: T. T. Nielsen, "Pointing, acquisition and tracking system for the free space laser communication system, SILEX,"Proc. SP正，Vol. 2381， pp.l94-205，1995.)，在閉環(huán)跟蹤狀態(tài)，探測器的光點探 測信號并不直接導(dǎo)入粗跟瞄控制環(huán)，而是通過檢測精跟瞄的位置探測器，當(dāng)精跟瞄 偏離角較大時對粗跟瞄系統(tǒng)發(fā)出卸載命令以使精跟瞄系統(tǒng)歸零。這種粗跟瞄卸載精 跟瞄方式的復(fù)合軸結(jié)構(gòu)有利于高精度穩(wěn)定跟蹤，特別是平臺存在擾動時可以有效地 實現(xiàn)光束的瞄準(zhǔn)、捕獲和跟蹤。但是，粗瞄準(zhǔn)機構(gòu)是一個L型臂經(jīng)緯儀結(jié)構(gòu)，步進電 機控制其旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)整個終端移動部分的轉(zhuǎn)動，其運行力矩較大，容易擾動衛(wèi) 星，并且掃描精度比較低，體積大；而捕獲跟蹤傳感器采用了兩種CCD元件，捕獲 過程中隨時需要在兩個CCD間切換，并且開窗式的CCD系統(tǒng)需要采用專用控制與信 號處理電路，以致控制系統(tǒng)較為復(fù)雜。
美國OCD (Optical Communications Demonstrator)光通信終端的光跟瞄系統(tǒng)(在 先技術(shù)[2]: C. Racho and A. Portillo, "Characterization and design of digital pointingsubsystem for optical communication demonstrator," Proc. SPIE， Vol. 3615， pp. 250-261， 1999.)中采用了高速單探測器二開窗結(jié)構(gòu)，只在發(fā)射光路中采用精跟瞄系統(tǒng)，省略 了提前量光機械系統(tǒng)，不適用于高精度光跟瞄系統(tǒng)的遠(yuǎn)距雙向光通信。采用潛望鏡 式粗跟瞄系統(tǒng)造成轉(zhuǎn)動慣量過大，導(dǎo)致衛(wèi)星平臺不穩(wěn)。其復(fù)合軸控制系統(tǒng)采用了傳 統(tǒng)的精跟瞄補償粗跟瞄殘差的結(jié)構(gòu)，缺乏平滑的視場切換，在太空復(fù)雜環(huán)境下小型 平臺上的動態(tài)擾動抑制能力差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光 跟瞄裝置及控制方法，以實現(xiàn)衛(wèi)星激光通信終端大范圍、大帶寬和高精度的瞄準(zhǔn)、 捕獲和跟蹤。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下
一種衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，包括發(fā)射信標(biāo)光、接收信標(biāo)光和通信激 光，其特點在于該裝置由粗跟瞄系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、精跟瞄系統(tǒng)、第一透反鏡、第 二透反鏡、第三透反鏡、半透半反鏡、捕獲跟蹤傳感器、超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、通信跟蹤 傳感器和信號接收機組成，上述元部件的位置關(guān)系如下
按所述的接收信標(biāo)光進入的方向，依次是所述的粗跟瞄系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、精 跟瞄系統(tǒng)、第一透反鏡、第二透反鏡、第三透反鏡、半透半反鏡和所述的信號接收 機，在所述的第二透反鏡的反射光設(shè)置所述的捕獲跟蹤傳感器，在所述的半透半反 鏡反射光方向設(shè)置所述的通信跟蹤傳感器；
所述的發(fā)射信標(biāo)光經(jīng)所述的第一透反鏡反射后進入所述的精跟瞄系統(tǒng)，反射后，
再經(jīng)所述的望遠(yuǎn)鏡和所述的粗跟瞄系統(tǒng)后向?qū)Ψ桨l(fā)射；
所述的接收信標(biāo)光進入所述的粗跟瞄系統(tǒng)，經(jīng)所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)準(zhǔn)直再經(jīng)所述 的精跟瞄系統(tǒng)反射后，透過所述的第一透反鏡，由所述的第二透反鏡反射的光由所 述的捕獲跟蹤傳感器探測，由所述的第二透反鏡透射的光透過所述的第三透反鏡后， 經(jīng)所述的半透半反鏡反射的光進入所述的通信跟蹤傳感器，透過所述的半透半反鏡
的光進入所述的信號接收機；
所述的通信激光經(jīng)所述的第三透反鏡反射后，透過所述的第二透反鏡和所述的 第一透反鏡進入所述的精跟瞄系統(tǒng)，反射后由所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴束準(zhǔn)直后經(jīng)過所 述的粗跟瞄系統(tǒng)發(fā)射。所述的粗跟瞄系統(tǒng)是由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡及其驅(qū)動電路組成，對發(fā)射信標(biāo)光粗指向， 對接收信標(biāo)光進行捕獲與粗跟瞄，同時卸載精跟瞄系統(tǒng)。
所述的精跟瞄系統(tǒng)是由快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，用于快速和高精度捕獲 跟蹤接收信標(biāo)光與通信光，同時抑制高頻平臺振動。
所述的超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)是由快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，功能是在系統(tǒng)瞄準(zhǔn)時 提供超前瞄準(zhǔn)角。
所述的捕獲跟蹤傳感器為開窗式CMOS傳感器，在捕獲模式、匯聚模式和跟蹤模 式進行三段式開窗，分別對應(yīng)捕獲窗口、過渡窗口和跟蹤窗口。 所述的通信跟蹤傳感器為四象限探測器。
所述的第一透反鏡對所述的發(fā)射信標(biāo)光高反，對接收信標(biāo)光和通信激光高透。 所述的第二透反鏡對接收信標(biāo)光半透半反，對通信激光高透。 所述的第三透反鏡對接收信標(biāo)光高透，對通信激光高反；所述的半透半反鏡對 接收信標(biāo)光半透半反。
所述衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置的控制方法，包括下列步驟
① 首先將已知的衛(wèi)呈軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)提供給星歷表生成器，再將數(shù)據(jù)傳遞給超 前瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器和粗指向環(huán)路控制器，由粗指向環(huán)路控制器控制粗跟瞄系統(tǒng)進行 預(yù)瞄準(zhǔn)，粗跟瞄系統(tǒng)指向?qū)Ψ讲淮_定區(qū)域，同時粗跟瞄系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡進行旋轉(zhuǎn) 掃描不確定區(qū)域；
② 發(fā)射信標(biāo)光經(jīng)第一透反鏡和精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡反射，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡和粗跟 瞄系統(tǒng)后將發(fā)射信標(biāo)光發(fā)射，當(dāng)捕獲跟蹤傳感器的捕獲窗口中的最亮光點高于閼值， 旋轉(zhuǎn)雙棱鏡停止旋轉(zhuǎn)掃描，進入捕獲模式；
③ 進入捕獲模式后，接收信標(biāo)光通過粗跟瞄系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，經(jīng)精跟瞄系統(tǒng) 的快速傾斜鏡反射和第一透反鏡透射后，由第二透反鏡反射的信標(biāo)光被捕獲跟蹤傳 感器的捕獲窗口探測到光點，精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡在考慮到精跟瞄結(jié)構(gòu)噪聲、 電路源噪聲和接收光束指向角的信息后，不斷調(diào)整快速傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)位置，將捕獲 窗口的光點逐步拉入過渡窗口中；在這個過程中，當(dāng)精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡的位 置數(shù)據(jù)高于閾值時，發(fā)出卸載指令，于是，粗指向環(huán)路控制器控制驅(qū)動粗跟瞄系統(tǒng) 的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡旋轉(zhuǎn)一定角度，從而將精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡復(fù)位；當(dāng)過渡窗口的 一個像素高于閾值，進入?yún)R聚模式；
④ 進入?yún)R聚模式后，精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡繼續(xù)調(diào)整偏轉(zhuǎn)位置，而且當(dāng)位置
7數(shù)據(jù)高于閾值時，持續(xù)進行粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的過程，當(dāng)快速傾斜鏡偏轉(zhuǎn) 最亮光點到捕獲跟蹤傳感器的窗口中心區(qū)域即跟蹤窗口，而且滿足中心四個像素之 和減相鄰四個像素之和的值大于閾值時，進入跟蹤模式；
(g)進入跟蹤模式后，將捕獲跟蹤傳感器的跟蹤窗口切換到高精度的通信跟蹤傳 感器，而且在跟蹤模式中，當(dāng)精跟瞄系統(tǒng)的快速傾斜鏡的位置數(shù)據(jù)高于閾值時，進 行粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的過程，同時半透半反鏡透射一部分光信號到信號接 收機，此時整個光跟瞄裝置實現(xiàn)了穩(wěn)定的捕獲跟蹤功能；然后，發(fā)射通信激光(L3)， 并關(guān)閉發(fā)射信標(biāo)光(Ll);
⑥通信激光經(jīng)過超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的調(diào)整后，經(jīng)第三透反鏡反射、第二透反鏡和第 一透反鏡透射、精跟瞄系統(tǒng)反射后，通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和粗跟瞄系統(tǒng)后發(fā)射，超前瞄 準(zhǔn)環(huán)路控制器在系統(tǒng)瞄準(zhǔn)時開環(huán)控制超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)提供一定的超前瞄準(zhǔn)角，補償激 光遠(yuǎn)距離傳輸所消耗時間內(nèi)衛(wèi)呈的相對移動，以實現(xiàn)激光通信。
一種所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置的控制方法，包括下列步驟
根據(jù)捕獲跟蹤傳感器以及通信跟蹤傳感器探測的偏差信號的不同來切換捕獲模 式、匯聚模式和跟蹤模式的控制過程，實現(xiàn)多模式切換。
本發(fā)明的技術(shù)效果
本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置是基于粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的復(fù) 合軸采用旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)的粗跟瞄系統(tǒng)和高帶寬精跟瞄系統(tǒng)相結(jié)合、采用三段開窗
和變采樣率的單個CMOS傳感器為捕獲跟蹤傳感器、普通四象限探測器為通信跟蹤傳
感器的裝置，該裝置的粗跟瞄系統(tǒng)采用獨特的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)，由于旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié) 構(gòu)的減速比很高，對于棱鏡旋轉(zhuǎn)角不敏感，轉(zhuǎn)動力矩小，可以達到較高的控制精度， 因此可用于部分彌補精跟瞄放射鏡偏轉(zhuǎn)角度較小的缺點，在一定程度上降低精跟瞄
放射鏡偏轉(zhuǎn)角度的要求。捕獲跟蹤傳感器采用CMOS傳感器進行變視場、變采樣率的
三段式開窗。而且該裝置的控制方法采用了多模式切換和粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系 統(tǒng)的控制方式。本發(fā)明采用低帶寬旋轉(zhuǎn)雙棱鏡粗跟瞄系統(tǒng)與高帶寬精跟瞄系統(tǒng)進行 動態(tài)的、自適應(yīng)的帶寬匹配實現(xiàn)復(fù)合軸系統(tǒng)的高動態(tài)范圍平穩(wěn)跟蹤，在衛(wèi)星激光通 信高精度激光鏈路系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。


圖l是本發(fā)明的捕獲跟蹤傳感器的三段式開窗示意圖。圖中11-捕獲窗口， 12-過渡窗口，13-跟蹤窗口，14-光點。 圖2本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置示意圖。
圖中L1-發(fā)射信標(biāo)光,L2-接收信標(biāo)光，L3-通信激光，21-粗跟瞄系統(tǒng)，22-望遠(yuǎn)鏡 系統(tǒng)，23-精跟瞄系統(tǒng)，24-捕獲跟蹤傳感器，25-超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，26-通信跟蹤傳感 器,27-信號接收機，Ml-第一透反鏡，M2-第二透反鏡，M3-第三透反鏡，M4-半透半 反鏡。
圖3是本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置的控制系統(tǒng)框圖。 圖中k1-捕獲模式，k2-匯聚模式，k3-跟蹤模式,k4-粗指向環(huán)路控制器,k5-超前 瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器，k6-卸載指令，s1-衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)，s2-星歷表生成器,Al-發(fā) 射光束指向角，A2-接收光束指向角，21-粗跟瞄系統(tǒng),23-精跟瞄系統(tǒng),24-捕獲跟蹤傳 感器，25-超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)，Bl-衛(wèi)星振動噪聲，B2-粗跟瞄機構(gòu)噪聲，B3-精跟瞄結(jié)構(gòu)噪 聲，B4-電路源噪聲。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例進一步詳細(xì)說明本發(fā)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護 范圍。
先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸跟瞄裝置示意圖。由圖可見， 本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸跟瞄裝置，包括發(fā)射信標(biāo)光L1、接收信標(biāo)光L2、通信激 光L3;粗跟瞄系統(tǒng)21、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22、精跟瞄系統(tǒng)23、超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)25;捕獲跟 蹤傳感器24、通信跟蹤傳感器26、信號接收機27;第一透反鏡M1、第二透反鏡M2、 第三透反鏡M3、半透半反鏡M4;發(fā)射信標(biāo)光L1入射到第一透反鏡M1后進入精跟瞄 系統(tǒng)23，再經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22進入粗跟瞄系統(tǒng)21后發(fā)射；接收信標(biāo)光L2進入粗跟 瞄系統(tǒng)21，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22準(zhǔn)直再經(jīng)精跟瞄系統(tǒng)23后，透過第一透反鏡M1，由第 二透反鏡M2反射的光由捕獲跟蹤傳感器24探測，由第二透反鏡M2透射的光透過第 三透反鏡M3后，經(jīng)半透半反鏡M4反射的光進入通信跟蹤傳感器26，透過半透半反 鏡M4的進入信號接收機27;通信激光L3入射到第三透反鏡反射M3后，透過第二 透反鏡M2和第一透反鏡Ml進入精跟瞄系統(tǒng)23，由望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22擴束準(zhǔn)直后經(jīng)過 粗跟瞄系統(tǒng)21發(fā)射；
所述的粗跟喵系統(tǒng)21由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡及其驅(qū)動電路組成，對發(fā)射信標(biāo)光粗指向， 對接收信標(biāo)光進行捕獲與粗跟瞄，同時卸載精跟瞄系統(tǒng)；所述的精跟瞄系統(tǒng)23由兩塊快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，用于快速和高精度 捕獲跟蹤接收信標(biāo)光與通信光，同時抑制高頻平臺振動；
所述的超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)25由兩塊快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，功能是在系統(tǒng)瞄 準(zhǔn)時提供超前瞄準(zhǔn)角；
所述的捕獲跟蹤傳感器24為可丌窗式CM0S傳感器，可在捕獲模式、匯聚模式 和跟蹤模式進行三段式開窗捕獲窗口、過渡窗口和跟蹤窗口，如圖l所示；
所述的通信跟蹤傳感器26為四象限探測器，在進入跟蹤模式時，由捕獲跟蹤傳
感器24的跟蹤窗口切換到四象限探測器；
所述的第一透反鏡Ml對發(fā)射信標(biāo)光Ll高反，對接收信標(biāo)光L2和通信激光L3 咼透；
所述的第二透反鏡M2對接收信標(biāo)光L2半透半反，對通信激光L3高透； 所述的第三透反鏡M3對接收信標(biāo)光L2高透，對通信激光L3高反； 所述的半透半反鏡M4對接收信標(biāo)光L2半透半反； 本發(fā)明的整個工作過程和控制方法結(jié)合圖2和圖3綜合說明如下
① 首先將已知的衛(wèi)呈軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)sl提供給星歷表生成器s2，再將數(shù)據(jù)傳 遞給超前瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器k5和粗指向環(huán)路控制器k4，由粗指向環(huán)路控制器k4控制 粗跟瞄系統(tǒng)21進行預(yù)瞄準(zhǔn)，粗跟瞄系統(tǒng)指向?qū)Ψ讲淮_定區(qū)域，同時旋轉(zhuǎn)雙棱鏡進行 掃描；
② 發(fā)射信標(biāo)光Ll經(jīng)第一透反鏡Ml和精跟瞄系統(tǒng)23的快速傾斜鏡反射，經(jīng)望遠(yuǎn) 鏡系統(tǒng)22經(jīng)過粗跟瞄系統(tǒng)后將信標(biāo)光發(fā)射，當(dāng)捕獲跟蹤傳感器24中捕獲窗口 11中 的最亮光點高于閾值，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡停止掃描，進入捕獲模式kl;
③ 接收信標(biāo)光L2通過粗跟瞄系統(tǒng)21、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22，經(jīng)精跟瞄系統(tǒng)23的快速 傾斜鏡反射和第一透反鏡Ml透射后，由第二透反鏡M2反射的信標(biāo)光由捕獲跟蹤傳 感器24的捕獲窗口 11中探測到光點，精跟瞄系統(tǒng)23的快速傾斜鏡在考慮到精跟瞄 結(jié)構(gòu)噪聲B3，電路源噪聲B4和接收光束指向角A2的信息后，不斷調(diào)整快速傾斜鏡 的偏轉(zhuǎn)位置，將捕獲窗口中的光點逐步拉入過渡窗口 12;在這個過程中當(dāng)精跟瞄系 統(tǒng)23的快速傾斜鏡的位置數(shù)據(jù)高于閾值時發(fā)出卸載指令k6，于是，粗指向環(huán)路控 制器k4控制驅(qū)動粗跟瞄系統(tǒng)21的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡旋轉(zhuǎn)一定角度，從而將精跟瞄系統(tǒng)的 快速傾斜鏡復(fù)位；當(dāng)過渡窗口 12中的一個像素高于閾值，進入?yún)R聚模式k2;
隨后，精跟瞄系統(tǒng)23的快速傾斜鏡繼續(xù)調(diào)整偏轉(zhuǎn) 置，而且當(dāng)位置數(shù)據(jù)高于閾值時持續(xù)進行粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的過程，當(dāng)快速傾斜鏡偏轉(zhuǎn)最亮光點到 捕獲跟蹤傳感器24的窗口中心區(qū)域即跟蹤窗口 13，而且滿足中心四個像素之和減 相鄰四個像素之和的值大于閾值時，進入跟蹤模式k3;
⑤ 將捕獲跟蹤傳感器24的跟蹤窗口 13切換到高精度的通信跟蹤傳感器26，而 且在跟蹤模式中，當(dāng)精跟瞄系統(tǒng)23的快速傾斜鏡的位置數(shù)據(jù)高于閾值時，進行粗跟 瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的過程，同時半透半反鏡M4透射一部分光信號到信號接收機 27，此時整個光跟瞄裝置實現(xiàn)了穩(wěn)定的捕獲跟蹤功能；然后，關(guān)閉發(fā)射信標(biāo)光L1， 開始發(fā)射通信激光L3。
⑥ 通信激光L3經(jīng)過超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)25的調(diào)整后經(jīng)第三透反鏡M3反射、第二透反 鏡M2和第一透反鏡M1透射、精跟瞄系統(tǒng)23反射后，通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)22和粗跟瞄 系統(tǒng)21后發(fā)射。超前瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器k5在系統(tǒng)瞄準(zhǔn)時開環(huán)控制超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)25提 供一定的超前瞄準(zhǔn)角以補償激光遠(yuǎn)距離傳輸所消耗時間內(nèi)衛(wèi)星的相對移動。
在整個系統(tǒng)工作過程中，根據(jù)捕獲跟蹤傳感器24以及通信跟蹤傳感器26探測 到的偏差信號的不同來切換本發(fā)明衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置的捕獲模式kl、 匯聚模式k2和跟蹤模式k3的控制過程,進行多模式切換。在這三種模式中，如果精 跟瞄系統(tǒng)23的位置傳感器測得快速傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)位置超出閾值，將之反饋到粗指向 環(huán)路控制器k4,由粗跟瞄系統(tǒng)21和精跟瞄系統(tǒng)23共同完成卸載過程，將精跟瞄系 統(tǒng)的快速傾斜鏡復(fù)位。
本實施例中，粗跟瞄系統(tǒng)21的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡選用K9玻璃材料，有效通光口徑 (D250mm，掃描范圍±16°，掃描精度100prad，掃描速度2.77s;精跟瞄系統(tǒng)23選用 美國Newport公司FSM-320型的快速傾斜鏡，掃描角度范圍士26mrad，角分辨率蕓 lnrad,閉環(huán)帶寬800Hz;捕獲跟蹤傳感器24選用德國Mikrotron公司MC1302型 CMOS傳感器，像素1280X1024，像素尺寸12pmX12pm,自由開窗；通信跟蹤傳 感器26選用芙國太平洋硅傳感器公司的QP50-6SD2型傳感器，感光區(qū)域07.8mm， 帶寬257kHz。
權(quán)利要求
1、一種衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，包括發(fā)射信標(biāo)光(L1)、接收信標(biāo)光(L2)和通信激光(L3)，其特征在于該裝置由粗跟瞄系統(tǒng)(21)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)、精跟瞄系統(tǒng)(23)、第一透反鏡(M1)、第二透反鏡(M2)、第三透反鏡(M3)、半透半反鏡(M4)、捕獲跟蹤傳感器(24)、超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(25)、通信跟蹤傳感器(26)和信號接收機(27)組成，上述元部件的位置關(guān)系如下按所述的接收信標(biāo)光(L2)進入的方向，依次是所述的粗跟瞄系統(tǒng)(21)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)、精跟瞄系統(tǒng)(23)、第一透反鏡(M1)、第二透反鏡(M2)、第三透反鏡(M3)、半透半反鏡(M4)和所述的信號接收機(27)，在所述的第二透反鏡(M2)的反射光設(shè)置所述的捕獲跟蹤傳感器(24)，在所述的半透半反鏡(M4)反射光方向設(shè)置所述的通信跟蹤傳感器(26)；所述的發(fā)射信標(biāo)光(L1)經(jīng)所述的第一透反鏡(M1)反射后進入所述的精跟瞄系統(tǒng)(23)，反射后，再經(jīng)所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)和所述的粗跟瞄系統(tǒng)(21)后向?qū)Ψ桨l(fā)射；所述的接收信標(biāo)光(L2)進入所述的粗跟瞄系統(tǒng)(21)，經(jīng)所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)準(zhǔn)直再經(jīng)所述的精跟瞄系統(tǒng)(23)反射后，透過所述的第一透反鏡(M1)，由所述的第二透反鏡(M2)反射的光由所述的捕獲跟蹤傳感器(24)探測，由所述的第二透反鏡(M2)透射的光透過所述的第三透反鏡(M3)后，經(jīng)所述的半透半反鏡(M4)反射的光進入所述的通信跟蹤傳感器(26)，透過所述的半透半反鏡(M4)的光進入所述的信號接收機(27)；所述的通信激光(L3)經(jīng)所述的第三透反鏡(M3)反射后，透過所述的第二透反鏡(M2)和所述的第一透反鏡(M1)進入所述的精跟瞄系統(tǒng)(23)，反射后由所述的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)擴束準(zhǔn)直后經(jīng)過所述的粗跟瞄系統(tǒng)(21)發(fā)射。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 粗跟瞄系統(tǒng)(21)是由旋轉(zhuǎn)雙棱鏡及其驅(qū)動電路組成，對發(fā)射信標(biāo)光粗指向，對接 收信標(biāo)光進行捕獲與粗跟瞄，同時卸載精跟瞄系統(tǒng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 精跟瞄系統(tǒng)(23)是由快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，用于快速和高精度捕獲跟蹤 接收信標(biāo)光與通信光，同時抑制高頻平臺振動。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(25)是由快速傾斜鏡及其驅(qū)動電路組成，功能是在系統(tǒng)瞄準(zhǔn)時提供 超前瞄準(zhǔn)角。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 捕獲跟蹤傳感器(24)為開窗式CMOS傳感器，在捕獲模式、匯聚模式和跟蹤模式進 行三段式開窗，分別對應(yīng)捕獲窗口 (11)、過渡窗口 (12)和跟蹤窗口 (13)。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 通信跟蹤傳感器(26)為四象限探測器。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 第一透反鏡(Ml)對所述的發(fā)射信標(biāo)光(Ll)高反，對接收信標(biāo)光(L2)和通信激 光(L3)高透。
8、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 第二透反鏡(M2)對接收信標(biāo)光(L2)半透半反，對通信激光(L3)高透。
9、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置，其特征在于所述的 第三透反鏡(M3)對接收信標(biāo)光(L2)高透，對通信激光(L3)高反；所述的半透 半反鏡(M4)對接收信標(biāo)光(L2)半透半反。
10、 權(quán)利要求1所述衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置的控制方法，其特征在于 包括下列步驟 首先將己知的衛(wèi)星軌道和姿態(tài)數(shù)據(jù)(sl)提供給星歷表生成器(s2)，再將數(shù) 據(jù)傳遞給超前瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器(k5)和粗指向環(huán)路控制器(k4)，由粗指向環(huán)路控制 器(k4)控制粗跟瞄系統(tǒng)(21)進行預(yù)瞄準(zhǔn)，粗跟瞄系統(tǒng)(21)指向?qū)Ψ讲淮_定區(qū) 域，同時粗跟瞄系統(tǒng)(21)的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡進行旋轉(zhuǎn)掃描不確定區(qū)；② 發(fā)射信標(biāo)光(Ll)經(jīng)第一透反鏡(Ml)和精跟瞄系統(tǒng)(23)的快速傾斜鏡反 射，經(jīng)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)和粗跟瞄系統(tǒng)(21)后將發(fā)射信標(biāo)光(Ll)發(fā)射，當(dāng)捕獲 跟蹤傳感器(24)的捕獲窗口 (11)中的最亮光點高于閾值，旋轉(zhuǎn)雙棱鏡停止旋轉(zhuǎn) 掃描，進入捕獲模式(kl);③ 進入捕獲模式(kl)后，接收信標(biāo)光(L2)通過粗跟瞄系統(tǒng)(21)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng) (22),經(jīng)精跟瞄系統(tǒng)(23)的快速傾斜鏡反射和第一透反鏡(M1)透射后，由第二透反 鏡(M2)反射的信標(biāo)光被捕獲跟蹤傳感器(24)的捕獲窗口(11)探測到光點，精跟瞄系 統(tǒng)(23)的快速傾斜鏡在考慮到精跟瞄結(jié)構(gòu)噪聲(B3)、電路源噪聲(B4)和接收光束指向角(A2)的信息后，不斷調(diào)整快速傾斜鏡的偏轉(zhuǎn)位置，將捕獲窗口 (11)的光 點逐歩拉入過渡窗口 (12)中；在這個過程中，當(dāng)精跟瞄系統(tǒng)(23)的快速傾斜鏡 的位置數(shù)據(jù)高于閾值時，發(fā)出卸載指令(k6)，于是，粗指向環(huán)路控制器(k4)控制 驅(qū)動粗跟瞄系統(tǒng)(21)的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡旋轉(zhuǎn)一定角度，從而將精跟瞄系統(tǒng)(23)的快 速傾斜鏡復(fù)位；當(dāng)過渡窗口 (12)的一個像素高于閾值，進入?yún)R聚模式(k2);④進入?yún)R聚模式(k2)后，精跟瞄系統(tǒng)(23)的快速傾斜鏡繼續(xù)調(diào)整偏轉(zhuǎn)位置， 而且當(dāng)位置數(shù)據(jù)高于閾值時，持續(xù)進行粗跟瞄系統(tǒng)(21)卸載精跟瞄系統(tǒng)(23)的 過程，當(dāng)快速傾斜鏡偏轉(zhuǎn)最亮光點到捕獲跟蹤傳感器(24)的窗口中心區(qū)域即跟蹤 窗口 (13)，而且滿足中心四個像素之和減相鄰四個像素之和的值大于閾值時，進入 跟蹤模式(k3);(D進入跟蹤模式(k3)后，將捕獲跟蹤傳感器(24)的跟蹤窗口 (13)切換到 高精度的通信跟蹤傳感器(26)，而且在跟蹤模式中，當(dāng)精跟瞄系統(tǒng)(23)的快速傾 斜鏡的位置數(shù)據(jù)高于閾值時，進行粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的過程，同時半透半 反鏡(M4)透射一部分光信號到信號接收機(27)，此時整個光跟喵裝置實現(xiàn)了穩(wěn)定 的捕獲跟蹤功能；然后，發(fā)射通信激光(L3)，并關(guān)閉發(fā)射信標(biāo)光(Ll);⑥通信激光(L3)經(jīng)過超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(25)的調(diào)整后，經(jīng)第三透反鏡(M3)反 射、第二透反鏡(M2)和第一透反鏡(Ml)透射、精跟喵系統(tǒng)(23)反射后，通過 望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)(22)和粗跟瞄系統(tǒng)(21)后發(fā)射，超前瞄準(zhǔn)環(huán)路控制器(k5)在系統(tǒng) 瞄準(zhǔn)時開環(huán)控制超前瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(25)提供一定的超前瞄準(zhǔn)角，補償激光遠(yuǎn)距離傳輸 所消耗時間內(nèi)衛(wèi)星的相對移動，以實現(xiàn)激光通信。
全文摘要
一種衛(wèi)星激光通信復(fù)合軸光跟瞄裝置及其控制方法，主要用于衛(wèi)星激光通信終端瞄準(zhǔn)、捕獲及跟蹤系統(tǒng)的高精度大范圍跟蹤。該裝置采用粗跟瞄系統(tǒng)和精跟瞄系統(tǒng)相結(jié)合的復(fù)合軸系統(tǒng)，以及粗跟瞄系統(tǒng)卸載精跟瞄系統(tǒng)的控制方法。粗跟瞄系統(tǒng)采用獨特的旋轉(zhuǎn)雙棱鏡結(jié)構(gòu)，具有在較大角度范圍以較高精度掃描的特點。捕獲跟蹤傳感器采用單個CMOS傳感器進行變視場、變采樣率的三段式開窗，通信跟蹤探測器采用普通四象限探測器。本發(fā)明采用低帶寬旋轉(zhuǎn)雙棱鏡粗跟瞄系統(tǒng)與高帶寬精跟瞄系統(tǒng)進行動態(tài)的、自適應(yīng)的帶寬匹配實現(xiàn)復(fù)合軸系統(tǒng)的高動態(tài)范圍平穩(wěn)跟蹤，在衛(wèi)星激光通信高精度激光鏈路系統(tǒng)中具有廣闊的應(yīng)用前景。
文檔編號H04B10/00GK101630970SQ20091005644
公開日2010年1月20日 申請日期2009年8月14日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月14日
發(fā)明者劉立人, 煜 周, 孫建鋒, 閆愛民 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所