專利名稱：一種大氣激光通信系統視軸自動修正方法
技術領域：
本發明涉及大氣激光通信系統中視軸自動修正方法，屬于激光通信技術 領域。
背景技術：
1960年激光出現之后，為光通信系統提供了具有高度指向性、高相干性、 高亮度的光源，促進了光通信技術的發展。由于可以將光束以非常小的發散 角對準目標發射，自由空間光通信比現有的射頻通信更加不容易探測。因此， 自由空間激光通信對于在兩個移動平臺之間實現通信非常具有吸引力，如衛 星之間、衛星與地面間、飛機之間、飛機和地面間、飛機與衛星間的鏈路等。 從二十世紀七十年代開始，世界發達國家就已經開始激光通信技術的研究工 作，對上述的各種鏈路技術進行研究，取得了顯著的成果， 一些實驗獲得了 成功。空間光通信最初是用于軍事目的，這主要是由于其良好的保密性以及大 通信容量。空間光通信終端所發射的信號光束波束窄，有很強的指向性，并 且發散角很小，可以控制到幾個毫弧度，這就使信號光束難以被截獲、竊聽； 空間光通信具有良好的抗電磁干擾性，如復雜電磁環境、電磁波炸彈等，而 1Gbps的通信容量也足以滿足戰術乃至戰略通信的需求；能耗低、結構簡單、 攜帶方便、組網快速靈活是空間光通信的另一突出優點。因此空間光通信非 常適用于軍事通信。正是看到了激光通信技術在軍事通信領域的巨大應用潛 力，最近兩年，世界各國對激光通信系統研究的投資力度顯著增加(參考文 獻:徐繼澤.介紹兩種外軍激光通信機.軍事通信技術，1995.9)。目前，大氣激光通信光端機因均為靜態通信系統，光學系統能夠做到同 軸，雖然具有主動對準裝置(參考文獻余楊,張旭蘋.大氣激光通信機的光 學模型和物理實現研究.激光雜志，2006年第27巻第1期)，但都不具備動 態自動捕獲、對準和跟蹤(Acquisition, Pointing, Tracking簡稱APT)的能力。但對于空間激光通信系統，寬范圍、高精度光束的APT分系統是空間激光通信系統的核心和關鍵部分，它是能否正常通信的前提和基礎。為實現寬范圍、高精度APT控制，需要采用主從復合軸控制結構予以實現。對于空間 激光通信系統，通信光束的功率空間分布接近高斯分布，這就要求通信光束 的視軸中心對準接收視軸，為了減小APT動態跟蹤精度對接收功率的衰減， 需要非常苛刻的APT跟蹤精度。以此設計的地面光端機如圖1所示l為主 機組，安裝在橫軸中部，包括光學卡塞格林系統，.通信光發射、接收分系統、 精信標光發射、接收分系統；2為粗跟蹤CCD組掛裝在橫軸左側。因粗信標 發散角和接收視場均不同于其它子系統，因此將粗信標接收和發射單元單獨 設計在卡式系統外。這樣就使得粗跟蹤與精跟蹤和通信光的不同軸，產生系 統誤差。以往的系統誤差修正方法是應用星校原理，對光學系統靜態重新裝 調(參考文獻張孟偉.光電跟蹤測量儀器的系統誤差的修正方法.光電工 程，1995年06期)。此種方法不能滿足動態激光通信系統的誤差修正要求， 更不能作到實時修正。發明內容為了克服上述技術和方法的不足和缺點，依據現代光學技術和動態光學 技術的發展，結合野外動態實驗，提出了在寬范圍、高精度空間激光通信系 統穩定跟蹤平臺中的視軸自動修正的方法。本發明的方法改革并簡化了光電 跟蹤系統中視頻捕獲和伺服控制技術的應用模式，進一步提出了該技術在高 精度光電跟蹤系統中捕或、瞄準和跟蹤的具體應用，即可采用視軸自動修正 技術補償系統誤差帶來的精度損失，從而實現了激光通信系統的寬范圍、高 精度APT控制。在實際應用中，由于主鏡與粗跟蹤CCD的布局，在激光束散角很小， 通信距離在6 20km的情況下，不能認為粗精視軸同軸，如不進行視軸修正，必然存在系統誤差，無法實現激光通信，所以必須進行補償。本發明的方法所針對的對象就是大氣激光通信光端機當中的視軸自動 修正的方法。其條件和步驟如下1. 所需設備，如圖2所示大氣激光通信光端機主鏡光學系統3，該光 學系統3包括卡塞格林系統，通信光發射、接收分系統、精信標光發射、接 收分系統；粗跟蹤光學系統和CCD成像與處理系統4;還需要轉臺控制計算 機和GPS設備；2. 實現步驟(1) 本方法實現的流程如圖4所示，步驟100為開始，即要完成轉臺控制計算機的啟動、程序和外圍設備的初始化和系統實現目標捕獲并進入跟蹤狀態；(2) 步驟110為轉臺控制計算機接收GPS距離信息，轉臺控制計算機 與GPS設備通信，接收GPS發出的數據，并通過解碼得出大氣激光通信光 端機與激光發射端之間的距離信息；(3) 步驟120為轉臺控制計算機在計算不同通信距離時產生的視軸偏 差角度，如圖3所示。Ro表示粗跟蹤CCD位置，Zo表示主鏡位置，r為兩者 之間距離，O,和02為激光發射端在不同通信距離的位置，E!為ZRoOfo， E2為ZRo02Z。，即為不同通信距離時產生的視軸偏差角度E，轉臺控制計算 機根據GPS信息得到激光發射端與接收端的距離L，由轉臺控制計算機計算 視軸偏差角度E，則應用如下計算表達式E=arctan (r/L);(4) 步驟130為轉臺控制計算機計算需要修正的像元數，則應用如下 計算表達式m=9/N已知粗跟蹤CCD視場角度9、 CCD陣面大小N，轉臺控制計算機可求得每 個像元對應的角度m， 再由n=INT(E/m)求得最終需要校正的象元數n，這里INT為取整函數；(5) 步驟140為步驟130得到的校正值n通過串口送CCD成像與處理 系統中的DSP處理器進行處理，從而改變成像的中心位置，完成了對粗精光 軸的校正；(6) 系統能夠根據需要，自動重復上述(2)到(5)各步驟，完成了 大氣激光通信系統視軸自動修正。有益效果本發明的方法改革并簡化了光電跟蹤系統中視頻捕獲和伺服控制技術 的應用模式，進一步提出了該技術在高精度光電跟蹤系統中捕獲、瞄準和跟 蹤的具體應用，即可采用視軸自動修正技術補償系統誤差帶來的精度損失， 從而實現了激光通信系統的寬范圍、高精度APT控制。無視軸校正時，粗跟 蹤誤差最大(以6km通信距離計)可達到186(jrad。采用本方法后，完全可 以達到60^rad。
圖l為激光通信光端機圖。 圖2為主鏡與粗跟蹤CCD布局圖。 圖3為粗精視差自動修正示意圖。 圖4為視軸自動修正軟件流程圖。 圖5為電視跟蹤系統脫靶量顯示。
具體實施方式
實施例l:在實際應用中，激光束散角小于〈20(Vrad，通信距離在6 20km;1. 所需設備，如圖2所示大氣激光通信光端機LGOOl主鏡光學系統3， 包括卡塞格林系統，通信光發射、接收分系統、精信標光發射、接收分系統; 粗跟蹤光學系統和CCD成像與處理系統4;還需要轉臺控制計算機和GPS 設備；2. 實現步驟(1) 本方法實現的流程如圖4所示，步驟100為開始，即要完成轉臺控 制計算機的啟動、程序和外圍設備的初始化和系統實現目標捕獲并進入跟蹤 狀態；(2) 步驟110為轉臺控制計算機接收GPS距離信息，轉臺控制計算機與 GPS設備通信，接收GPS發出的數據，并通過解碼得出大氣激光通信光端 機與激光發射端之間的距離信息；(3) 步驟120為轉臺控制計算機在計算不同通信距離時產生的視軸偏差 角度，如圖3所示。Ro表示粗跟蹤CCD位置，Zc表示主鏡位置，r為兩者之 間距離，O,和02為激光發射瑞在不同通信距離的位置，E,為ZRoO,Z()， E2 為ZRo02Zo，即為不同通信距離時產生的視軸偏差角度E，轉臺控制計算機 根據GPS信息得到激光發射端與接收端的距離L，由轉臺控制計算機計算視 軸偏差角度E，則應用如下計算表達式E=arctan (r/L);(4) 步驟130為轉臺控制計算機計算需要修正的像元數，則應用如下計 算表達式m=0/N已知粗跟蹤CCD視場角度e、 CCD陣面大小N，轉臺控制計算機可求得每 個像元對應的角度m， 再由n=INT(E/m)求得最終需要校正的象元數n，這里INT為取整函數； (5)步驟140為步驟130得到的校正值n通過串口送CCD成像與處理 系統中的DSP處理器進行處理，從而改變成像的中心位置，完成了對粗精光 軸的校正；(6)系統能夠根據需要，自動重復上述(2)到(5)各步驟，完成了大氣 激光通信系統視軸自動修正。
權利要求
1.一種大氣激光通信系統視軸自動修正方法，其特征在于，其條件和步驟如下所需設備大氣激光通信光端機主鏡光學系統(3)，該光學系統(3)包括卡塞格林系統，通信光發射、接收分系統、精信標光發射、接收分系統；粗跟蹤光學系統和CCD成像與處理系統(4)；還需要轉臺控制計算機和GPS設備；實現步驟(1)步驟100為開始，即要完成轉臺控制計算機的啟動、程序和外圍設備的初始化和系統實現目標捕獲并進入跟蹤狀態；(2)步驟110為轉臺控制計算機接收GPS距離信息，轉臺控制計算機與GPS設備通信，接收GPS發出的數據，并通過解碼得出大氣激光通信光端機與激光發射端之間的距離信息；(3)步驟120為轉臺控制計算機在計算不同通信距離時產生的視軸偏差角度。R0表示粗跟蹤CCD位置，Z0表示主鏡位置，r為兩者之間距離，O1和O2為激光發射端在不同通信距離的位置，E1為∠R0O1Z0，E2為∠R0O2Z0，即為不同通信距離時產生的視軸偏差角度E，轉臺控制計算機根據GPS信息得到激光發射端與接收端的距離L，由轉臺控制計算機計算視軸偏差角度E，則應用如下計算表達式E＝arctan(r/L)；(4)步驟130為轉臺控制計算機計算需要修正的像元數，則應用如下計算表達式m＝θ/N粗跟蹤CCD視場角度為θ、CCD陣面大小為N，轉臺控制計算機可求得每個像元對應的角度為m，再由n＝INT(E/m)求得最終需要校正的象元數n，這里INT為取整函數；(5)步驟140為把步驟130得到的校正值n通過串口送CCD成像與處理系統中的DSP處理器進行處理，從而改變成像的中心位置，完成了對粗精光軸的校正；(6)系統能夠根據需要，自動重復上述(2)到(5)各步驟，完成了大氣激光通信系統視軸自動修正。
全文摘要
本發明涉及大氣激光通信系統中視軸自動修正方法，其條件和步驟如下所需設備為大氣激光通信光端機主鏡光學系統、粗跟蹤光學系統和CCD成像與處理系統、轉臺控制計算機和GPS設備。實現步驟在系統完成初始化，實現目標捕獲并進入跟蹤狀態的情況下，轉臺控制計算機接收GPS距離信息，計算不同通信距離時產生的視軸偏差角度，及需要修正的CCD象元數后，送CCD成像與處理系統中的DSP處理器進行處理，從而改變成像的中心位置，完成了對粗精光軸的校正。無視軸校正時，粗跟蹤誤差最大(以6km通信距離計)可達到186μrad。采用本方法后，完全可以達到60μrad。
文檔編號G01V13/00GK101252394SQ20081005028
公開日2008年8月27日 申請日期2008年1月22日 優先權日2008年1月22日
發明者智 劉, 劉樹昌, 陽 楊, 王小曼, 王彩霞 申請人:長春理工大學