一种无线激光通信反射式瞄准跟踪系统及激光瞄准跟踪方法与流程

本发明属于无线激光通信技术领域，具体涉及一种可快速部署的无线激光通信捕获、对准、跟踪方法及系统。

背景技术

无线激光通信具有很多优点，例如通信容量巨大、传输速率快，抗干扰能力强、隐蔽性好、无需频谱许可等，是未来高速大容量信息传输的重要模式之一，已成为各国通信领域高度认可的通信解决方案之一，同时在各个领域也获得了较为广泛的应用，尤其是在军用领域。传统的无线电通信容易被窃听和干扰，这对军事作战的影响是巨大的。无线激光通信技术配合其他通信方式可有效解决上述问题，所以各国都在争相研究无线激光通信在军事上的应用。

无线激光通信大多用于点对点通信，通常要求通信之间必须无障碍物，任何遮挡都将影响甚至中断通信。为了避免在传输过程中损失太多能量，以增大传输距离，无线激光通信要求光束汇聚性好，即光束发散角要特别小，这样光束的捕获、对准和跟踪(acquisitionpointingandtracking,apt)就成为一个关键的问题。apt系统是建立无线激光通信的前提，可以这样说，没有apt系统，无线激光通信就无法实现。

传统的apt系统大都结构复杂，部署时间慢。对于某些特殊场景，例如战地通信、应急指挥、抗震救灾等，对通信建立时间要求非常严格，传统的apt系统可能无法在短时间内建立无线激光通信链路，所以说研究可快速部署的apt系统还是很有意义的。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种无线激光通信反射式瞄准跟踪系统及激光瞄准跟踪方法，以解决现有的apt系统无法短时间建立无线激光通信链路的问题。

为实现上述目的本发明采用以下技术方案：

一种无线激光通信反射式瞄准跟踪系统，包括二维旋转反射镜、光学接收天线、控制处理器，所述控制处理器控制二维旋转反射镜的俯仰和水平运动，将无线激光通信发射端发射的激光反射进光学接收天线，光学接收天线将激光聚焦成一个小的光斑，光斑打在光学接收天线内部的四象限探测器，然后四象限探测器输出相应的电压值至控制处理器，控制处理器根据接收到的电压值控制反射镜的俯仰和水平，直至将光斑打进四象限探测器中心的小孔，四象限探测器的中心通孔处固定有耦合光纤，光斑进入中心通孔时，发射端发射的激光信号即可耦合进光纤，再利用光纤将激光信号传输至后续的信号处理部分，就完成了无线激光通信链路的建立。

作为本发明进一步的方案，二维旋转反射镜由二维旋转平台和反射镜组成，二维旋转平台实现360°上下俯仰和水平旋转，其中俯仰和旋转通过两个伺服电机控制，两个电机都连接有电机驱动器，用以控制电机运动状态，电机驱动器连接控制处理器，通过控制处理器控制电机驱动器，进而控制二维旋转平台的运动。

作为本发明进一步的方案，光学接收天线主要由透镜、四象限探测器和耦合光纤组成，透镜用于将反射镜反射的散射激光聚焦成一个微小的光斑，四象限探测器被固定在透镜的焦点处，其中心的通孔与透镜的中心同轴，四象限探测器有一个配套的放大电路板，用于对四象限探测器的输出进行电流转电压并放大电压值，耦合光纤采用带自聚焦透镜的光纤，其中有自聚焦透镜的那端固定在四象限探测的通孔中，另一端为通用光纤接口，与后续光纤进行连接。

作为本发明进一步的方案，控制处理器采用stm32，控制处理器用于整个捕获、对准、跟踪过程中信息的采集、处理，控制指令的输出等，即采集四象限探测器放大电路板的输出电压，并根据采集到的电压值判断出光斑在四象限探测器上的位置，进而输出控制指令至二维旋转平台，控制反射镜的俯仰和旋转，从而改变光斑的位置，最终实现对激光的捕获、对准和跟踪。

一种无线激光通信反射式瞄准跟踪系统对激光的捕获、对准和跟踪的方法，包括如下步骤：

步骤1：二维旋转平台初始化；使二维旋转平台的水平旋转方向和上下俯仰方向运动至设定的初始位置；

步骤2：获取捕获电压值；通过二维旋转平台的俯仰和旋转的同时运动，使反射的激光光斑能扫描到四象限探测器，并记录光斑打在四象限探测器上时的电压值，用以后续的对激光的捕获；

步骤3：完成对激光的捕获；获取捕获电压值后，二维平台反向旋转，使反射的激光光斑再次进入光学接收天线，当光斑打在四象限探测器上的某一象限时，即四象限探测器某一象限的输出电压在捕获电压值一定的范围内时，认为捕获已完成；

步骤4：对激光光斑进行粗对准；完成捕获后，通过读取四个象限的电压值判断光斑位于第几象限；知道光斑的位置后，控制处理器控制二维平台的旋转和俯仰，使光斑先水平移动再上下移动或者先上下移动再水平移动，继而慢慢接近四象限探测器的中心通孔；当四象限探测器的四个象限的输出电压都小于某一特定值时，即认为激光光斑已经打在中心通孔边缘，粗对准完成；

步骤5：完成精对准；粗对准完成后，光斑已经打在四象限探测器中心通孔的边缘，这时再控制二维平台，令光斑位置向中心通孔的中间移动，即可完成精对准；

步骤6：实时跟踪；当由于晃动或者其他原因，光斑脱离了四象限探测器中心通孔，重新打在四象限探测器的某个象限上时，执行步骤4粗对准和步骤5精对准，即可重新使光斑进入中心通孔，完成跟踪功能。

步骤7：系统功能的重启；如果出现特殊情况，即对准完成后因为某些原因，光斑直接移出了四象限探测器，控制处理器判断不出光斑的位置，这时系统重新执行步骤1、3、4、5、6，即可重新完成对激光的捕获、对准和跟踪。

所述步骤4分为四种情况，分别对应四个象限；

(1)当光斑位于第一象限时，二维平台旋转开始运动，使光斑水平向右移动，在向右移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第一象限和第二象限的分界线时，即当第二象限的输出电压大于一定的值时，取0.8v，二维平台旋转停止运动，俯仰开始运动，使光斑竖直向下移动；在向下移动的过程中，当四路输出电压都小于特定值时，取0.2v，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向右移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于特定值0.2v时，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；

(2)当光斑位于第二象限时，二维平台俯仰开始运动，使光斑竖直向下移动，在向下移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第二象限和第三象限的分界线时，即当第三象限的输出电压大于0.8v时，二维平台俯仰停止运动，旋转开始运动，使光斑水平向左移动，在向左移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向下移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；

(3)当光斑位于第三象限时，二维平台旋转开始运动，使光斑水平向左移动，在向左移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第三象限和第四象限的分界线时，即当第四象限的输出电压大于0.8v时，二维平台旋转停止运动，俯仰开始运动，使光斑竖直向上移动，在向上移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向左移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；

(4)当光斑位于第四象限时，二维平台俯仰开始运动，使光斑竖直向上移动，在向上移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第四象限和第一象限的分界线时，即当第一象限的输出电压大于0.8v时，二维平台俯仰停止运动，旋转开始运动，使光斑水平向右移动，在向右移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向上移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成。

所述步骤5精对准分为四种情况，分别对应四个象限的粗对准；执行精对准程序时，控制处理器首先判断出是粗对准情况a还是b，再控制二维平台运动，使光斑尽量靠近中心通孔的中心，即可完成精对准；对于第一象限情况a，控制二维平台，使光斑向下移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向右下方向移动一小段距离，即可完成精对准；对于第二象限粗对准情况a，使光斑向左移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向左下方向移动一小段距离，即可完成精对准；对于第三象限粗对准情况a，使光斑向上移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向左上方向移动一小段距离，即可完成精对准；对于第四象限粗对准情况a，使光斑向右移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向右上方向移动一小段距离，即可完成精对准。

本发明的有益效果是：1.传统的apt系统大都是利用大型的伺服转台，直接移动巨大的光学天线，从而实现捕获、对准和跟踪功能。且其中光学精密器件特别多，结构复杂，不易组装，部署时间长，所以很难在短时间内建立无线激光通信链路；而本发明提出的新型apt系统，通过二维旋转反射镜调制激光的反射角度，从而控制激光光斑位置，实现对激光的捕获、对准和跟踪，且没有其他的光学精密器件，结构简单，易组装、易维护，可快速部署，能够在很短的时间内快速建立点对点的无线激光通信链路。

2.本发明采用一种特殊的四象限探测器，用以检测光斑的位置。通过这种特殊的四象限探测器，本系统可建立一种光斑位置与二维平台运动的简单关系，即无需复杂的数学公式，就可通过光斑位置来确定二维平台的运动方向和距离。根据这一简单关系，可快速将光斑移动至四象限探测器中心通孔，从而加快了对激光的捕获、对准和跟踪。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

图2是本发明系统工作原理图。

图3是二维旋转反射镜示意图。

图4是本发明采用的四象限探测器的正面结构示意图。

图5是二维旋转平台的初始位置图和设定的俯仰、旋转角度范围说明图。

图6是获取捕获电压和捕获时光斑的移动轨迹图。

图7是粗对准时光斑的移动轨迹图(其中第一象限粗对准光斑移动轨迹为(1)所示，第二象限粗对准光斑移动轨迹为(2)所示，第三象限粗对准光斑移动轨迹为(3)所示，第四象限粗对准光斑移动轨迹为(4)所示)。

图8是精对准时光斑的移动轨迹示意图。

图1中：1、二维旋转反射镜，2、透镜，3、四象限探测器，4、耦合光纤，5、光学接收天线，6、控制处理器。

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、完整的阐述。

本实例的无线激光通信反射式瞄准跟踪系统整体结构如图1-2所示，主要包括：二维旋转反射镜1、光学接收天线5、控制处理器6。控制处理器6控制二维旋转反射镜1的俯仰和水平运动，将无线激光通信发射端发射的激光信号反射进光学接收天线5，光学接收天线5将激光聚焦成一个特别小的光斑，光斑打在光学接收天线内部的四象限探测器3(本发明选用的四象限探测器为特殊定制的，即四象限探测器中心有一个通孔，通孔直径为1.5毫米，用以传输激光)，然后四象限探测器输出相应的电压值至控制处理器，控制处理器根据接收到的电压值控制反射镜的俯仰和水平，直至将光斑打进四象限探测器中心的通孔。四象限探测器3的中心通孔处固定有耦合光纤4，光斑进入中心通孔时，发射端发射的激光信号即可耦合进光纤，再利用光纤将激光信号传输至后续的信号处理部分，就完成了无线激光通信链路的建立。

本实例采用的二维旋转反射镜如图3所示，二维旋转反射镜1主要由二维旋转平台和反射镜组成。二维旋转平台可以实现360°上下俯仰和水平旋转，俯仰和旋转通过两个伺服电机控制。其中上方的电机控制俯仰，下方的电机控制旋转，两个电机都连接有电机驱动器，用以控制电机运动状态(包括电机转速，电机输入电流，电机转动方向，电机脱机运行等)，电机驱动器连接控制处理器，通过控制处理器控制电机驱动器，进而控制二维旋转平台的运动。

光学接收天线5主要由透镜2、四象限探测器3和耦合光纤4组成。透镜的作用是将反射镜反射的散射激光聚焦成一个微小的光斑(本实例中光斑为200微米)，为了增加透镜的透过率，在透镜表面镀上一层增透膜。四象限探测器如图4所示，外部的大圆为四象限探测器的边缘中心的小圆为中心通孔，两圆之间的区域被分成4份，分别为四象限探测器的四个象限，四个象限输出四路电流信号，再通过四象限探测器配套的放大电路板对电流信号进行电流转电压并进行电压放大，最终输出四路电压信号。四象限探测器固定在透镜的焦点处，其中心的通孔与透镜的中心同轴。想要实现无线激光通信，必须要把在空间中传输的激光信号耦合进光纤，为了增加耦合效率，本发明采用带有自聚焦透镜的光纤进行空间光-光纤耦合。其中有自聚焦透镜的那端固定在四象限探测的中心通孔中，光斑进入中心通孔时，发射端发射的激光信号即可耦合进光纤，另一端为通用光纤接口，方便与后续信号处理部分相连接。

本实例中控制处理器采用stm32，其主要作用是整个捕获、对准、跟踪过程中信息的采集、处理，控制指令的输出等，即利用stm32的ad芯片采集四象限探测器放大电路板的输出电压，并根据采集到的电压值判断出光斑在四象限探测器上的位置，进而输出控制指令至二维旋转平台，控制反射镜的俯仰和旋转，从而改变光斑的位置，最终实现对激光的捕获、对准和跟踪。

所述的atp系统完成对激光的捕获、对准和跟踪的详细过程如下：

步骤1：二维旋转平台初始化。为了减少不必要的扫描时间，加快捕获过程，对二维旋转平台的初始位置和俯仰旋转角度进行设定。俯仰初始位置和转动角度范围如图5所示，在竖直方向上，以透镜中心线为起点，逆时针旋转60°即为俯仰运动的初始位置，俯仰范围为60°至-60°，即俯仰在120°的范围内往复运动。旋转初始位置和转动角度范围类似图5，把竖直方向换成水平方向，既是旋转方向的运动过程。

步骤2：获取捕获电压值。首先对四象限探测器输出电压进行说明。因为本实例光斑面积非常小，只有200微米，所以光斑能量集中。当光斑打在四象限探测器的某一象限上时(不包括象限边缘)，该象限输出的电压值为当前激光信号所能引起的四象限探测器输出的最大值，且当光斑在该象限内移动时，该象限的输出电压值一直为这个最大值，其他象限的输出电压几乎为零。当光斑打在四象限探测器外或者中心通孔时，四个象限的输出电压也几乎为零。获取捕获电压值时光斑的移动轨迹如图6所示，二维旋转平台俯仰和旋转同时运动，光斑的移动轨迹就类似正弦波。为了确保光斑能打在四象限探测器上，应尽量加快俯仰速度，减慢旋转速度。stm32的ad芯片的采集时间为μs量级，意味着二维平台移动一步，stm32可以采集几十甚至上百个电压值，所以说stm32的电压采集速度绝对能跟上二维平台运动的速度，不会出现采集延迟的情况。在整个获取捕获电压值的过程中，stm32一直采集四象限探测器的输出电压，并对其进行比较，找出最大电压值，将最大电压值存储到内存中，用以后续的捕获、对准和跟踪过程。

步骤3：完成对激光的捕获。捕获时，光斑的移动轨迹如图6所示。假设步骤2采集的捕获电压值为2.5v，将其乘以一个系数，本实例为2.5×0.8＝2.0v。在捕获过程中，四象限探测器的四路输出电压中有一路大于2.0，即认为光斑打在四象限探测器上，二维平台停止运动，捕获完成。如果一次扫描没能完成捕获，即旋转方向从60°运动至-60°过程中，四路输出全部小于2.0，则旋转方向反向，从-60°向60°运动，以此规则使旋转方向在60°至-60°往复运动，直至完成捕获。

步骤4：对激光光斑进行粗对准。捕获完成后，对电机进行减速，即减慢二维平台的俯仰和旋转速度，以便提高对准精度。捕获完成时，光斑打在四象限探测器的某一象限，通过读取四象限探测器的四路输出电压，控制处理器可以判断出光斑位于哪个象限(例如光斑打在第一象限时，第一象限输出电压为2.5v左右，其他象限输出电压几乎为零)，接下来就可以执行相应象限的粗对准程序，控制二维平台运动，使光斑移动至中心通孔边缘。分为四种情况，分别对应四个象限，下面对四种情况进行详细说明：

(粗对准初始状态说明：捕获完成后，二维平台俯仰和旋转都停止运动)

(1)当光斑位于第一象限时，二维平台旋转方向开始运动，使光斑水平向右移动，在向右移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第一象限和第二象限的分界线时，即当第二象限的输出电压大于一定的值时(本实例中当第二象限大于0.8v时)，二维平台旋转停止运动，俯仰开始运动，使光斑竖直向下移动。在向下移动的过程中，当四路输出电压都小于特定值时(本实例中小于0.2v)，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向右移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成。第一象限粗对准光斑移动轨迹如图7(1)所示。

(2)当光斑位于第二象限时，二维平台俯仰方向开始运动，使光斑竖直向下移动，在向下移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第二象限和第三象限的分界线时，即当第三象限的输出电压大于0.8v时，二维平台俯仰停止运动，旋转开始运动，使光斑水平向左移动。在向左移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向下移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成。第二象限粗对准光斑移动轨迹如图7(2)所示。

(3)当光斑位于第三象限时，二维平台旋转方向开始运动，使光斑水平向左移动，在向左移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第三象限和第四象限的分界线时，即当第四象限的输出电压大于0.8v时，二维平台旋转停止运动，俯仰开始运动，使光斑竖直向上移动。在向上移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向左移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成。第三象限粗对准光斑移动轨迹如图7(3)所示。

(4)当光斑位于第四象限时，二维平台俯仰方向开始运动，使光斑竖直向上移动，在向上移动的过程中，会出现两种情况，情况a：光斑移动至第四象限和第一象限的分界线时，即当第一象限的输出电压大于0.8v时，二维平台俯仰停止运动，旋转开始运动，使光斑水平向右移动。在向右移动的过程中，当四路输出电压都小于0.2v时，认为光斑打在中心通孔的边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成；情况b：在刚开始向上移动的过程中，某时刻四路输出电压都小于0.2v，认为此时光斑移动至中心通孔边缘处，二维平台停止运动，粗对准完成。第四象限粗对准光斑移动轨迹如图7(4)所示。

步骤5：完成精对准。精对准也分为四种情况，分别对应四个象限的粗对准。执行精对准程序时，控制处理器首先判断出是粗对准情况a还是b，再控制二维平台运动，使光斑尽量靠近中心通孔的中心，即可完成精对准。第一象限精对准光斑移动轨迹如图8所示，对于情况a，控制二维平台，使光斑向下移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向右下方向移动一小段距离，即可完成精对准。对于第二象限粗对准情况a，使光斑向左移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向左下方向移动一小段距离，即可完成精对准。对于第三象限粗对准情况a，使光斑向上移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向左上方向移动一小段距离，即可完成精对准。对于第四象限粗对准情况a，使光斑向右移动一小段距离，即可完成精对准；对于情况b，使光斑向右上方向移动一小段距离，即可完成精对准。

步骤6：实时跟踪。当由于晃动或者其他原因，光斑脱离了四象限探测器中心通孔，重新打在四象限探测器的某个象限上时，执行步骤4粗对准和步骤5精对准，即可重新使光斑进入中心通孔，完成跟踪功能。

步骤7：系统功能的重启。当光斑打在四象限探测器中心通孔时，四路输出电压几乎为零，而当光斑打在四象限探测器外部时，四象限探测器的四路输出电压也几乎为零，所以需要添加一个反馈信号，使控制处理器能准确识别这两种特殊情况。当光斑打在中心通孔时，激光信号进入耦合光纤中，再传输至后续的信号处理部分，信号处理部分反馈给控制处理器一个电信号，这样，控制处理器就能分辨出上述的两种特殊情况。如果在对准完成后，因为某些原因，光斑直接移出了四象限探测器，这时，控制处理器接收不到信号处理部分反馈的信号，从而判断出光斑位于四象限探测器外部，然后，系统执行重启程序，即重新执行步骤1、3、4、5、6，完成对激光的再次捕获、对准和跟踪。

以上所述为本发明较佳实施例，对于本领域的普通技术人员而言，根据本发明的教导，在不脱离本发明的原理与精神的情况下，对实施方式所进行的改变、修改、替换和变型仍落入本发明的保护范围之内。