一种光束位置与姿态检测系统的制作方法

本实用新型涉及无线激光通信技术领域，特别是涉及一种光束位置与姿态检测系统。

背景技术：

无线激光通信链路建立的前提是通信发射端与接收端严格对准。激光束在大气中传输时受大气湍流的影响，光束发生展宽，漂移与闪烁，这些现象对通信链路的保持产生了较大影响，严重时可能造成通信链路中断。为了建立并保持通信链路，需要一套光束控制系统对光束指向进行控制。在无线激光通信系统中对光束指向进行控制的系统称之为APT系统。

光斑检测系统是APT系统的分系统，该系统的传统检测方法如下,光束直接照射至传感器表面，读取传感器的光斑位置信息并进行处理。该方法存在的问题是无法对光束横向漂移与天线角度误差分别进行检测。具体表现如下，当通信距离较近时（小于1Km），光斑检测传感器检测到光斑位置的误差数据，该数据是光束横向漂移与接收天线角度偏差的叠加；当通信距离较远时（大于1Km），影响天线对光束接收的主要因素是光束的横向漂移，此时，由于光束长距离传播，当光束到达天线接收面时近似为平行光束，平行光束无论是否发生横向漂移，其通过天线系统后均会在焦点处汇聚，故通过该方法对其无法进行检测。实际情况下，由于光束不是完全平行光束，该方法只能通过提高检测灵敏度，对光束偏移量进行检测，但是检测精度有限，同时随着检测灵敏度的提高，势必引入大量测量噪声，这也增加了后级信号处理的难度。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是提供一种光束位置与姿态检测系统，结构简单，采用了一种基于背投幕成像的机器视觉系统，可以根据检测光斑的椭圆度来判断光束是否对准天线接收面，解决了现有技术无法对光束相对接受面发生横向漂移时，光束位置无法检测的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的一个技术方案是：提供一种光束位置与姿态检测系统，包括：单透镜、CCD相机、FD型光学背投幕、分光棱镜和通信探测器，所述单透镜、分光棱镜和通信探测器在一条直线上，分光棱镜位于单透镜和通信探测器之间，所述CCD相机位于分光棱镜一侧，所述FD型光学背投幕位于CCD相机与分光棱镜之间。

在本实用新型一个较佳实施例中，所述FD型光学背投幕背面的菲涅尔透镜是以同心圆方向进行切割的。

本实用新型还提供了上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：

a、单透镜接收光束，分光棱镜将射入的激光束一分为二，其中一路光束为通信光束，另一路光束为位置检测光束；

b、位置检测光束首先照射在FD型光学背投幕上，由于背投幕背面散射粒子对光束的散射作用，光束截面在背投幕上成像；

c、通过CCD相机观测背投幕上的光斑成像；

d、定义光束的横向漂移为光束位置，光束与天线接收面视轴夹角为光束姿态，光束位置与姿态计算方法如下：视场角为，观测背投幕的尺寸为z，完整圆环形心a点与视场中心o点的距离为x，圆环中明亮部分质心b点与a点的距离为y，CCD视场中圆环半径为，已知接收望远系统接收面实际尺寸直径为，光束姿态由计算式：

可以求得；

光束位置由计算式：

可以求得。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型可以通过检测光斑的椭圆度来表征对方光束是否对准光端机天线接收面，此方法比常规方法检测精度更高，通过该检测方法可以更加精确控制光束指向，最大限度使得光束能量进入接收天线，提高接收端信号的信噪比。

2、本实用新型可减少光学系统内部炫光的问题，使得检测结果精度大为提高。同时由于不受炫光的干扰，使得检测算法大幅简化，提高了检测速度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1是本实用新型一种光束位置与姿态检测系统一较佳实施例的结构示意图；

图2是FD型光学背投幕的结构示意图；

图3 是FD型光学背投幕背面的菲涅尔透镜的结构示意图；

图4 光束位置检测的四种情况示意图，其中：（a）光束垂直入射且完全笼罩接收面；（b）光束斜入射且完全笼罩接收面；（c）光束垂直入射且部分笼罩接收面；（d）光束斜入射且部分笼罩接收面；

图5 光斑位置计算示意图。

附图中各部件的标记如下：1、单透镜，2 、CCD相机，3、FD型光学背投幕，4、入射光束，5 、分光棱镜，6 、CCD相机视场，7 、通信探测器。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

请参阅图1至图5，本实用新型实施例包括：

一种光束位置与姿态检测系统，包括：单透镜、CCD相机、FD型光学背投幕、分光棱镜和通信探测器，所述单透镜、分光棱镜和通信探测器在一条直线上，分光棱镜位于单透镜和通信探测器之间，所述CCD相机位于分光棱镜一侧，所述FD型光学背投幕位于CCD相机与分光棱镜之间。

本实用新型的检测系统使用CCD（Charge Coupled Device）相机作为光斑位置传感器，并使用背投屏幕对光束进行成像。本实用新型利用背投幕成像原理，解决了光束远距离传播后，光束发生横向漂移时，光斑检测系统对其位置无法检测的问题。以及光束近距离传播后，光斑检测系统对天线角度与光束漂移两种信息无法分辨的问题。同时解决了直接使用CCD相机进行光斑检测时，检测系统受光学结构内部炫光影响严重的问题，提高了检测精度，降低了后期信号处理的算法复杂度。

上述检测系统的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：如图一所示，激光通信中用于接收光束的卡塞格林光学结构简化为一个单透镜系统，在接收天线内部主光路焦点附近放置了一块分光棱镜，如图1所示，分光棱镜将射入的激光束一分为二，其中一路光束为通信光束，另一路光束为位置检测光束。

步骤二：如图二所示，本系统主要由一块FD型（Fresnel lens-Diffusion cover）光学背投幕与CCD工业相机组成。位置检测光束首先照射在FD型光学背投幕上，由于背投幕背面散射粒子对光束的散射作用，光束截面在背投幕上成像。对背投幕的安装位置进行离焦式设计，这是由于当背投幕处于望远系统焦平面时，平行入射光束经过透镜系统聚焦成一点，该情况下只能检测入射光束与天线系统接收面视轴的夹角，无法检测光束沿接收面切向漂移的位移量。在本系统中，将背投幕设计放置到光学系统焦点的前方96mm处，此时背投幕上的像为圆形光斑。根据光斑残缺情况对光束沿接收面发生漂移的位移量进行检测，此处定义光斑残缺程度为光斑的椭圆度。光斑的大小可根据光学系统焦点到背投幕的距离进行微调，距离越大光斑越大，反之光斑越小。FD型光学背投幕是一种单层菲涅尔散射屏幕，屏幕在入射光束一侧为菲涅尔透镜结构，面向CCD工业相机的镜头的另一侧是掺杂大量散射粒子的平面。屏幕水平视角与垂直视角依赖于面向CCD相机一侧面中掺杂的散射粒子对光束的散射作用，因此其垂直方向与水平方向的视角特性一致，能够提供超高的分辨率图像，其图像理论分辨率为散射粒子的大小，一般在3~7 。光学天线口径为208mm，焦距为2000mm，为了使透过背投屏幕出射的光线垂直分布且屏幕亮度均匀，菲涅尔透视幕的屏幕焦距必须与接收望远镜系统的焦距相配合，光学背投幕在制造过程中，背面的菲涅尔（Fresnel）透镜以同心圆方向进行切割，如图3所示，以控制光线入射角度。

步骤三：如图4所示，将望远系统简化为一个单透镜系统，由于在本系统中使用了卡塞格林望远系统，该系统由主镜与副镜组成，副镜会对入射光束产生遮挡，从而使圆形光斑在背投幕上成像为圆环。该图第一行为沿入射光轴切向观察，入射光线与接收视场视轴夹角的关系。该图第二行为沿入射光轴径向观察，在望远系统接收面处光斑与接收面的位置关系。该图第三行为通过CCD相机观测背投幕上的光斑成像。该图中四个子图分别表示了在不同情况下通过CCD相机观测到的在背投幕上不同的像。

子图（a）为入射光束与天线接收视场视轴夹角为零度，且光束将望远系统接收面完全笼罩。此时可以通过CCD相机观测到背投幕上的成像为完整的圆环，且在视场中心位置；

子图（b）为入射光束与天线接收视场视轴夹角非零度，且光束将望远系统接收面完全笼罩。此时可以通过CCD相机观测到背投幕上的成像为完整的圆环，但偏离视场中心位置；

子图（c）为入射光束与天线接收视场视轴夹角为零度，且光束将望远系统接收面部分笼罩。此时可以通过CCD相机观测到背投幕上成像的为残缺的圆环，但在视场中心位置；

子图（d）为入射光束与天线接收视场视轴夹角非零度，且光束将望远系统接收面部分笼罩。此时可以通过CCD相机观测到背投幕上成像为残缺的圆环，且偏离视场中心位置。通过以上这种方式，可以分别检测出入射光束与接收面径向夹角与切向漂移量。

步骤四：定义光束的横向漂移为光束位置，光束与天线接收面视轴夹角为光束姿态。光束位置与姿态计算方法如图5所示，视场角为，观测背投幕的尺寸为z,完整圆环形心a点与视场中心o点的距离为x，圆环中明亮部分质心b点与a点的距离为y，CCD视场中圆环半径为，已知接收望远系统接收面实际尺寸直径为。入射光束与接收面径向夹角（光束姿态）由计算式：

可以求得。

入射光束与接收面切向漂移量（光束位置）由计算式：

可以求得。

本实用新型具有以下有益效果：

1、本实用新型可以通过检测光斑的椭圆度来表征对方光束是否对准光端机天线接收面，此方法比常规方法检测精度更高，通过该检测方法可以更加精确控制光束指向，最大限度使得光束能量进入接收天线，提高接收端信号的信噪比。

2、本实用新型可减少光学系统内部炫光的问题，使得检测结果精度大为提高。同时由于不受炫光的干扰，使得检测算法大幅简化，提高了检测速度。

以上所述仅为本实用新型的实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。