专利名称：一种深空光通信跟踪瞄准系统的制作方法
技术领域：
本专利涉及空间光通信跟踪瞄准技术，具体涉及一种深空光通信跟踪瞄准系统， 可应用于深空光通信中。
技术背景空间光通信相比其他经典通信方式具备系统体积小，通信速率高及保密性好等优点，但为了提高通信距离并减小系统资源通信光的发散角一般接近于发射衍射极限(小于 IOurad)。为了实现远距离下极窄发散角通信光的对准，都需要采用捕获跟踪与瞄准系统 (ATP系统)。ATP系统用来建立和维持通信终端间的光链路，跟踪精度可达到urad量级。ATP技术随着空间激光通信的研究得到了同步发展，在欧空局SILEX星间光通信计划及日本的OICETS星间星地激光通信计划中均得到了成功应用。目前ATP系统普遍采用粗跟踪环嵌套精跟踪环的复合轴控制方式，各环路的跟踪探测器均以对方终端发出的信标光或信号光作为光源，其中精跟踪探测器帧频达到数KHz，因此积分时间很短。由于天线口径有限，随着通信距离的增加对信标激光器的要求越来越高。比如在火星深空光通信中， 如仍采用单独跟踪对方信标光的模式，信标激光器的需求功率将达到IKW以上，这在系统设计中是不现实的。如果将空间卫星平台中对ATP系统的干扰因素分为低频、中频及高频三部分，则高频部分由系统机械隔振消除，低中频部分需要由ATP本身抑制。惯性参考单元是一个小型化自稳定平台，对中低频段有良好的抑制能力，可以为ATP系统提供基本不受卫星平台振动影响的高稳定度基准光源。
发明内容本专利的目的是提供一种应用于深空光通信的新型跟踪瞄准系统，采用内部惯性参考光源配合外部目标信标光的组合探测方式，降低了对外部信标光的探测帧频，从而解决目前系统中对信标光功率要求过高的问题。本系统结构如附图1所示，包括粗跟踪机构1，光学望远镜2，惯性参考单元3，参考激光源4，反射镜组件5，快速倾斜镜6，小面阵相机7，大面阵相机8，分光组件9。所述的粗跟踪机构1是二维转台结构；所述的光学望远镜2是透射式或反射式望远镜系统；所述的惯性参考单元3是一个小型化自稳定平台；所述的参考激光源4的波长在可见光波段，与外部目标信标光波长相差50nm以上；所述的快速倾斜镜6是压电陶瓷驱动的快速倾斜镜；所述的小面阵相机7采用CMOS或CCD探测器，帧频大于2KHz ；所述的大面阵相机8采用CMOS或CXD探测器，帧频2 5Hz。所述的惯性参考单元3、参考激光源4、反射镜组件5均固定在光学望远镜2上，并随着粗跟踪机构1偏转；快速倾斜镜6与分光组件9安装在光学望远镜2的像方光路上，分光组件9将参考激光源4的激光和信标光在光学望远镜2的成像面分成二个不同的像面， 小面阵相机7安放在参考激光源4激光成像面上，大面阵相机8安放在信标光的成像面上，它们的接收视场中心保持重合。系统的工作原理如下惯性参考单元3为参考激光源4提供一个高稳定平台，小面阵相机7与快速倾斜镜6组成闭环控制系统，小面阵相机7实时根据参考激光源的像点质心位置与跟踪点位置的偏差作高带宽的闭环控制，控制快速倾斜镜6的偏转，使得像点位置稳定在跟踪点上，达到后光路光轴稳定的目的。外部目标信标光进入大面阵相机8中，大面阵相机8的探测帧频低，对信标光的功率需求低。首先根据该相机上目标信标光像点11(附图2、相对跟踪中心12的偏差控制粗跟踪机构1运动，将目标信标光像点11引入到精跟踪视场区域10内；然后该偏差用于实时调整小面阵探测器7的跟踪中心，间接控制快速倾斜镜6动作使得目标信标光像点11稳定在大面阵相机8的跟踪中心12附近，最终达到精密跟踪的目的。完整的快速倾斜镜6的闭环控制框图如附图3所示。本专利有如下有益效果通过降低目标信标光的探测帧频，可以大大降低对信标光激光器的功率需求，同时又能保证跟踪的精度，非常适于深空光通信中应用。
图1是本专利的深空光通信跟踪瞄准系统结构图。图2是大面阵相机中目标终端信标光像点位置示意图。图3是快速倾斜镜的闭环控制框图。图中1.粗跟踪机构，2.光学望远镜，3.惯性参考单元，4.参考激光源，5.反射镜组件，6.快速倾斜镜，7.小面阵相机，8.大面阵相机，9.分光镜组件，10.精跟踪视场区域， 11.目标信标光像点，12.大面阵相机跟踪中心。
具体实施方式
以下结合附图对本专利的具体实施方式
作进一步的详细说明以某深空光通信的ATP应用为例，将ATP系统的功能分为光轴稳定和绝对偏差调整两部分。光轴稳定是为了克服卫星平台的振动，采用内部惯性参考光源闭环；绝对偏差调整是为了纠正系统光轴与目标信标光轴的偏差，采用外部信标光源闭环。 (1)参考激光源4波长选择为532nm，外部目标信标光波长为67lnm，通过分光镜组件9，参考激光进入小面阵相机7，外部目标信标光进入大面阵相机9。小面阵探测器7选择 CMOS探测器，开窗大小64X64，帧频可达到2. 5KHz以上。利用该探测器与快速倾斜镜6作闭环控制，使用PID控制算法，可以达到200Hz以上的控制带宽，从而有效抑制卫星平台的中低频振动干扰，使得后光路光轴的抖动在Prad量级。控制框图如附图3中的内环部分。 (2)为了准确对准目标位置，对来自目标终端的信标光进行探测。经过望远镜2 和分光镜组件5，目标信标光进入大面阵相机8，该探测器采用CMOS探测器，开窗大小为 1000X 1000，帧频小于5Hz，从而对目标信标光有较长的积分时间。相比直接用高帧频相机探测信标光的方式，对信标光的功率需求降低了 400倍。大面阵相机8与小面阵相机7需要进行严格的视场中心配准，小面阵相机7的视场对应附图2中的精跟踪视场区域10。[0023]大面阵相机中跟踪中心12对应光通信信号光的光轴，根据目标终端信标位置11 与跟踪中心12的偏差大小选择控制粗跟踪机构或快速反射镜的动作。当信标位置11在精跟踪视场区域10的外部时，该偏差用于控制粗跟踪机构，根据闭环反馈将像点引入精跟踪视场区域10。然后进入精跟踪调整阶段，即说明书附图3中的外环部分，此时信标位置11 距离跟踪中心12的偏差用于计算和调整内环的跟踪中心。内环跟踪中心的改变同时对应大面阵相机内信标像点位置的改变。最终将目标信标光像点11稳定在大面阵相机跟踪中心12附近，两者偏差即为整个跟踪系统的跟踪误差。(3)当大面阵相机7用于快速倾斜镜6的闭环控制时，为了防止目标位置相对星上终端的长时间大范围漂移超过快速倾斜镜6的运动范围极限，粗跟踪机构需要进行反向开环补偿。快速倾斜镜6内部的角度传感器检测出当前反射镜偏转的角度值，超过一定大小时由粗跟踪机构同向偏转相等的角度，从而释放快速倾斜镜6的偏转空间。
权利要求1. 一种深空光通信跟踪瞄准系统，它包括粗跟踪机构(1)，光学望远镜O)，惯性参考单元(3)，参考激光源(4)，反射镜组件(5)，快速倾斜镜(6)，小面阵相机(7)，大面阵相机 (8)，分光组件(9)，其特征在于:所述的粗跟踪机构(1)是二维转台结构；所述的光学望远镜(2)是透射式或反射式望远镜系统；所述的惯性参考单元C3)是一个小型化自稳定平台；所述的参考激光源的波长在可见光波段，与外部目标信标光相差50nm以上；所述的快速倾斜镜(6)是压电陶瓷驱动的快速倾斜镜；所述的小面阵相机(7)采用CMOS或CCD探测器，帧频大于2KHz ；所述的大面阵相机⑶采用CMOS或CXD探测器，帧频2 5Hz ；所述的惯性参考单元(3)、参考激光源G)、反射镜组件( 均固定在光学望远镜(2) 上，并随着粗跟踪机构(1)偏转；快速倾斜镜(6)与分光组件(9)安装在光学望远镜(2)的像方光路上，分光组件(9)将参考激光源的激光和信标光在光学望远镜O)的成像面分成二个不同的成像面，小面阵相机(7)安放在参考激光源(4)的激光成像面上，大面阵相机(8)安放在信标光的成像面上，它们的接收视场中心保持重合。
专利摘要本专利公开了一种深空光通信跟踪瞄准系统，该系统具有一个内部惯性参考光源及两个面阵相机，内部惯性参考光源与外部目标信标光波长不同，采用分色片使小面阵相机对系统内部的惯性参考光源成像，根据像点位置偏差闭环控制快速倾斜镜，使系统光路光轴稳定；大面阵相机对外部目标信标光成像，根据像点位置偏差调整上述小面阵相机的跟踪中心，达到稳定精确跟踪的目的。本实用新型可以大大降低深空光通信中对目标终端信标光激光器的功率需求，为系统实现提供了可行性保障。
文档编号H04B10/08GK202059416SQ201120069718
公开日2011年11月30日 申请日期2011年3月16日 优先权日2011年3月16日
发明者吴金才, 张亮, 强佳, 杨海马, 王建宇, 贾建军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所