专利名称：一种星载激光通信atp系统光斑探测相机及探测方法
技术领域：
本发明涉及一种光学跟踪、瞄准系统中的探测相机及探测方法，具体涉及一种星载激光通信ATP系统的光斑探测相机及探测方法。
背景技术：
在星地或者星间激光通信中，由于通信距离远、光束窄以及存在外界干扰(如大气影响、卫星振动等)，必须采用捕获(Acquisition),跟踪(Tracking)和猫准(Pointing)系统来建立维持光通信链路。该系统简称ATP系统。ATP系统中，通信链路的一方发出一束较宽的信标光进行扫描，另一方搜索该信标光。信标光进入该探测器视场并且被正确探测到，这个过程称为捕获;ATP系统将信标光捕获后，双方根据探测器提供的视轴偏差，控制跟踪 机构，使其视轴跟随入射光的视轴变化，称为跟踪；在跟踪的基础上，双方的视轴正确地指向对方视轴，称为瞄准。双方视轴可靠瞄准后，发射端发射时间同步光使双方建立时间同步，此时光通信链路已经建立，可以打开光束较窄的信号激光进行通信。其中光斑探测相机用于探测激光通信链路的信标光方向，使系统得到通信链路光束指向的角度偏差，以此获得通信终端的位置信息，进而建立并维持通信链路。通常空间激光通信系统采用的通信激光发散角非常小(几十μ rad左右)，这对ATP系统提出了很高的跟瞄精度要求(一般要小于20 μ rad)。因此，用于建立和维持通信链路的光斑探测相机必须有非常高的探测精度(一般需要小于I μ rad)。在已经实现的欧空局SILEX计划、日本的ETS-VI计划和OICETS计划中，它们的ATP系统都达到了优于±2 μ rad的跟瞄精度，这些计划的粗跟踪系统都使用了 CCD探测相机，SILEX计划的精跟踪系统使用了 CCD相机，ETS-VI计划和OICETS计划的精跟踪相机则是四象限雪崩管探测器。但是由于这些探测器构造上的缺陷使得现有相机系统还存在诸多不足四象限雪崩管探测器只有四个探测像元、探测阵面小、像元一致性不佳，这导致以它为基础设计的探测相机视场小、探测概率和精度都较低，而且不能灵活的改变跟踪中心；CCD探测器需要多种电压来转移信号电荷，功耗较高，又由于集成化程度低，需要多种配置电路配合才能使用，增加了相机的复杂性，而且还存在着帧转移时的拖尾现象。而随着CMOS探测器的日渐成熟，利用CMOS探测器来实现星载ATP系统的光斑探测相机也成为了切实可行的方案，也能避免上述的诸多缺点。CMOS探测器集成化程度高功耗小，易于实现大规模面阵，其灵活的开窗功能还可进一步提高帧频，且易于修改光斑跟踪中心。这些优势使得CMOS探测器易于满足远距离激光通信ATP系统中粗跟踪探测相机大视场的需求，也易于实现精跟踪探测相机的高帧频。但是直至目前还未有基于CMOS探测器的光斑探测相机在空间激光通信ATP系统中应用。
发明内容
本发明的目的在于针对星间或星地激光通信ATP系统，提供一种高精度的光斑探测相机及正确有效的探测方法，使激光通信系统在发射到太空轨道时，能够实现对通信目标的探测跟踪，建立并维持稳定的通信链路。本发明同样适用于地面端激光通信ATP系统。本发明的方法是利用大口径的卡式望远镜接收外界光束，经过滤光片处理后只剩下信标光进入探测器阵面，这保证相机探测到得是信标光，排除了外界杂光干扰。具有抗辐照能力并内部集成模数转换(ADC)的CMOS探测器在现场可编程门阵列芯片(FPGA)控制下完成光电转换和模数转换，进而将图像数据输出给FPGA。FPGA芯片采用高精度、低延时的质心算法完成对信标光光斑质心位置的提取，并通过三个通信通道与外界完成信息交互。其中FPGA通过RS-422接收通道获得相机的工作参数，完成对探测器的开窗大小、积分时间、阈值设置、坏点剔除等配置工作；通过RS-422发送通道向跟踪系统发送计算得到的质心信息，为整个ATP系统提供通信终端的位置信息；同时通过LVDS通信通道实时发送采集到的图像信息，可用于实时监测、分析相机的工作状态，在星地间通信时，由该通道得到的高帧频图像数据还可用于对大气的研究。本发明采用探测器是CMOS探测器，它的像元是独立编址的。它是通过行地址和列 地址进行直接寻址，然后将该地址所在像元积累的电荷经过放大器放大，再经过ADC转化为数字量被读取。利用这种可直接寻址到像元的特点，使得本发明可以根据需求灵活改变图像读出的开窗大小，在开小窗口时不但避免了大量的图像数据传输而且提高了帧频。这种像元独立读取的方式还避免了 CCD探测器中因电荷转移引起的光晕现象。相机采用的探测器具有抗辐射能力，这使得本发明能够适应太空的高辐射环境。可以实现本发明方法的星载激光通信ATP系统光斑探测相机如
图1所示，包括接收望远镜1，反射镜2，带通滤光片3，成像镜头4，CMOS探测器5，FPGA芯片6，RS-422通信接收芯片7，RS-422通信发送芯片8，LVDS通信发送芯片9，FPGA配置芯片10，5V电源11，5V转3. 3V电压转换芯片12，5V转2. 5V电压转换芯片13，5V转1. 8V电压转换芯片14，5V转1. 5V电压转换芯片15，时钟芯片16。其中接收望远镜1、反射镜2、带通滤光片3和成像镜头4四个部件组成光学系统17，而FPGA芯片6、RS-422通信接收芯片7、RS-422通信发送芯片8、LVDS通信发送芯片9、FPGA配置芯片10、5V直流电源11、5V转3. 3V电压转换芯片12、5V转2. 2V电压转换芯片13、5V转1. 8V电压转换芯片14、5V转1. 5V电压转换芯片15和时钟芯片16十二个部件组成电子学系统18。所述的接收望远镜I是透射式或反射式望远镜系统，放大倍率为8倍；所述的反射镜2为在671nm可见光波段反射率大于97%的平面镜；所述的带通滤光片3对671nm波段光带通；所述的成像镜头4是抛物面凸透镜；所述的CMOS探测器5是具有抗辐射、大面阵并集成内部ADC的CMOS探测器；所述的FPGA芯片6拥有大于3Mbits的Block RAM存储空间；所述的RS-422通信接收芯片7是由NSC公司生产的DS26LV31W芯片；所述的RS-422通信发送芯片8是由NSC公司生产的DS26LV32AW芯片；所述的LVDS通信发送芯片9是由TI公司生产的SNJ55LVDS31W芯片；所述的FPGA配置芯片10是用于配置FPGA芯片程序的PROM芯片；所述的为电子学系统18提供5V电压的5V电源11是电压输出精度优于2%的直流电源；所述的为电子学系统18提供3. 3V电压的5V转3. 3V电压转换芯片12是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统18提供2. 5V电压的5V转2. 5V电压转换芯片13是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统18提供1. 8V电压的5V转1. 8V电压转换芯片14是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统18提供1. 5V电压的5V转1. 5V电压转换芯片15是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述为FPAG芯片6提供48MHz系统工作时钟的时钟芯片16温度25°C时时钟抖动小于8ps。相机通过其光学系统17的接收望远镜I接收信标光光束，经过反射镜2反射后通过带通滤光片3 ;光束经过带通滤光片3后光束中除671nm波长以外的光线将被衰减，而信标光透射通过；再通过成像镜头4进入CMOS探测器5阵面，进一步完成光电转换并将图像数据输出给FPGA芯片6。相机的工作参数由RS-422通信接收芯片7获得并发送给FPGA芯片；FPGA芯片6在这些工作参数下控制CMOS探测器5完成光电转换，并由CMOS探测器5将获得图像数据输出给FPGA芯片6 ;在FPGA芯片获得图像信息后，采用质心算法完成对光斑质心位置的计算，并且同时缓存图像信息，再通过RS-422通信发送芯片8向外发送计算得到的质心信息，同时通过LVDS通信发送芯片9发送实时的图像数据。实现光斑探测方法的具体步骤1.相机开始工作后，首先由FPGA配置芯片10将程序写入FPGA芯片6。由5V直流电源11、5V转3. 3V电压转换芯片12、5V转2. 5V电压转换芯片13、5V转1. 8V电压转换芯片14、5V转1. 5V电压转换芯片15为整个相机电子学系统18提供工作时需要的各项电压。时钟芯片16为FPGA芯片6提供工作时钟；2.在进行空间激光通信时，由接收望远镜I接收信标光光束，经过反射镜2后通过带通滤光片3，带通滤光片3完成对光束的滤光；3.光束经过成像镜头4后，在CMOS探测器5阵面上成像；4.相机通过RS-422通信接收芯片7获得工作参数，参数包括探测器开窗大小、开窗起始位置、积分时间和阈值大小等，FPGA芯片6按参数控制CMOS探测器5完成光电转换并获得图像数据；5. FPGA芯片6将采集到的原始图像数据首先做阈值处理获得质心计算过程中的权重，并缓存图像数据于FPGA芯片的内部RAM中。判断原始图像值v(x，y)大于设定阈值T时,权重值W (X，y) = V (X，y) -T ;若原始图像值v (x, y)小于设定阈值T时,权重值W (x, y)=O0获得权重值后，按照质心计算公式获得质心位置，计算精度为1/32，质心位置(Cx，Cy)计算公式如下，其中X、y为探测器像元坐标，S为探测面上图像的采集范围
权利要求
1.一种星载激光通信ATP系统光斑探测相机，它包括由接收望远镜(I)、反射镜(2)、 带通滤光片(3)和成像镜头(4)四个部件组成的光学系统(17)，CMOS探测器(5)和由FPGA 芯片(6)、RS-422通信接收芯片(7)、RS-422通信发送芯片(8)、LVDS通信发送芯片(9)、 FPGA配置芯片(10)、5V直流电源(11)、5V转3. 3V电压转换芯片(12)、5V转2. 2V电压转换芯片(13)、5V转1. 8V电压转换芯片(14)、5V转1. 5V电压转换芯片(15)及时钟芯片(16) 组成的电子学系统(18)，其特征在于所述的接收望远镜(I)是透射式或反射式望远镜系统，放大倍率为8倍；所述的反射镜(2)为在671nm可见光波段反射率大于97%的平面镜；所述的带通滤光片(3)对671nm波段光带通；所述的成像镜头(4)是组合焦距为312. 5mm的透镜组；所述的CMOS探测器(5)是具有抗辐射、大面阵并集成内部ADC的CMOS探测器；所述的FPGA芯片(6)拥有大于3Mbits 的BlockRAM存储空间；所述的RS-422通信接收芯片(7)是由NSC公司生产的DS26LV31W芯片；所述的RS-422通信发送芯片(8)是由NSC公司生产的DS26LV32AW芯片；所述的LVDS通信发送芯片(9)是由TI公司生产的SNJ55LVDS31W芯片；所述的FPGA配置芯片(10)是用于配置FPGA芯片程序的PROM芯片；所述的为电子学系统(18)提供5V电压的5V电源(11)是电压输出精度优于2%的直流电源；所述的为电子学系统(18)提供3. 3V电压的5V转3. 3V 电压转换芯片(12)是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统(18)提供2. 5V电压的5V转2. 5V电压转换芯片(13)是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统(18)提供1. 8V电压的5V转1. 8V电压转换芯片 (14)是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述的为电子学系统(18)提供1.5V电压的5V转1. 5V电压转换芯片(15)是电压精度优于1%、最大输出电流3A的线性稳压器；所述为FPAG芯片(6)提供48MHz系统工作时钟的时钟芯片(16)温度为25°C时时钟抖动小于8ps ；相机通过其光学系统(17)的接收望远镜(I)接收信标光光束，经过反射镜(2)反射后通过带通滤光片(3);光束经过带通滤光片(3)后光束中除671nm波长以外的光将被衰减； 再通过成像镜头(4 )进入CMOS探测器(5 )阵面，进一步完成光电转换并将图像数据输出给 FPGA 芯片(6)；相机的工作参数由RS-422通信接收芯片(7)获得并发送给FPGA芯片(6) ;FPGA芯片 (6 )在这些工作参数下控制CMOS探测器(5 )完成光电转换，并由CMOS探测器(5 )将获得图像数据输出给FPGA芯片(6);在FPGA芯片获得图像信息后，采用质心算法完成对光斑质心位置的计算，并且同时缓存图像信息，再通过RS-422通信发送芯片(8)向外发送计算得到的质心信息，同时通过LVDS通信发送芯片(9)发送实时的图像数据。
2.一种基于权利要求1所述星载激光通信ATP系统光斑探测相机的光斑探测方法，其特征在于包括以下步骤1).相机开始工作后，首先由FPGA配置芯片(10)将程序写入FPGA芯片(6)，由5V直流电源(11)、5V转3. 3V电压转换芯片(12)、5V转2. 5V电压转换芯片(13)、5V转1. 8V电压转换芯片(14)、5V转1. 5V电压转换芯片(15)为整个相机电子学系统(18)提供工作时需要的各项电压，时钟芯片(16)为FPGA芯片(6)提供48MHz工作时钟；2).在进行空间激光通信时，由接收望远镜(I)接收信标光光束，经过反射镜(2)后通过带通滤光片(3)，带通滤光片(3)完成对光束的滤光；3).光束经过成像镜头(4)后，在CMOS探测器(5)阵面上成像；4).相机通过RS-422通信接收芯片(7)获得工作参数，参数包括探测器开窗大小、开窗起始位置、积分时间和阈值大小等，FPGA芯片(6)按参数控制CMOS探测器(5)完成光电转换并获得图像数据；5).FPGA芯片(6)将采集到的原始图像数据首先做阈值处理获得质心计算过程中的权重，同时缓存图像数据于FPGA芯片的内部RAM中，判断原始图像值V (X，y)大于设定阈值T 时，权重值W(x，y) =v(x，y)_T ;若原始图像值v (x, y)小于设定阈值T时,权重值W(x, y)= 0，获得权重值后，按照质心计算公式获得质心位置，计算精度为1/32，质心位置(Cx，Cy)计算公式如下，其中X、y为探测器像元坐标，S为探测面上图像的采集范围
全文摘要
本发明公开一种星载激光通信ATP系统光斑探测相机及探测方法，用以探测激光通信链路的信标光方向，使系统得到通信链路光束指向的角度偏差，以此获得通信终端的位置信息，进而建立并维持通信链路。它采用接收望远镜、反射镜、带通滤光片、成像镜头组成相机的光学系统，采用5V直流电源、电压转换芯片、FPGA芯片、CMOS探测器、时钟芯片、通信芯片等组成相机的电子学系统。通过光学系统获得通信系统的信标光并使其在探测器阵面上成像，再由电子学系统处理图像数据后获得光斑质心，并输出给跟踪系统。相机高精度的探测性能，使得ATP系统能够准确的获知通信终端位置，建立并维持稳定的通信链路，保证顺利实现空间尺度的激光通信。
文档编号H04N5/378GK103024307SQ20121050616
公开日2013年4月3日 申请日期2012年11月30日 优先权日2012年11月30日
发明者钱锋, 王建宇, 贾建军, 张亮, 杨攀, 杨明冬, 白帅, 张婷婷 申请人:中国科学院上海技术物理研究所