一种基于棱镜分割的光斑中心提取的装置及方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于棱镜分割的光斑中心提取的装置及方法。该装置采用分束器和屋脊棱镜对光学系统接收到的光束进行分割，分束器将光束分成空间相互正交的两束光，再由水平探测单元和垂直探测单元对这两束光分别进行探测，探测单元内的屋脊棱镜将入射的光束再分成处于同一直线上，方向相反的两束光，由聚焦透镜对每束光进行汇聚再由硅光电二极管进行光强探测，水平探测单元和垂直探测单元探测所得的共四路光的光强的信息由计算机进行数据处理便可得出待测光斑的中心。本发明使用光学元件进行光斑图像分割，方法新颖，简便易行，同时可以实现较高精度的光斑中心提取。
【专利说明】
一种基于棱镜分割的光斑中心提取的装置及方法
技术领域：
[0001] 本发明涉及高精度光学探测，具体涉及一种光斑中心提取的方法，可用于空间激 光通信捕获、跟踪和瞄准系统中信标光光斑中心的提取。
【背景技术】：
[0002] 卫星激光通信的核心技术是捕获、跟踪和瞄准技术，而微弧度量级的跟瞄技术为 其中的难点。高精度的跟瞄需要准确的获得跟瞄参考源的中心信息，以此跟瞄参考源的中 心信息来指导卫星终端光束的精确指向，进而实现卫星激光通信链路的建立和维持。然而 由于存在以下问题导致难以精确地提取信标光斑中心：
[0003] 1.捕获、跟踪和瞄准系统的精跟踪子系统探测器需要同时满足一定的视场和较高 的信标光斑中心提取精度，传统的探测器对信标光斑的中心进行提取，存在探测器像元非 均匀、填充率低、量子效率低等问题。
[0004] 2.捕获、跟踪和瞄准系统的精跟踪子系统探测器需要满足较高的探测帧频以实现 较高精度的干扰抑制带宽，传统的探测器为实现较高的探测帧频需要进行复杂的电路设计 和数据处理。
【发明内容】
：
[0005] 为了解决【背景技术】中存在的问题，本发明采用了基于棱镜分割的方法，由分束器 对待测光斑所在的光束进行分割，分成水平方向和垂直方向的两束光，分别进入水平探测 单元和垂直探测单元，水平探测单元和垂直探测单元的组成和原理相同，但空间的放置方 位不同，每个探测单元内的屋脊棱镜将进入的光束分成处于同一直线上、方向相反的两束 光，再对每束光用聚焦透镜进行汇聚，用硅光电二极管对其光强信息进行探测，探测所得的 四路光强信息输入工作计算机进行数据处理，以得出待测光斑的中心。
[0006] 本发明一种基于棱镜分割的光斑中心提取装置及方法，包括:分束器1，水平探测 单元2，垂直探测单元3，工作计算机4，其中水平探测单元2和垂直探测单元3的组成和原理 相同，在空间中相互正交放置，水平探测单元2和垂直探测单元3分别都包括一个屋脊棱镜、 第一聚焦透镜和第二聚焦透镜、第一硅光电二极管和第二硅光电二极管，整个光斑中心提 取装置的特征在于：
[0007] 光斑中心提取装置放置在稳定平台上，并与稳定平台刚性连接;待测光斑中心的 光束经过分束器1后，分成水平方向和垂直方向的两束光，水平方向和垂直方向的光束分别 由水平探测单元2和垂直探测单元3进行探测。光束进入各探测单元内，先被屋脊棱镜分成 处于同一直线上、方向相反的两束光，然后分别由第一聚焦透镜和第二聚集透镜对两束光 进行汇聚，再由第一硅光电二极管和第二硅光电二极管对汇聚后的光进行光强探测。最后 将两个探测单元探测所得的四路光强信息输入工作计算机4进行数据处理以得到待测光斑 的中心。
[0008] 光斑中心的提取方法，其特征在于包括以下步骤：
[0009] 1.使用光学元件进行光束分割:使用分束器1将入射光束分成相互正交的水平方 向光束和垂直方向光束，分别进入水平探测单元2和垂直探测单元3进行探测，各探测单元 内的屋脊棱镜将光束分割为处于同一直线上，方向相反的两束光。
[0010] 2.光斑中心提取装置的数据处理:在工作计算机4中，由水平探测单元探测所得的 能量XI、X2与垂直探测单元探测所得的能量Y1、Y2,进行数据处理，得到光斑中心坐标(X， Y)，运算公式为：
[0013]其中K为比例系数，由定标结果给出。
[0014]本发明有如下有益效果：
[0015] 1.使用屋脊棱镜的脊对光斑进行分割:利用屋脊棱镜光学特性将入射光分成处于 同一直线上、方向相反的两束光，棱镜的加工精度和刚度可达到较高的水平，在捕获、跟踪 和瞄准系统中使用时，可以提高系统的抗振动抗干扰能力。
[0016] 2.使用娃光电二极管进行光强探测:娃光电二极管光敏面大、可实时输出入射光 的能量信息，满足系统对高探测帧频的需求，可以实现系统较高的线性度和灵敏度。
[0017] 3.使用四个独立的硅光电二极管进行光强探测，方便进行不同硅光电二极管的一 致性标定，从而可以达到较高的光斑中心提取精度。
[0018] 4.系统集成性较高，具有高性能，高可靠性的优点。
【附图说明】：
[0019]图1是光斑中心提取方法的系统原理图。图中：分束器1;水平探测单元2;垂直探测 单元3;工作计算机4。
[0020]图2是水平探测单元或垂直探测单元的原理图。图中：屋脊棱镜5;第一聚焦透镜6; 第二聚焦透镜7;第一娃光电二极管8;第二娃光电二极管9。
【具体实施方式】：
[0021]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步的说明：
[0022]本发明一种光斑中心提取方法的装置如附图1所示，使用分束器对入射光进行分 害J，分成水平方向和垂直方向的两束光，两束光分别进入水平探测单元和垂直探测单元内， 每个探测单元的组成如附图2所示，进入每个探测单元中的光束被屋脊棱镜分成处于同一 直线，方向相反的两束光，每束光使用聚焦透镜进行汇聚，再使用硅光电二极管对汇聚后的 光进行能量探测。入射光选用670nm的激光器经过平行光管模拟远距离的平行光，接收光学 系统选用200mm 口径2m焦距的望远镜。分束器选用TH0RLABS公司分束比为50:50的非偏振分 束立方体BS031，其工作波长最佳波长在400nm到700nm之间；屋脊棱镜选用TH0RLABS公司的 刀锋直角屋脊棱镜MRAK25-E02,其工作波长最佳波长在400nm到750nm之间；硅光电二极管 选用TH0RLABS公司的SM1PD1B已封装的大面积硅光电二极管，阳极接地，光敏面的直径为 9mm。水平探测单元和垂直探测单元探测所得共四路光的光强信息传入工作计算机进行数 据处理，从而可得出待测光斑的中心位置信息。
【主权项】
1. 一种基于棱镜分割的光斑中屯、提取的装置，包括:分束器（I)，水平探测单元(2)，垂 直探测单元(3 )，工作计算机(4 )，其特征在于： 所述的水平探测单元(2)和所述的垂直探测单元(3)的结构相同，其包括屋脊棱镜（5)、 第一聚焦透镜(6)和第二聚焦透镜(7)、第一娃光电二极管(8)和第二娃光电二极管(9)，待 测光斑中屯、的光束被所述屋脊棱镜(5)分成处于同一直线上、方向相反的两束光，然后分别 由所述第一聚焦透镜(6)和所述第二聚集透镜(7)对两束光进行汇聚，再由所述第一娃光电 二极管(8)和所述第二娃光电二极管(9)对汇聚后的光进行光强探测； 所述的光斑中屯、提取装置放置在稳定平台上，并与稳定平台刚性连接;待测光斑中屯、 的光束经过所述的分束器（1)后，分成水平方向和垂直方向的两束光，水平方向和垂直方向 的光束分别由所述水平探测单元(2)和所述垂直探测单元(3)进行探测；最后将两个探测单 元探测所得的四路光强信息输入所述的工作计算机(4)进行数据处理W得到待测光斑的中 屯、。2. -种基于权利要求1所述一种基于棱镜分割的光斑中屯、提取的装置的光斑中屯、的提 取方法，其特征在于方法如下： 对输入工作计算机(4)的水平探测单元探测所得的光强Xl、X2与垂直探测单元探测所 得的光强Yl、Y2，进行数据处理，得到光斑中屯、坐标(X, Y)，数据处理的公式为：其中K为比例系数，由定标结果给出。
【文档编号】G01J1/44GK105911705SQ201610405794
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年6月12日
【发明人】陈少杰, 王建宇, 张亮, 吴金才, 秦侠格
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所