高轨卫星星地激光远场分布测试方法
【技术领域】
[0001 ]本发明涉及星地激光通信领域。
【背景技术】
[0002] 空间光通信系统中，光束的远场传输特性是一个重要的问题。尤其当光束经过大 气等介质信道时，受到了空间条件的约束，对其远场分布将会产生严重影响。对于星地激光 通信等链路，光束将在自由空间（真空）与约束空间之间进行超长距离的传输，其远场分布 特性的研究非常重要。对高轨卫星星地激光远场分布测试十分重要，目前尚没有十分有效 的测试手段，本方法主要是解决星地激光通信光信号传输四万两千公里后的光场分布测试 难题。
【发明内容】
[0003] 本发明针对空间激光通信光场分布特点，目的是完成对孔径受限系统极远光场分 布特性测试和微畸变光场的极远距离传输及分布特性测试，提出了高轨卫星星地激光远场 分布测试方法。
[0004] 该方法主要解决以下两方面问题：
[0005] 1)孔径受限系统极远光场分布特性测试。实际的空间光通信中的发射系统都是孔 径受限系统。经过孔径受限系统的发射光束传输到极远距离后的光场分布特性，是卫星光 通信以及深空光通信中必须要深入掌握的数据。
[0006] 2)微畸变光场的极远距离传输及分布特性测试。空间光通信系统中，光学系统和 光源等的缺陷都会导致发射光场产生微小畸变。微畸变的光场在极远距离传输过程中的传 输特性和分布特性，对空间光通信系统优化设计具有重要意义。
[0007] 高轨卫星星地激光远场分布测试方法，该方法是基于高轨卫星星地激光远场分布 测试装置实现的，该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4;
[0008] 望远镜1安装在转台3上，且随转台3移动;相机2安装在望远镜1的物镜上;转台3的 转动信号输入输出端连接计算机4的转动信号输出输入端;相机2的拍照信号输入输出端连 接计算机4的拍照信号输出输入端;该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4;
[0009] 该方法包括下述步骤：
[0010] 步骤一、计算机4向转台3发送控制指令，使控制转台3移动到指定方位、指定俯仰 角度，对高轨卫星进行提前预瞄准；
[0011] 步骤二、计算机4持续读取相机2中的光斑信息，并根据光斑信息计算过阈像素数 和光斑信息的灰度质心坐标；
[0012] 步骤二中计算机4根据光斑信息计算过阈像素数的具体过程如下；
[0013] 设定光斑信息的光斑像素指定阈值d，将光斑信息的光斑像素灰度值与光斑信息 的光斑像素指定阈值d进行比较；
[0014] 若光斑信息的光斑像素灰度值〉光斑信息的光斑像素指定阈值d，则计数一次；
[0015] 若光斑信息的光斑像素灰度值《光斑信息的光斑像素指定阈值d，则不计数；
[0016] 对光斑信息的光斑像素灰度值〉光斑信息的光斑像素指定阈值d的计数数目进行 求和统计，获得的总的计数数目，即为过域像素数；
[0017] 步骤二中计算机4根据光斑信息计算光斑信息的灰度质心坐标的具体过程如下；
[0018] 设定光斑信息的大小为％ X M2维图像，第ml行m2列像元坐标记为(Xml，ym2);Mi X M2 维图像由ml行m2列像元构成;ml和m2均为整数；
[0019] 其中，I(Xml，ym2)表示像元的质量密度，g卩图像上X、y处像素点的灰度值; X、y值均 为整数；
[0020] 则光斑总能量Wm的表达式为：
[0022]光斑信息的质心坐标的表达式(，yc)为：
[0024]步骤三、计算机4读取转台3的当前方位和俯仰角度，并且计算机4控制转台3采用 螺旋扫描方式扫描高轨卫星，并计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫星， 若是，则执行步骤四；若否，则返回步骤一；
[0025]步骤三中的计算机4控制转台3采用螺旋扫描方式扫描高轨卫星，即采用等线速的 方式从初始瞄准点开始螺旋向外侧进行扫描，具体过程如下：
[0026]步骤三一、以初始瞄准点作为坐标原点(0,0)建立极坐标系;螺旋扫描曲线可表示 为：
[0028] 式中，r一一极坐标半径变量;Θ-一极坐标角变量;Ιθ-一扫描步长；
[0029]步骤三二、从初始瞄准点(0，0)到任意点(r，Θ)的扫描时间近似表达为：
[0031]式中，At-一每步停留时间，其大小取决于扫描模式，任意点(r，0)即为高轨卫星 的坐标；
[0032]步骤三中计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫星，若是，则执行 步骤四；若否，则返回步骤一；
[0033]若过阈像素数>4,表示转台3捕获到高轨卫星；
[0034]若过阈像素数< 3,表示转台3未捕获到高轨卫星；
[0035] 步骤四、计算机4根据步骤二获得的光斑信息的灰度质心坐标持续反馈控制转台3 移动，完成高轨卫星闭环跟踪，即获得高轨卫星星地激光远场分布测试。
[0036] 本发明所述的方法及所使用的装置，完成高轨卫星的捕捉，实时积累实测数据，为 空间光通信系统的设计提供依据。
[0037] 有益效果:高轨卫星星地激光远场分布测试方法基于高轨卫星星地激光远场分布 测试装置实现，该装置的特点是光端机并不需要信号发射单元，只需要信号接收单元即可。 为使结构简便零巧，接收单元仅有信标组件，这将大大降低空间激光通信光端机系统的性 能要求，且装置具有轻小型化、便携性，可研制多套装置在不同地点进行测试。
[0038]高轨卫星星地激光远场分布测试方法，首先计算机控制转台使转台上的望远镜对 高轨卫星进行预瞄准，然后望远镜上的相机实时记录高轨卫星星地激光远场分布的光斑信 息，计算机实时读取相机中的光斑信息，并根据光斑信息计算过域像素数和光斑信息的灰 度质心坐标，计算机采用螺旋扫描方定位高轨卫星的位置，然后计算机根据过阈像素数判 断转台是否捕获到高轨卫星，若转台捕获到高轨卫星，则通过计算机控制转台移动，实现准 确捕获，完成尚轨卫星的闭环实时跟踪。
[0039] 本发明适用于星地激光分布测试。
【附图说明】
[0040] 图1为高轨卫星星地激光远场分布测试方法的流程图；
[0041 ]图2为高轨卫星星地激光远场分布测试装置的结构示意图；
[0042]图3为螺旋扫描方式示意图；
[0043]图4为高轨卫星星地激光远场分布测试装置结合高轨星地激光链路系统进行激光 远场分布的数据采集试验分析原理图。
【具体实施方式】
【具体实施方式】 [0044] 一、参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的高轨卫 星星地激光远场分布测试方法，该方法是基于高轨卫星星地激光远场分布测试装置实现 的，高轨卫星星地激光远场分布测试装置，该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4;
[0045] 望远镜1安装在转台3上，且随转台3移动;相机2安装在望远镜1的物镜上;转台3的 转动信号输入输出端连接计算机4的转动信号输出输入端;相机2的拍照信号输入输出端连 接计算机4的拍照信号输出输入端；
[0046] 该方法包括下述步骤：
[0047] 步骤一、计算机4向转台3发送控制指令，使控制转台3移动到指定方位、指定俯仰 角度，对高轨卫星进行提前预瞄准；
[0048] 步骤二、计算机4持续读取相机2中的光斑信息，并根据光斑信息计算过阈像素数 和光斑信息的灰度质心坐标；
[0049] 步骤三、计算机4读取转台3的当前方位和俯仰角度，并且计算机4控制转台3采用 螺旋扫描方式捕获高轨卫星；同时，计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫 星，若是，则执行步骤四；若否，则返回步骤一；
[0050] 步骤四、计算机4根据步骤二获得的光斑信息的灰度质心坐标持续反馈控制转台3 移动，完成高轨卫星闭环跟踪，即获得高轨卫星星地激光远场分布测试。
[0051]本实施方式中，地面设置多个高轨卫星星地激光远场分布测试装置，并按照设定 的位置排列，获取高轨卫星的具体位置。高轨卫星在完成星地激光传输的过程中，受到大气 条件、气候因素等多个因素的限制，使得高轨卫星的跟踪非常困难，不利于对高轨卫星星地 激光远场分布的测试。本发明中的计算机4控制相机2记录望远镜1拍摄图片，计算机控制转 台3的移动，转台3转动的角度，仰俯角度等。
[0052]计算机控制望远镜1转动，使望远镜1的位置为观察星地激光信号的最佳位置，即 预瞄准。然后望远镜1及相机2获得高轨卫星星地激光的远场分布图，计算机4控制相机2每 隔0.001s拍摄一次远场分布图，然后将拍摄的图片实时发送至计算机4,然后计算机4进行 分析处理。
[0053]工作过程:计算机控制转台使转台上的望远镜对高轨卫星进行预瞄准，然后望远 镜上的相机实时记录高轨卫星星地激光远场分布的光斑信息，计算机实时读取相机中的光 斑信息，并根据光斑信息计算过域像素数和光斑信息的灰度质心坐标，计算机采用螺旋扫 描方定位高轨卫星的位置，然后计算机根据过阈像素数判断转台是否捕获到高轨卫星，若 转台捕获到高轨卫星，则通过计算机控制转台移动，实现准确捕获，完成高轨卫星的闭环实 时跟踪，即获得高轨卫星星地激光远场分布情况，实现了获得高轨卫星星地激光远场分布 测试。
[0054]后续工作人员根据高轨卫星星地激光远场分布测试方法获得的高轨卫星的具体 数据，进行后续分析及处理。
[0055]相机2由光电雪崩二极管(APD)及配套电路即可将功能由搜索信号源扩展为光通 信接收。或者，转台3携带两个望远镜1，其中一个望远镜与相机2机械硬连接，另一个望远镜 与光电雪崩二极管(APD)及配套电路机械硬连接，该装置能够允许瞄准、捕获、跟踪以及光 通信接收同时实现。
[0056]【具体实施方式】二、本实施方式是对实施方式一所述的高轨卫星星地激光远场分布 测试方法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中计算机4根据光斑信息计算过阈像素数和 光斑信息的灰度质心坐标，根据光斑信息计算过阈像素数的具体过程如下；
[0057] 设定光斑信息的光斑像素指定阈值d，将光斑信息的光斑像素灰度值与光斑信息 的光斑像素指定阈值d进行比较；
[0058] 若光斑信息的光斑像素灰度值〉光斑信息的光斑像素指定阈值d，则计数一次；
[0059] 若光斑信息