一种基于信号光的捕获系统的制作方法

本发明涉及激光捕获扫描技术领域，尤其涉及一种基于信号光的捕获系统。

背景技术：

卫星激光通信和现有的射频通信相比具有传输速率高、通信容量大、功耗低、体积小、重量轻、抗干扰和高保密性等诸多的优势，被认为是实现星间高码率通信的最佳方案，在军用与民用领域获得广泛的重视。在卫星激光通信终端中光跟瞄系统扮演着极为重要的角色，光跟瞄系统决定了一个卫星通信终端的基本架构，同时也是星间激光通信成败的关键之一。

目前，航空通信主要通过微波卫星实现。在通过该微波无线电进行通信时，由于无线电频率是空间系统得以正常运转的基础，是信息传输的通道，为了防止卫星间电磁干扰，需要保持通信频率的一定间隔进行频率隔离，因此无线电频谱的利用将受到极大限制。

现有的航空互联技术一般分为三大类，分别是以陆地电信基站为基础的对空通信技术(airtoground，atg)、静止轨道(geo)卫星、低轨道(leo)星座。

atg，是一种地对空的通信系统，它利用成熟的陆地移动通信技术，如3g、4g技术，针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发，在地面建设部分天线指向天空的专用、复用基站，构建出一张地对空的专用网络，解决地对空数据双向传输的问题。atg系统主要包括机载小翼天线和由基站组成的地面核心网，系统复杂度较低，对飞机的影响较小。但是，由于其为无线电通信，仍然存在频谱饱和以及带宽有限的问题。

geo卫星，目前是卫星在航空领域内应用的主流。根据频谱主要分为sbb、ku(包括2ku和kuhts)、ka等三种。静止轨道卫星通过卫星、地面站和机顶天线实现通信。与atg相比，静止轨道卫星频谱资源丰富，三颗卫星就能覆盖全球，能覆盖全球航路，支持跨洋飞行。但是，由于其为无线电通信，使用的波段频率有限，通信带宽无法满足大量数据互联需求。

leo低轨道星座，由于轨位稀缺，最近几年异军突起，成为卫星互联网的新生力量。相比geo，低轨道卫星轨位在1500公里以内，相比geo3.6万公里的轨道，其天线复杂度低、通信延迟小、整体容量大。由于其是无线电通信，低轨道星座首要解决的还是频谱受限以及带宽有限的问题。

因此，现有技术中的航空通信网络技术，都具有频谱、带宽受限的问题，无法做到大数据高速率的传输，也无法实现飞机本身数据的实时传输和监测。

星间激光链路主要通过链路终端的捕获扫描来建立，主要技术指标包括捕获概率和捕获时间。一般要求在满足一定捕获概率要求的条件下，捕获时间尽可能短。由于中继星与用户星(geo-leo)间传输距离较远(45000km左右)，在进行捕获扫描时，光信号传输时间(时延，单向传输时延约0.15s)对捕获时间的影响较大。现有的扫描捕获方法为：geo终端发出信标光信号，发射到leo终端可能存在的范围(定义为捕获不确定角度)。由于geo终端信标光信号发散角小于捕获不确定角度，geo终端需要进行跳扫以覆盖捕获不确定角度。捕获不确定角度与geo和leo卫星的姿轨控精度有关，通常为8mrad。现有的激光链路终端捕获信标光在0.7mrad左右，考虑无缝隙覆盖后，设置扫描间隔为0.4mrad，则在整个8mrad捕获不确定角度范围内，需要进行至少400次跳扫：对于geo终端的每步跳扫，若没有覆盖leo终端，则进行下一步跳扫。geo终端为了确认leo终端无回光信号，每次跳扫的时间间隔应考虑光信号往返传输的时延(0.15s×2)和终端响应时间、控制及时间同步误差(0.05s)。也就是说，geo终端的每步跳扫之间的时间间隔为0.35s；若leo终端恰在信标光覆盖范围内并且收到信标光信号，回应并发出信标光。若geo终端也收到信标光信号，则认为捕获成功。上述方法在捕获不确定范围内单场最大捕获时间为400×0.35s＝140s。这种捕获方法捕获时间较长，造成激光星间链路的有效通信时间缩短，数传能力受到制约。

复合轴控制是提高卫星激光通信跟踪系统的跟踪精度和控制带宽的一种有效手段。欧洲空间局silex(semiconductorlaserintersatellitelinkexperiment)计划的复合轴光跟瞄控制系统采用了独特的复合轴闭环回路(在先技术[1]：t.t.nielsen,"pointing,acquisitionandtrackingsystemforthefreespacelasercommunicationsystem,silex,"proc.spie,vol.2381,pp.l94-205,1995.)，在闭环跟踪状态，探测器的光点探测信号并不直接导入粗跟瞄控制环，而是通过检测精跟瞄的位置探测器，当精跟瞄偏离角较大时对粗跟瞄系统发出卸载命令以使精跟瞄系统归零。这种粗跟瞄卸载精跟瞄方式的复合轴结构有利于高精度稳定跟踪，特别是平台存在扰动时可以有效地实现光束的瞄准、捕获和跟踪。但是，粗瞄准机构是一个l型臂经纬仪结构，步进电机控制其旋转，进而实现整个终端移动部分的转动，其运行力矩较大，容易扰动卫星，并且扫描精度比较低，体积大；而捕获跟踪传感器采用了两种ccd元件，捕获过程中随时需要在两个ccd间切换，并且开窗式的ccd系统需要采用专用控制与信号处理电路，以致控制系统较为复杂。

美国ocd(opticalcommunicationsdemonstrator)光通信终端的光跟瞄系统(在先技术[2]：c.rachoanda.portillo,"characterizationanddesignofdigitalpointingsubsystemforopticalcommunicationdemonstrator,"proc.spie,vol.3615,pp.250-261,1999.)中采用了高速单探测器二开窗结构，只在发射光路中采用精跟瞄系统，省略了提前量光机械系统，不适用于高精度光跟瞄系统的远距双向光通信。采用潜望镜式粗跟瞄系统造成转动惯量过大，导致卫星平台不稳。其复合轴控制系统采用了传统的精跟瞄补偿粗跟瞄残差的结构，缺乏平滑的视场切换，在太空复杂环境下小型平台上的动态扰动抑制能力差。

随着光纤通信技术的相对成熟和无线激光通信关键技术的突破，面对日益增长的高保密性及大容量通信需求，近地面的复杂背景下的无线光通信的链路实现及小型化、轻量化和低功耗样机研究己成为国内外研究热潮。在无线激光通信系统中，通信终端一般采用ccd或cmos传感器作为探测器来探测对方信标光光束。但由于收发端机距离相距较远且存在的大气信道干扰，导致信标光斑信号强度重新分布且衰减严重，最终造成ccd/cmos探测器焦平面上的成像光斑表现为"微"目标，通常仅为几个至数十个像素大小。在近地面无线激光通信中，尤其是空-地，地-地间通信，通信终端所处的地面环境及背景复杂，对"微"目标的探测及捕获影响严重，易造成目标探测虚警(即误判通信目标)，最终导致目标捕获失败。主要表现为：①当目标光亮度与背景亮度相似时，探测器无法判断目标在视场内的成像光斑，进而无法有效检出目标。②探测器视场内存在干扰目标时(如一个真实目标，其它伪目标(伪目标可由敌方释放)或无线光通信组网时存在的多个通信目标(其它目标对当前的通信目标存在干扰))，特别是通信目标及干扰目标在探测器视场内的成像光斑亮度、大小和形状类似时，极易造成通信目标探测虚警，最终将导致通信链路建立失败；甚至有可能与假目标进行通信，造成保密信息泄露。

逆向调制自由空间激光通信系统利用逆向调制器猫眼光学系统对入射光束的原路返回特性，省去逆向终端的瞄准跟踪过程，简化了系统链路建立流程，有效解决了传统自由空间激光通信系统瞄准捕获跟踪的难题，使得自由空间激光通信系统动平台应用成为现实。目前逆向调制自由空间激光通信系统多采用传统自由空间激光通信系统的捕获瞄准跟踪方法，要求主动端装配复杂的捕获跟踪瞄准装置如安装信标光、配置粗、精跟踪装置等，要求逆向终端安装靶标物，主动端需要执行复杂算法才可以建立链路，增加了系统体积、重量、功耗等，限制了激光通信系统在小平台和动平台的应用。

中国专利(公开号为cn107017936a)公开了一种卫星信标寻星方法和装置，所述方法包括：接收卫星的信标信号；对所述信标信号进行变频处理，得到待处理的中频信号；对所述中频信号进行turbo均衡处理，以消除所述信标信号中的干扰信号，获得目标信号；对所述目标信号进行数字信号处理，并输出数字信号处理结果。但是，该装置涉及信标光发射接收系统，装置结构复杂，在小平台和动平台的实用性差。

中国专利(公开号为cn101630970a)公开了一种卫星激光通信复合轴光跟瞄装置及其控制方法，主要用于卫星激光通信终端瞄准、捕获及跟踪系统的高精度大范围跟踪。该装置采用粗跟瞄系统和精跟瞄系统相结合的复合轴系统，以及粗跟瞄系统卸载精跟瞄系统的控制方法。粗跟瞄系统采用独特的旋转双棱镜结构，具有在较大角度范围已较高精度扫描的特点。捕获跟踪传感器采用单个cmos传感器进行变视场、变采样率的三段式开窗，通信跟踪探测器采用普通四象限探测器。但是，该方法应用于信号光时，捕获难度大，捕获时间长，难以满足高性能应用需求。

中国专利(公开号为cn107707297a)公开了一种航空激光通信系统，主要目的在于解决航空通信受频谱以及带宽限制的问题。该系统包括：星载系统，包括光端机和电控箱；机载系统，包括光端机、电控箱和用于安装的支架以及套设在整个机载系统外侧的整流罩；地面系统，包括光端机和电控箱；星载系统实现与机载系统以及地面系统的双向激光通信；星载系统、机载系统以及地面系统的光端机均包括通信发射模块，通信接收模块，捕获瞄准跟踪模块以及光学天线；通信发射模块发出的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过光学天线发出；光学天线接收到的光通过捕获瞄准跟踪模块后通过通信接收模块进行接收；捕获瞄准跟踪模块实现与相对的光端机之间的激光通信链路的建立和保持。但是，该系统同样必须使用信标光进行捕获，使得捕获过程繁琐，增大了捕获系统的结构复杂度，适用性差。

因此，需要一种能够克服信号光捕获难度大、捕获时间长的基于信号光的捕获系统，以简化系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

技术实现要素：

针对现有技术之不足，本发明提供一种基于信号光的捕获方法，该方法利用通信光束即信号光作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

所述方法至少包括以下步骤：主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角a1凝视逆向调制终端，主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光；主动端按照时间间隔t向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光，当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角b1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描；主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束；主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构cpa调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为a2圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构cpa调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为b2圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a3圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b3圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a4圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b4圆域内的螺旋扫描。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括重复上述步骤，使得主动端和逆向调制终端的捕获探测器上均探测到对方光斑且光斑位置稳定保持在双方捕获探测器中心，且跟踪探测器也探测到光斑，由跟踪转向通信。其中，主动端的视场角a1的范围能够保证前一扫描点的回光信号在主动端捕获范围之内，时间间隔t大于逆向调制终端回光光束的传输时延。

根据一种优选实施方式，逆向调制终端采用猫眼光学系统对主动端发射的激光光束进行接收并逆向反射。其中，主动端根据先验知识控制其内部的主动端伺服系统指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动端。主动端发射激光光束，主动端伺服系统按照设定的扫描策略对逆向调制终端所在区域进行扫描。在主动端扫描过程中实时获取图像，并获取主动端伺服系统的方位俯仰角信息。针对得到的每一帧图像，判断该图像中是否存在可能的逆向反射终端。

根据一种优选实施方式，如果第n帧图像中发现可能的逆向反射终端，计算第n帧图像中包括可能的逆向反射终端在内的各个疑似目标的方位俯仰角，然后再根据设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置。根据设定的扫描策略，改变主动端下一次对逆向调制终端所在区域进行扫描的方位俯仰角，扫描获得第n+1帧图像；对第n+1帧图像中的疑似目标进行探测和定位，并结合主动端伺服系统此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置；找到疑似目标在本帧区域图像中的位置与预测的位置一致的疑似目标，则该疑似目标即为逆向调制终端，定位目标成功。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括，使用灰度增强方法进行图像处理，所述图像处理包括以下步骤：对图像进行去噪；计算图像的全局均值图像和局部均值图像；计算灰度权值；计算全局灰度增强图和局部灰度增强图，最终获得灰度增强图。

根据一种优选实施方式，所述方法还包括所述灰度权值与像素值的变换成单调关系，其中，ii,j：表示去噪后的图像中点(i,j)的灰度值，avgi,j：表示均值图像中点(i,j)的灰度值，即当前像素点附近一定大小窗口中像素点灰度值的平均值，ii,j'：表示点(i,j)增强后的灰度值，wi,j：表示点(i,j)的灰度值的加权系数。其中，wi,j是根据图像局部灰度值，利用特殊函数获得，该特殊函数与当前灰度值ii,j和该位置周围的灰度平均值avgi,j有关系。根据指数函数和反比例函数的性质推算获得，具体如下：

首先，通过公式(1)计算灰度值与平均值的比值ratio，并将其作为计算权值所用指数函数的底数。

其次，利用ratio为变量的函数计算灰度权值的指数exp，如公式(2)所示。选取最优变换函数公式(3)，通过公式(4)获得wi,j。

exp＝f(ratio)，ratio∈[0,255](2)

wi,j＝ratio^exp(4)

根据一种优选实施方式，所述计算全局灰度增强图和局部灰度增强图，最终获得灰度增强图的步骤包括：利用灰度权值，计算增强灰度值，获得灰度增强图。根据计算出的灰度权值wi,j，通过公式(5)获得增强后的灰度值ii,j′。

ii,j'＝wi,j·ii,j＝ratio^exp·ii,j(5)

同时，在实际应用中也可分别用两个不同大小的窗口求取平均值avgi,j，获得全局增强灰度值和局部增强灰度值ii,j^b和ii,j^s，由公式(6)最终获得该像素点的灰度值，即最终灰度增强图。

ii,j'＝α·ii,j^b+(1-α)·ii,j^s(6)

其中，α(0≤α≤1)表示利用大窗口增强后的图所占比例。

根据一种优选实施方式，所述视场角a1的取值范围为：4～6mrad，所述视场角b1的取值范围为：4～6mrad，所述视场角a2的取值范围为：700～800μrad，所述视场角b2的取值范围为：700～800μrad，所述视场角a3的取值范围为：200～400μrad，所述视场角b3的取值范围为：200～400μrad，所述视场角a4的取值范围为：50～150μrad，所述视场角b4的取值范围为：50～150μrad。

本发明还公开了一种基于信号光的捕获系统，该系统至少包括逆向调制终端和位于其有效视场角内的主动终端，该系统被配置为执行以下步骤：主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角a1凝视逆向调制终端，主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光；主动端按照时间间隔t向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光，当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角b1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描；主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束；主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构cpa调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为a2圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构cpa调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为b2圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a3圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b3圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a4圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b4圆域内的螺旋扫描。

根据一种优选实施方式，所述逆向调制终端至少包括猫眼光学系统、分束镜、光电探测器、信号处理与控制器、调制器驱动、反射式空间光调制器、信源。其中，光电探测器和反射式空间光调制器分别位于猫眼光学系统的焦平面上，猫眼光学系统接收主动端发射光束，并将光束并分束镜分别聚焦于位于焦平面处的光电探测器和反射式空间光调制器上，光电探测器将入射光束转换为探测信号并传输给信号处理与控制器，信号处理与控制器根据探测信号控制信源产生信息并接收信息产生通信信号传输给调制器驱动，调制器驱动根据通信信号产生驱动信号传输给反射式空间光调制器，反射式空间光调制器根据驱动信号调制入射光束，形成逆向反射光并将其原路返回。

本发明的有益技术效果包括以下一项或多项：

1、本发明利用通信光束即信号光作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

2、本发明使用灰度增强方法进行图像处理，通过扫描捕获的图像叠加以增加信噪比，使图像中亮的区域更亮，暗的区域更暗，使图像更加清晰，从而降低信号捕获难度。

3、本发明分考虑了时间系统特点，采用分时并行搜索与滑动相关相结合的快速捕获方法，通过3个捕获通道分时并行搜索，提高了捕获速度，满足了卫星导航系统地面运控各地面站对捕获卫星信号的指标要求，为站间卫星通信的信号跟踪提供了前提保障。

附图说明

图1是本发明的基于信号光的捕获系统中主动终端的结构示意图；和

图2是本发明的基于信号光的捕获系统中逆向调制终端的结构示意图。

附图标记列表

1：猫眼光学系统2：分束镜

3：光电探测器4：信号处理与控制器

5：调制器驱动6：反射式空间光调制器

7：信源8：主动终端控制处理器

9：主动端光电调制器10：主动端激光器

11：主动端信息源12：主动端发射光学系统

13：主动端接收光学系统14：主动端光电探测器

15：主动端信号采集单元16：主动端成像光学系统

17：主动端成像探测器18：主动端图像采集单元

19：主动端伺服系统

具体实施方式

下面结合附图进行详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，为了便于理解，在可能的情况下，使用相同附图标记来表示各附图中共同的相似元件。

如在整篇本申请中所使用的那样，词语“可以”系容许含义(即，意味着有可能的)而不是强制性含义(即，意味着必须的)。类似地，词语“包括”意味着包括但不限于。

短语“至少一个”、“一个或多个”以及“和/或”系开放式表达，它们涵盖操作中的关联与分离两者。例如，表述“a、b和c中的至少一个”、“a、b或c中的至少一个”、“a、b和c中的一个或更多个”、“a、b或c”和“a、b和/或c”中的每个分别指单独a、单独b、单独c、a和b一起、a和c一起、b和c一起或a、b和c一起。

术语“一种”或“一个”实体指的是该实体中的一个或多个。这样，术语“一”(或“一”)、“一个或多个”以及“至少一个”在本文中可以交换地使用。还应该注意，术语“包括”、“包含”和“具有”可以交换地使用。

实施例1

本实施例公开了一种基于信号光的捕获系统，也可以是一种激光捕获系统，也可以是一种基于卫星的激光捕获和通信系统，也可以是一种卫星激光捕获和通信系统，也可以是一种用于飞行器和卫星通信的激光捕获和通信系统，也可以是一种星间激光通信的捕获系统。该系统适于执行本发明记载的各个方法步骤，以达到预期的技术效果。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本发明的基于信号光的捕获系统主要包括逆向调制终端和位于其有效视场角内的主动终端。

逆向调制终端至少包括猫眼光学系统1、分束镜2、光电探测器3、信号处理与控制器4、调制器驱动5、反射式空间光调制器6、信源7。其中，光电探测器3和反射式空间光调制器6分别位于猫眼光学系统1的焦平面上。猫眼光学系统1接收主动端发射光束，并将光束并分束镜2分别聚焦于位于焦平面处的光电探测器3和反射式空间光调制器6上。光电探测器3将入射光束转换为探测信号并传输给信号处理与控制器4。信号处理与控制器4根据探测信号控制信源7产生信息并接收信息产生通信信号传输给调制器驱动5。调制器驱动5根据通信信号产生驱动信号传输给反射式空间光调制器6。反射式空间光调制器6根据驱动信号调制入射光束，形成逆向反射光并将其原路返回。

主动终端主要包括主动终端控制处理器8、主动端光电调制器9、主动端激光器10、主动端信息源11、主动端发射光学系统12、主动端接收光学系统13、主动端光电探测器14、主动端信号采集单元15、主动端成像光学系统16、主动端成像探测器17、主动端图像采集单元18以及主动端伺服系统19。其中，主动终端的主动终端控制处理器8通知主动端光电调制器9接收主动端信息源11的信息，根据信息控制主动端激光器10产生调制激光，经主动端发射光学系统12产生主动端发射光束。主动端接收光学系统13接收逆向反射光束，将其聚焦于主动端光电探测器14进行光电转换，转换产生的通信电信号经主动端信号采集单元15传输至主动终端控制处理器。主动端成像光学系统16将逆向反射光束聚焦于主动端成像探测器17成像，并将所成像经主动端图像采集单元18传输至主动终端控制处理器8。主动端伺服系统19接收主动终端控制处理器8的控制信号。

本发明的基于信号光的捕获系统被配置为执行以下步骤：

主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角a1凝视逆向调制终端。主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光。其中，信号光的束散角至少为逆向调制终端的捕获不确定范围。视场角a1的取值范围为：4～6mrad，优先范围为5mrad。

主动端按照时间间隔t向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光。当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角b1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描。其中，视场角b1的取值范围为：4～6mrad，优先范围为5mrad。具体为：粗跟踪执行机构cpa进行视场角b1螺旋扫描，同时精跟踪执行机构fpa进行视场角c1螺旋扫描。视场角c1的取值范围为：1～2mrad，优先范围为1mrad。

主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束。如果主动端未接收到逆向调制终端发出的回光光束，重复上述步骤。如果主动端接收到逆向调制终端发出的回光光束，继续后续步骤。

主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构cpa调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为a2圆域内的螺旋扫描。视场角a2的取值范围为：700～800μrad，优先范围为800μrad。

逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构cpa调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为b2圆域内的螺旋扫描。视场角b2的取值范围为：700～800μrad，优先范围为800μrad。

主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a3圆域内的螺旋扫描。视场角a3的取值范围为：200～400μrad，优先范围为300μrad。

逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b3圆域内的螺旋扫描。视场角b3的取值范围为：200～400μrad，优先范围为300μrad。

主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a4圆域内的螺旋扫描。视场角a4的取值范围为：50～150μrad，优先范围为100μrad。

逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b4圆域内的螺旋扫描。视场角b4的取值范围为：50～150μrad，优先范围为100μrad。

优选的，a4＜a3＜a2，b4＜b3＜b2。

本发明的系统利用逆向调制器的逆向反射特性作为捕获跟踪瞄准判据，通过成像方式对逆向反射器进行快速定位，可实现主动通信终端对逆向调制终端的快速捕获对准，快速建立通信链路。本发明的系统利用通信光束即信号光作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

实施例2

本实施例可以是对实施例1的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本实施例公开了一种基于信号光的捕获方法，也可以是一种激光捕获方法，也可以是一种基于卫星的激光捕获和通信方法，也可以是一种卫星激光捕获和通信方法，也可以是一种用于飞行器和卫星通信的激光捕获和通信方法，也可以是一种星间激光通信的捕获方法。该方法可以由本发明的系统和/或其他可替代的零部件实现。比如，通过使用本发明的系统中的各个零部件实现本发明的方法。

根据一个优选实施方式，该方法可以包括：主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角a1凝视逆向调制终端。主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光。其中，信号光的束散角至少为逆向调制终端的捕获不确定范围。视场角a1的取值范围为：4～6mrad，优先范围为5mrad。

主动端按照时间间隔t向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光。当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角b1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描。其中，视场角b1的取值范围为：4～6mrad，优先范围为5mrad。具体为：粗跟踪执行机构cpa进行视场角b1螺旋扫描，同时精跟踪执行机构fpa进行视场角c1螺旋扫描。视场角c1的取值范围为：1～2mrad，优先范围为1mrad。

主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束。如果主动端未接收到逆向调制终端发出的回光光束，重复上述步骤。如果主动端接收到逆向调制终端发出的回光光束，继续后续步骤。

主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构cpa调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为a2圆域内的螺旋扫描。视场角a2的取值范围为：700～800μrad，优先范围为800μrad。

逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构cpa调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为b2圆域内的螺旋扫描。视场角b2的取值范围为：700～800μrad，优先范围为800μrad。

主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a3圆域内的螺旋扫描。视场角a3的取值范围为：200～400μrad，优先范围为300μrad。

逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b3圆域内的螺旋扫描。视场角b3的取值范围为：200～400μrad，优先范围为300μrad。

主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为a4圆域内的螺旋扫描。视场角a4的取值范围为：50～150μrad，优先范围为100μrad。

逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为b4圆域内的螺旋扫描。视场角b4的取值范围为：50～150μrad，优先范围为100μrad。

优选的，a4＜a3＜a2，b4＜b3＜b2。

重复上述步骤，使得主动端和逆向调制终端的捕获探测器上均探测到对方光斑且光斑位置稳定保持在双方捕获探测器中心，且跟踪探测器也探测到光斑，由跟踪转向通信。其中，主动端的视场角a1的范围能够保证前一扫描点的回光信号在主动端捕获范围之内，时间间隔t大于逆向调制终端回光光束的传输时延。

优选的，如果保持接收光能量为发射光能量的100倍，则信标光输出功率为信号光输出功率的10倍，即利用本实施例中的方法，可以将输出功率降低为原来的十分之一。

本发明提供的基于信号光的捕获方法，采用信号光捕获技术，即捕获、跟踪与通信均采用信号光。信号光捕跟策略相对于信标光可以省去信标光光源和光源控制模块，光学天线的中继光路中省去信标光管路，采用信号光策略的中继光路中的光学镜片和支撑结构可以更小，相干跟踪的调理电路简单化，杂散光减少以及设计简单，光学天线光学效率提高，光机装调简单，跟踪背景光干扰小，执行机构功耗小和粗精配合简单。本发明可以极大地减小光学天线、apt机构和捕跟控制器的系统复杂性，可以极大地减小终端机的体积重量和功耗。

为了在瞄准、捕获和跟踪过程中抑制动态位置误差信号，激光终端的捕跟系统必须具备抑制频率高达数百赫兹振动的能力。这就要求捕跟系统能够适应不同卫星平台抖动和各种微振动。本发明采用信号光捕跟技术，即捕获、跟踪与通信均采用信号光。该方法选用粗指向执行机构cpa对精指向执行机构fpa卸载的执行方式完成瞄准、捕获和跟踪过程。

实施例3

本实施例可以是对实施例1、2的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本实施例公开了一种基于信号光的捕获方法，包括以下步骤：主动端对逆向调制终端进行捕获和对准。其中，逆向调制终端采用猫眼光学系统对主动端发射的激光光束进行接收并逆向反射。其中，主动端根据先验知识控制其内部的主动端伺服系统指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动端。主动端发射激光光束，主动端伺服系统按照设定的扫描策略对逆向调制终端所在区域进行扫描。在主动端扫描过程中实时获取图像，并获取主动端伺服系统的方位俯仰角信息。针对得到的每一帧图像，判断该图像中是否存在可能的逆向反射终端。如果不存在，主动端伺服系统继续进行扫描并判断，直到区域图像中存在可能的逆向反射终端。

优选的，如果第n帧图像中发现可能的逆向反射终端，计算第n帧图像中包括可能的逆向反射终端在内的各个疑似目标的方位俯仰角，然后再根据设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置。根据设定的扫描策略，改变主动端下一次对逆向调制终端所在区域进行扫描的方位俯仰角，扫描获得第n+1帧图像；对第n+1帧图像中的疑似目标进行探测和定位，并结合主动端伺服系统此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置；找到疑似目标在本帧区域图像中的位置与预测的位置一致的疑似目标，则该疑似目标即为逆向调制终端，定位目标成功。否则，如果找不到满足该条件的疑似目标，改变主动端扫描的方位俯仰角，返回并重新执行前述步骤。当定位目标成功，根据逆向调制终端目标位置计算脱靶量，并根据脱靶量，根据计算的方位俯仰角控制主动端伺服系统的指向，完成捕获及对准，建立通信链路。

通过该方法，利用逆向调制器的逆向反射特性即有效视场内不同方向的入射光束由逆向反射器聚焦到焦平面后反射，而反射光束方向与入射光束方向完全相反，从而使得逆向反射光强在空域分布和时域分布上表现出明显的特征，利用这些特征作为捕获跟踪瞄准判据，可实现主动通信终端对逆向调制终端的快速捕获对准，快速建立通信链路。

该方法基于逆向反射特性的激光通信快速捕获对准装置利用通信光束作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统，信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

实施例4

本实施例可以是对实施例1、2、3的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本实施例公开一种基于信号光的捕获方法，包括以下步骤：主动端准备就绪，主动端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围。如果主动端没有进入激光链路范围，则主动端继续准备。如果主动端进入激光链路范围，则主动端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄或跳扫，主动端在进行粗瞄或跳扫的过程中向逆向反射终端发射捕获信号光。其中，该信号光的束散角至少为主动端的捕获不确定范围。逆向反射终端准备就绪，然后逆向反射终端根据系统时钟判断是否进入激光链路范围。如果逆向反射终端没有进入激光链路范围，则继续准备。如果逆向反射终端进入激光链路范围，则逆向反射终端利用已知的卫星轨道和姿态参数进行粗瞄。同时逆向反射终端在不确定角度范围内按螺旋方式自内向外进行捕获扫描，并利用捕获探测器实时监测主动端发射的信号光。星上光通信终端判断是否捕获地面光通信终端发射的信号光。如果星上光通信终端捕获到地面光通信终端发射的信号光，则星上光通信终端向地面光通信终端发出回应光信号；同时星上光通信终端瞄准系统进行相应的调整，停止捕获扫描进入跟踪状态。反之如果星上光通信终端没有捕获到地面光通信终端发射的信号光，则星上光通信终端返回至前述步骤的开始端。地面光通信终端利用捕获探测器实时监测星上光通信终端发射的回应光信号。然后地面光通信终端判断是否接收到星上光通信终端发出的回应光信号。如果地面光通信终端没有接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端返回至第四步骤的开始端。反之如果地面光通信终端接收到星上光通信终端发出的回应光信号，则地面光通信终端瞄准系统立即进行相应的调整，停止扫描进入跟踪状态。当地面光通信终端与星上光通信终端都进入跟踪状态后，上述两终端之间激光链路建立完毕。

实施例5

本实施例可以是对实施例1、2、3、4的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本实施例公开了一种基于信号光的捕获系统，该捕获系统使用灰度增强方法进行图像处理，通过扫描捕获的图像叠加以增加信噪比，从而降低捕获难度。灰度增强方法包括以下步骤。

图像预处理，对图像进行去燥。优选的，对图像进行去噪具体包括利用双边滤波器对图像进行去噪。其中，双边滤波器是一种可以保边去噪的滤波器。双边滤波器之所以能够达到此去噪效果，是因为滤波器是由两个函数构成。一个函数是由几何空间距离决定滤波器系数。另一个由像素差值决定滤波器系数，即同时考虑了空间域与值域的差别。

计算图像的全局均值图像和局部均值图像。以一定大小的窗口对图像求均值图。

计算灰度权值，即计算增强灰度时，所乘的灰度权值。考虑到图像真实性，即消除图像截断而造成的失真问题。增强过程中，对于每个像素都乘以不同灰度权值，而且灰度权值应该与像素值的变换成单调关系。本实施例通过设计和测试得到一特殊变换函数。具体变换过程如下。

ii,j：表示去噪后的图像中点(i,j)的灰度值，

avgi,j：表示均值图像中点(i,j)的灰度值，即当前像素点附近一定大小窗口中像素点灰度值的平均值，

ii,j'：表示点(i,j)增强后的灰度值，

wi,j：表示点(i,j)的灰度值的加权系数。

其中，wi,j是根据图像局部灰度值，利用特殊函数获得的。该特殊函数与当前灰度值ii,j和该位置周围的灰度平均值avgi,j有关系。根据指数函数和反比例函数的性质推算获得，具体如下。

首先，通过公式(1)计算灰度值与平均值的比值ratio，并将其作为计算权值所用指数函数的底数。

其次，利用ratio为变量的函数计算灰度权值的指数exp，如公式(2)所示。

选取最优变换函数公式(3)，通过公式(4)获得wi,j。

exp＝f(ratio)，ratio∈[0,255](2)

wi,j＝ratio^exp(4)

计算全局灰度增强图和局部灰度增强图，最终获得灰度增强图。

利用灰度权值，计算增强灰度值，获得灰度增强图。根据计算出的灰度权值wi,j，通过公式(5)获得增强后的灰度值ii,j'。

ii,j'＝wi,j·ii,j＝ratio^exp·ii,j(5)

同时，在实际应用中也可分别用两个不同大小的窗口求取平均值avgi,j，获得全局增强灰度值和局部增强灰度值ii,j^b和ii,j^s，由公式(6)最终获得该像素点的灰度值，即最终灰度增强图。

ii,j'＝α·ii,j^b+(1-α)·ii,j^s(6)

其中，α(0≤α≤1)表示利用大窗口增强后的图所占比例。

需要说明的是，由于上述过程包含多种乘、除及指数运算，如果每个像素都去计算是非常低效的。在本实施例中，已利用查询表的方法预先计算出数据结果。所以，之后不管图像大小，都可以直接从表中获得结果，无需再去重复计算。经实验证明，该方法在效果和效率上都非常优秀。

该灰度增强的技术方案灵活性强，能够使图像中亮的区域更亮，暗的区域更暗，使图像更加清晰，从而降低信号捕获难度。

实施例6

本实施例可以是对实施例1、2、3、4、5的进一步改进和/或补充，重复的内容不再赘述。在不造成冲突或者矛盾的情况下，其他实施例的优选实施方式的整体和/或部分内容可以作为本实施例的补充。

本实施例公开了一种基于信号光的捕获方法，包括以下步骤：

初始化3个捕获通道的站编号变量、时间信息变量、伪码频率变量以及载波频率变量；依据初始化信息，启动3个捕获通道的伪码、载波产生器，在时间偏移分别为0秒、-1秒、+1秒三个位置进行分时并行搜索；将各捕获通道相对应的本地伪随机码和载波，与接收的卫星信号进行相关累加积分，并计算各通道的相关能量；依据设定的捕获门限对各通道的相关能量进行7:4判决，若捕获成功则跳转到第六步，若捕获不成功则跳转到第五步；采用滑动相关法对该通道对应的多普勒频率偏移以及2ms码相位区间进行搜索控制，设置新的载波nco和码nco后跳转到第三步；关闭其他两个捕获通道，退出本次捕获流程。

通过该方法，在捕获卫星信号时不必对2秒的码相位区间进行全部搜索，而是应用3个捕获通道在时间偏移分别为0秒、-1秒、+1秒三个位置进行分时并行搜索，然后在每个捕获通道依照常规滑动相关法对多普勒频率偏移和正负1ms的码相位进行二维搜索，运用7:4判决原则对卫星信号进行捕获。由于只对正负1ms的码相位进行搜索，相对于常规2s不确定区间码相位的搜索，提高了捕获速度。同时由于实现电路简单，大大节省了硬件资源。该方法充分考虑了时间系统特点，采用分时并行搜索与滑动相关相结合的快速捕获方法，通过3个捕获通道分时并行搜索，提高了捕获速度，满足了卫星导航系统地面运控各地面站对捕获卫星信号的指标要求，为站间卫星通信的信号跟踪提供了前提保障。

优选的，该方法还可以包括以下步骤：

将卫星天线接收到的射频信号下变频为中频信号。将卫星天线接收到的射频信号通过由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路等组成的下变频模块下变频到中频信号，以便后续处理。

将上述下变频得到的模拟中频信号进行a/d转换，并存储为数字中频信号。将卫星天线接收到的信号通过由低噪声射频放大器、混频器及自动增益控制电路等组成的下变频模块下变频到中频信号。

对下变频得到的模拟中频信号进行a/d转换，并存储为数字中频信号。

对接收到的未知时延信号进行平方处理，通过傅里叶分析得到每颗接收到的卫星含多普勒频移的真实频率估计值和对应的模糊频率。

根据卫星导航信号中频和多普勒频移范围已知的特性，去除上述估计过程中得到的模糊频率，以得到含多普勒频移的卫星信号频率估计值。

利用得到的含多普勒频移的卫星信号频率估计值，根据非线性最小二乘准则估计出每颗已知频率卫星的时延以及对应的卫星星号。

若常规卫星信号捕获方法含多普勒频移的频率搜索次数为q，在常规卫星导航信号捕获方法中，由于含多普勒频移的信号频率和时延都是未知的，所以需要按照一定的步长间隔，在频率范围内搜索q个频率点，每个频率点搜索m颗卫星，求得最大相关值所对应的频率和时延。而本实施例中，由于p颗卫星含多普勒频移的频率已经被估出，则只需要搜索p个精确的频率点，每个频率点搜索m颗卫星，求得每颗卫星对应的频率和时延。因此，该方法的计算复杂度明显低于常规卫星信号捕获方法。

需要注意的是，上述具体实施例是示例性的，本领域技术人员可以在本发明公开内容的启发下想出各种解决方案，而这些解决方案也都属于本发明的公开范围并落入本发明的保护范围之内。本领域技术人员应该明白，本发明说明书及其附图均为说明性而并非构成对权利要求的限制。本发明的保护范围由权利要求及其等同物限定。

虽然已经详细描述了本发明，但是在本发明的精神和范围内的修改对于本领域技术人员将是显而易见的。这样的修改也被认为是本公开的一部分。鉴于前面的讨论、本领域的相关知识以及上面结合背景讨论的参考或信息(均通过引用并入本文)，进一步的描述被认为是不必要的。此外，应该理解，本发明的各个方面和各个实施例的各部分均可以整体或部分地组合或互换。而且，本领域的普通技术人员将会理解，前面的描述仅仅是作为示例，并不意图限制本发明。

已经出于示例和描述的目的给出了本公开的前述讨论。这并不意图将本公开限制于本文公开的形式。在前述的具体实施方式中，例如，为了简化本公开的目的，本公开的各种特征在一个或多个实施例、配置或方面中被组合在一起。实施例、配置或方面的特征可以以除上面讨论的那些之外的替代实施例、配置或方面组合。本公开的该方法不应被解释为反映本公开需要比每个权利要求中明确记载的更多特征的意图。相反，如以下权利要求所反映的，创造性方面在于少于单个前述公开的实施例、配置或方面的所有特征。因此，以下权利要求由此被并入本具体实施方式中，其中每个权利要求其自身作为本公开的单独实施例。

而且，虽然本公开的描述已经包括对一个或多个实施例、配置或方面以及某些变型和修改的描述，但是其他变型、组合和修改也在本公开的范围内，例如在本领域技术人员的技能和知识范围内，在理解了本公开之后。旨在获得在允许的程度上包括替代实施例、配置或方面的权利，所述权利包括那些要求保护的替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤的权利，无论这种替代的、可互换的和/或等效的结构、功能、范围或步骤是否在本文中公开，并且无意公开奉献任何可专利的主题。