一種無信標光通信雙光束掃描捕獲系統及掃描方法

2024-04-15 20:56:05

1.本發明屬於空間雷射通信領域，具體涉及一種無信標光通信雙光束掃描捕獲系統及掃描方法。


背景技術：

2.空間雷射通信採用光波作為載體進行信息傳輸，相比於傳統的微波通信具有速率高、隱蔽性好、終端輕小型化、功耗小等優點，因此被世界各國廣泛研究，有望解決當前通信技術的瓶頸。但是空間雷射通信採用毫弧度甚至微弧度量級的光束進行通信，對於通信前的建鏈過程如捕獲與跟蹤要求非常高，早期雷射通信採用大束散角的光束(信標光)配合粗跟蹤機構進行目標捕獲，這種方法導致終端體積大、質量大、功耗高。
3.隨著技術的發展，無信標的衛星雷射通信捕獲技術被提出來，即直接採用小束散角(幾十到上百微弧度)的通信光束對不確定區域進行掃描捕獲，這種方法可以有效的減少終端的swap(sizeweightandpower)指標與複雜程度。例如德國tesat公司研製的lct雷射通信終端採用超前瞄準機構進行無信標掃描。中國專利cn201911101941.3公開了一種無信標的雷射通信掃描系統及方法，使用精跟蹤機構與超前瞄準機構作為掃描執行機構。上述技術中公開的方法可以在一定程度上提高覆蓋率，增加apt系統的捕獲概率，但是在每次進行子區域的捕獲掃描時，需要精跟蹤機構單獨按照路徑掃描完所有區域，而超前瞄準機構不能參與子區域的掃描，機構之間沒有形成配合關係，不利於減少捕獲掃描所需的時間。
4.綜上所述，不斷優化無信標衛星雷射通信目標捕獲的系統和方法成為本領域工作人員的研究重點。


技術實現要素：

5.本發明提供一種無信標光通信雙光束掃描捕獲系統及探測方法，以解決現有技術中單次掃描捕獲只有一個執行機構使得捕獲效率低，掃描耗費時間長擠佔通信時間的問題。
6.為了實現上述目的，本發明提出以下方案：一種雙光束無信標掃描系統,包括信號光雷射器、精跟蹤機構、第一分光鏡、第二分光鏡、第三分光鏡、超前瞄準機構、第一探測器和第二探測器，信號光雷射器的出射主光路上依次設置有第一分光鏡、第二分光鏡和精跟蹤機構，第一分光鏡的分光光路上設置有超前瞄準機構，第二分光鏡的分光光路上設置有第三分光鏡和第一探測器，超前瞄準機構的出射光路位於第三分光鏡的分光光路上，第一分光鏡另一面的反射光路上設置有第二探測器。
7.進一步的，上述第一探測器是捕獲跟蹤探測器，第二探測器是通信接收探測器。
8.進一步的，上述超前瞄準機構與精跟蹤機構均為快速反射鏡。
9.進一步的，上述捕獲跟蹤探測器是四象限探測器或者面陣圖像傳感器。
10.進一步的，本發明提供一種無信標光通信雙光束掃描捕獲方法，是通過兩束光同時對目標區域進行掃描實現捕獲，入射光束進入系統後，被精跟蹤機構反射，再被第二分光
鏡分為兩路，一路被第一探測器接收用於捕獲跟蹤，另一路被第二探測器接收用於通信；通信雷射器發射出的光束被第一分光鏡分為兩路，分別為第一掃描光束與第二掃描光束，第一掃描光束透過第二分光鏡後被精跟蹤機構反射出系統並按照預定路線進行掃描，第二掃描光束依次被超前瞄準機構、第三分光鏡、第二分光鏡、精跟蹤機構依次反射出系統並按照預定的路線進行掃描。
11.與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：
12.1、本發明在通信雷射器與精跟蹤機構、超前瞄準機構之間設置有一分光鏡，將出射的信號光一分為二，形成兩束掃描光束，兩束光被精跟蹤機構與超前瞄準機構控制，可以同時對目標區域進行並行掃描，各自承擔一半的掃描區域，因此在掃描速率相同的情況下，理論上可以節省掃描時間50％；
13.2、本方案採用雙光束對目標區域進行掃描，相比於傳統單光束掃描，同一時刻存在兩個光斑覆蓋掃描區域，有效的提高了單次掃描的捕獲概率，進而提高了整體的捕獲概率。
14.3、雙光束掃描的方法可以實現異步掃描，通過單獨控制兩束光的速率、步進距離、停留時間，環臂寬度可以更加針對性的解決漏掃的問題。
15.4、本方案的核心組件為超前瞄準機構，精跟蹤機構，以及可以將出射光束一分為二的第一分光鏡，探測器位置可以互換，更便於裝置的搭建，方便快捷。
附圖說明
16.圖1為本系統的光路原理圖；
17.圖2為採用雙光束無信標掃描時的鏈路捕獲示意圖；
18.圖3為雙光束進行無信標等螺距等線速掃描的軌跡圖；
19.圖4為雙光束進行無信標等螺距等線速掃描光斑軌跡圖；
20.圖5為雙端共同掃描方法軌跡圖；
21.圖6為雙邊共同掃描方法光斑軌跡圖；
22.圖7所示為無信標掃描存在漏掃的示意圖；
23.圖8所示為補償式異步雙光束掃描的軌跡示意圖。
24.附圖標記說明如下：1為信號光雷射器，2為通信接收探測器，3為第一分光鏡，4為超前瞄準機構，5為捕獲跟蹤探測器，6為第三分光鏡，7為第二分光鏡，8為第一掃描光束，9為第二掃描光束，10為入射光束，11為精跟蹤機構，12為實施掃描的衛星，13為一束掃描光束，14為另一束掃描光束，15為需要被捕獲的目標，16為不確定區域，17為一束掃描光束的軌跡，18為另一束掃描光束的運動軌跡，19為其中一束掃描光束的光斑運動過程示意圖，20為另一束掃描光束的光斑運動過程示意圖，21為虛線其中一束掃描光的軌跡，22為實線另一束掃描光束的軌跡，23為其中一束掃描光束的光斑軌跡，24為實線另一束掃描光束的光斑軌跡，25不規則黑色區域為漏掃區域，26為正常的掃描光束，27為另一束光補償掃描的光斑軌跡。
具體實施方式
25.下面通過附圖和實施例對本發明的技術方案作進一步的詳細描述。
26.為了使本發明形成兩條掃描光束，實現雙光束掃、捕功能，本發明需要在信號光雷射器的主光路方向設置雙光束分光鏡，經過分光鏡後沿著光路的方向一處設置精跟蹤機構，經過分光鏡後垂直於主光路傳播方向設置超前瞄準機構。
27.一種無信標光通信雙光束掃描捕獲系統,包括信號光雷射器1、精跟蹤機構11、第一分光鏡3、第二分光鏡7、第三分光鏡6與超前瞄準機構4，信號光雷射器1的出射主光路上依次設置有第一分光鏡3、第二分光鏡7和精跟蹤機構11，第一分光鏡3的分光光路上設置有超前瞄準機構4，第二分光鏡7的分光光路上設置有第三分光鏡6和第一探測器，所說的第一探測器在本實施例中為捕獲跟蹤探測器5，超前瞄準機構4的出射光路位於第三分光鏡6的分光光路上，第一分光鏡3另一面的反射光路上設置有第二探測器，第二探測器是通信接收探測器2。第一到第三分光鏡的分光比例均以捕獲鏈路中的所需最低能量為準。所述超前瞄準機構4與精跟蹤機構11均為快速反射鏡。所述捕獲跟蹤探測器5在本實施例中是四象限探測器。
28.本發明提供的一種無信標光通信雙光束掃描捕獲系統的掃描方法，是通過兩束光同時對目標區域進行掃描實現捕獲。入射光束10進入系統後，被精跟蹤機構11反射，再被第二分光鏡7分為兩路，一路被第一探測器5接收用於捕獲跟蹤，另一路被第二探測器2接收用於通信；通信雷射器1發射出的光束被第一分光鏡3分為兩路，分別為第一掃描光束8與第二掃描光束9，第一掃描光束8透過第二分光鏡7後被精跟蹤機構11反射出系統並按照預定路線進行掃描，第二掃描光束9依次被超前瞄準機構4、第三分光鏡6、第二分光鏡7、精跟蹤機構11反射出系統並按照預定的路線進行掃描。
29.在本系統中光束傳播的過程如下：首先信號光雷射器1發出光束，光束經過第一分光鏡3被分為兩束光第一掃描光束8和第二掃描光束9，其中第一掃描光束8透過第二分光鏡7後被精跟蹤機構11反射後出射；第二掃描光束9被第一分光鏡3反射後入射到超前瞄準機構4表面上，隨後被其反射後再被第三分光鏡6與第二分光鏡7所反射，最後被精跟蹤機構11反射出去。而對於入射光束10，其進入系統後，被精跟蹤機構11反射，再被第二分光鏡7分為兩路，一路透過第三分光鏡6後被第一探測器5接收用於捕獲跟蹤，另一路被第一分光鏡3另一面反射後被第二探測器2接收用於通信。
30.第一掃描光束(8)與第二掃描光束(9)的一些掃描參數如掃描步長、臂環間距、停留時間、運動方向可以獨立設定，可以相同也可以不同。
31.由於第一掃描光束8是直接由精跟蹤機構11控制的，而第二掃描光束9是由超前瞄準機構4與精跟蹤機構11兩次反射所控制的，因此，第一掃描光束8的指向角度可由精跟蹤機構11的偏轉角度求出，而第二掃描光束9的指向角度需要根據超前瞄準機構4與精跟蹤機構11的偏轉角度求出，例如超前瞄準機構4繞方位軸轉動了50urad(根據光學槓桿原理，光線轉動θ1＝100urad)，而精跟蹤機構11繞方位軸轉動了100urad(根據光學槓桿原理光線轉動θ2＝200urad)，那麼實際的第二掃描光束最終偏轉角度為θ＝θ1+θ2＝300urad。
32.參見圖3與圖4。從圖中可以看出雙光束的掃描軌跡一路虛線為一束掃描光束的軌跡17，一路實線為另一束掃描光束的運動軌跡18，17與18的掃描方式一致，掃描步長、光斑大小、光斑停留時間、螺旋臂間距、螺旋尺度等參數一樣大小，不同的是兩條路線的掃描方向不一樣。這樣可以將本來需要一個指向機構掃描的區域所需時間，在掃描參數不變的狀態下，由兩個指向機構分擔，極大的縮短了掃描所需的時間，並且提高了捕獲概率。
33.參見圖5與圖6中所示的掃描路線，即雙端共同掃描，其中一束光線沿著螺旋線的一端開始掃描(僅以螺旋線為例)，另一束光線沿著螺旋線的另外一端開始掃描，也可以有效的減少掃描所需的時間。圖5中，其中虛線為其中一束掃描光的軌跡21，實線為另一束掃描光束的軌跡22。圖6中虛線為其中一束掃描光束的光斑軌跡23，實線為另一束掃描光束的光斑軌跡24。
34.在掃描過程中由于振動等因素難以避免出現漏掃的情況，如圖7中不規則黑色區域25所示為漏掃的區域，一般的無信標掃描的解決方法是擴大光斑尺寸或者減小掃描環臂之間的間隔或者減小掃描光斑的步進距離，擴大光斑的尺寸將會降低到達的光束能量，不利於提高捕獲概率，而減小掃描環臂之間的間隔或者減小掃描光斑的步進距離將會增加掃描時間。而雙光束掃描方法可以有效的解決這一問題。如圖8，在雙光束無信標掃描過程中，一束光為正常的掃描光束26，其沿著預定的軌跡進行掃描，而另一束光補償掃描的軌跡27，主要針對黑色圓形漏掃的區域進行補償式掃描，這樣在不改變光斑尺寸、環臂間距、光斑步進間距的情況下對漏掃區域進行覆蓋，進而提高捕獲概率。
35.以上所述，僅是本發明的較佳實施例，並非對本發明作任何限制。凡是根據發明技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、變更以及等效變化，均仍屬於本發明技術方案的保護範圍內。