一種光束位置與姿態檢測系統的製作方法
2023-11-11 15:38:12
本實用新型涉及無線雷射通信技術領域，特別是涉及一種光束位置與姿態檢測系統。
背景技術：
無線雷射通信鏈路建立的前提是通信發射端與接收端嚴格對準。雷射束在大氣中傳輸時受大氣湍流的影響，光束髮生展寬，漂移與閃爍，這些現象對通信鏈路的保持產生了較大影響，嚴重時可能造成通信鏈路中斷。為了建立並保持通信鏈路，需要一套光束控制系統對光束指向進行控制。在無線雷射通信系統中對光束指向進行控制的系統稱之為APT系統。
光斑檢測系統是APT系統的分系統，該系統的傳統檢測方法如下,光束直接照射至傳感器表面，讀取傳感器的光斑位置信息並進行處理。該方法存在的問題是無法對光束橫向漂移與天線角度誤差分別進行檢測。具體表現如下，當通信距離較近時（小於1Km），光斑檢測傳感器檢測到光斑位置的誤差數據，該數據是光束橫向漂移與接收天線角度偏差的疊加；當通信距離較遠時（大於1Km），影響天線對光束接收的主要因素是光束的橫向漂移，此時，由於光束長距離傳播，當光束到達天線接收面時近似為平行光束，平行光束無論是否發生橫向漂移，其通過天線系統後均會在焦點處匯聚，故通過該方法對其無法進行檢測。實際情況下，由於光束不是完全平行光束，該方法只能通過提高檢測靈敏度，對光束偏移量進行檢測，但是檢測精度有限，同時隨著檢測靈敏度的提高，勢必引入大量測量噪聲，這也增加了後級信號處理的難度。
技術實現要素：
本實用新型主要解決的技術問題是提供一種光束位置與姿態檢測系統，結構簡單，採用了一種基於背投幕成像的機器視覺系統，可以根據檢測光斑的橢圓度來判斷光束是否對準天線接收面，解決了現有技術無法對光束相對接受面發生橫向漂移時，光束位置無法檢測的問題。
為解決上述技術問題，本實用新型採用的一個技術方案是：提供一種光束位置與姿態檢測系統，包括：單透鏡、CCD相機、FD型光學背投幕、分光稜鏡和通信探測器，所述單透鏡、分光稜鏡和通信探測器在一條直線上，分光稜鏡位於單透鏡和通信探測器之間，所述CCD相機位於分光稜鏡一側，所述FD型光學背投幕位於CCD相機與分光稜鏡之間。
在本實用新型一個較佳實施例中，所述FD型光學背投幕背面的菲涅爾透鏡是以同心圓方向進行切割的。
本實用新型還提供了上述檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：
a、單透鏡接收光束，分光稜鏡將射入的雷射束一分為二，其中一路光束為通信光束，另一路光束為位置檢測光束；
b、位置檢測光束首先照射在FD型光學背投幕上，由於背投幕背面散射粒子對光束的散射作用，光束截面在背投幕上成像；
c、通過CCD相機觀測背投幕上的光斑成像；
d、定義光束的橫向漂移為光束位置，光束與天線接收面視軸夾角為光束姿態，光束位置與姿態計算方法如下：視場角為，觀測背投幕的尺寸為z，完整圓環形心a點與視場中心o點的距離為x，圓環中明亮部分質心b點與a點的距離為y，CCD視場中圓環半徑為，已知接收望遠系統接收面實際尺寸直徑為，光束姿態由計算式：
可以求得；
光束位置由計算式：
可以求得。
本實用新型具有以下有益效果：
1、本實用新型可以通過檢測光斑的橢圓度來表徵對方光束是否對準光端機天線接收面，此方法比常規方法檢測精度更高，通過該檢測方法可以更加精確控制光束指向，最大限度使得光束能量進入接收天線，提高接收端信號的信噪比。
2、本實用新型可減少光學系統內部炫光的問題，使得檢測結果精度大為提高。同時由於不受炫光的幹擾，使得檢測算法大幅簡化，提高了檢測速度。
附圖說明
為了更清楚地說明本實用新型實施例中的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本實用新型的一些實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其它的附圖，其中：
圖1是本實用新型一種光束位置與姿態檢測系統一較佳實施例的結構示意圖；
圖2是FD型光學背投幕的結構示意圖；
圖3 是FD型光學背投幕背面的菲涅爾透鏡的結構示意圖；
圖4 光束位置檢測的四種情況示意圖，其中：（a）光束垂直入射且完全籠罩接收面；（b）光束斜入射且完全籠罩接收面；（c）光束垂直入射且部分籠罩接收面；（d）光束斜入射且部分籠罩接收面；
圖5 光斑位置計算示意圖。
附圖中各部件的標記如下：1、單透鏡，2 、CCD相機，3、FD型光學背投幕，4、入射光束，5 、分光稜鏡，6 、CCD相機視場，7 、通信探測器。
具體實施方式
下面將對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅是本實用新型的一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本實用新型中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其它實施例，都屬於本實用新型保護的範圍。
請參閱圖1至圖5，本實用新型實施例包括：
一種光束位置與姿態檢測系統，包括：單透鏡、CCD相機、FD型光學背投幕、分光稜鏡和通信探測器，所述單透鏡、分光稜鏡和通信探測器在一條直線上，分光稜鏡位於單透鏡和通信探測器之間，所述CCD相機位於分光稜鏡一側，所述FD型光學背投幕位於CCD相機與分光稜鏡之間。
本實用新型的檢測系統使用CCD（Charge Coupled Device）相機作為光斑位置傳感器，並使用背投屏幕對光束進行成像。本實用新型利用背投幕成像原理，解決了光束遠距離傳播後，光束髮生橫向漂移時，光斑檢測系統對其位置無法檢測的問題。以及光束近距離傳播後，光斑檢測系統對天線角度與光束漂移兩種信息無法分辨的問題。同時解決了直接使用CCD相機進行光斑檢測時，檢測系統受光學結構內部炫光影響嚴重的問題，提高了檢測精度，降低了後期信號處理的算法複雜度。
上述檢測系統的檢測方法，包括以下步驟：
步驟一：如圖一所示，雷射通信中用於接收光束的卡塞格林光學結構簡化為一個單透鏡系統，在接收天線內部主光路焦點附近放置了一塊分光稜鏡，如圖1所示，分光稜鏡將射入的雷射束一分為二，其中一路光束為通信光束，另一路光束為位置檢測光束。
步驟二：如圖二所示，本系統主要由一塊FD型（Fresnel lens-Diffusion cover）光學背投幕與CCD工業相機組成。位置檢測光束首先照射在FD型光學背投幕上，由於背投幕背面散射粒子對光束的散射作用，光束截面在背投幕上成像。對背投幕的安裝位置進行離焦式設計，這是由於當背投幕處於望遠系統焦平面時，平行入射光束經過透鏡系統聚焦成一點，該情況下只能檢測入射光束與天線系統接收面視軸的夾角，無法檢測光束沿接收面切向漂移的位移量。在本系統中，將背投幕設計放置到光學系統焦點的前方96mm處，此時背投幕上的像為圓形光斑。根據光斑殘缺情況對光束沿接收面發生漂移的位移量進行檢測，此處定義光斑殘缺程度為光斑的橢圓度。光斑的大小可根據光學系統焦點到背投幕的距離進行微調，距離越大光斑越大，反之光斑越小。FD型光學背投幕是一種單層菲涅爾散射屏幕，屏幕在入射光束一側為菲涅爾透鏡結構，面向CCD工業相機的鏡頭的另一側是摻雜大量散射粒子的平面。屏幕水平視角與垂直視角依賴於面向CCD相機一側面中摻雜的散射粒子對光束的散射作用，因此其垂直方向與水平方向的視角特性一致，能夠提供超高的解析度圖像，其圖像理論解析度為散射粒子的大小，一般在3~7 。光學天線口徑為208mm，焦距為2000mm，為了使透過背投屏幕出射的光線垂直分布且屏幕亮度均勻，菲涅爾透視幕的屏幕焦距必須與接收望遠鏡系統的焦距相配合，光學背投幕在製造過程中，背面的菲涅爾（Fresnel）透鏡以同心圓方向進行切割，如圖3所示，以控制光線入射角度。
步驟三：如圖4所示，將望遠系統簡化為一個單透鏡系統，由於在本系統中使用了卡塞格林望遠系統，該系統由主鏡與副鏡組成，副鏡會對入射光束產生遮擋，從而使圓形光斑在背投幕上成像為圓環。該圖第一行為沿入射光軸切向觀察，入射光線與接收視場視軸夾角的關係。該圖第二行為沿入射光軸徑向觀察，在望遠系統接收面處光斑與接收面的位置關係。該圖第三行為通過CCD相機觀測背投幕上的光斑成像。該圖中四個子圖分別表示了在不同情況下通過CCD相機觀測到的在背投幕上不同的像。
子圖（a）為入射光束與天線接收視場視軸夾角為零度，且光束將望遠系統接收面完全籠罩。此時可以通過CCD相機觀測到背投幕上的成像為完整的圓環，且在視場中心位置；
子圖（b）為入射光束與天線接收視場視軸夾角非零度，且光束將望遠系統接收面完全籠罩。此時可以通過CCD相機觀測到背投幕上的成像為完整的圓環，但偏離視場中心位置；
子圖（c）為入射光束與天線接收視場視軸夾角為零度，且光束將望遠系統接收面部分籠罩。此時可以通過CCD相機觀測到背投幕上成像的為殘缺的圓環，但在視場中心位置；
子圖（d）為入射光束與天線接收視場視軸夾角非零度，且光束將望遠系統接收面部分籠罩。此時可以通過CCD相機觀測到背投幕上成像為殘缺的圓環，且偏離視場中心位置。通過以上這種方式，可以分別檢測出入射光束與接收面徑向夾角與切向漂移量。
步驟四：定義光束的橫向漂移為光束位置，光束與天線接收面視軸夾角為光束姿態。光束位置與姿態計算方法如圖5所示，視場角為，觀測背投幕的尺寸為z,完整圓環形心a點與視場中心o點的距離為x，圓環中明亮部分質心b點與a點的距離為y，CCD視場中圓環半徑為，已知接收望遠系統接收面實際尺寸直徑為。入射光束與接收面徑向夾角（光束姿態）由計算式：
可以求得。
入射光束與接收面切向漂移量（光束位置）由計算式：
可以求得。
本實用新型具有以下有益效果：
1、本實用新型可以通過檢測光斑的橢圓度來表徵對方光束是否對準光端機天線接收面，此方法比常規方法檢測精度更高，通過該檢測方法可以更加精確控制光束指向，最大限度使得光束能量進入接收天線，提高接收端信號的信噪比。
2、本實用新型可減少光學系統內部炫光的問題，使得檢測結果精度大為提高。同時由於不受炫光的幹擾，使得檢測算法大幅簡化，提高了檢測速度。
以上所述僅為本實用新型的實施例，並非因此限制本實用新型的專利範圍，凡是利用本實用新型說明書內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其它相關的技術領域，均同理包括在本實用新型的專利保護範圍內。