雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置及控制方法
2023-05-15 02:24:41 4
專利名稱：雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置及控制方法
技術領域：
本發明涉及雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置及控制方法，屬於光學圖像處理領 域。
背景技術：
空間雷射通信中，捕獲和跟瞄是用於快速建立及穩定保持通信鏈路的關鍵技術。 其中對應於探測裝置的功能主要用於實時檢測入射光束與終端視軸所成的方位和俯仰角， 來確定終端的瞄準角度偏差。在一定的探測精度前提下，粗瞄機構工作要求探測器擁有盡 可能較大的視域(毫弧度量級)，而精瞄機構工作時則要求探測器具有儘可能較高的頻率 響應(IkHz以上)。從而能夠滿足提供給控制器單元足夠的反饋信號進行閉環控制。為滿足上述的粗精瞄得要求，在現有的空間光通信終端中，一般是採用兩個探測 器，如圖1所示，它包括萬向轉臺1、第一望遠鏡2、第二望遠鏡3、濾光片4、複合聚焦透鏡5、 面陣CCD探測器和四象限探測器。面陣CCD探測器用於實現較大的探測視域，四象限探測 器用於實現較高的探測頻率，以及大量電子元件來檢測入射光束的方位和俯仰角信息。需 要對入射光束進行分束，這將造成接收能量的損失。此外，採用上述方式設計的系統存在結 構複雜、可靠性低、體積大、重量大的問題。如果採用單個探測器件，可大大降低系統的複雜性。近些年來，有人提出了採用單 個CCD分時進行誤差探測的方法，該方法所用裝置如圖2所示，包括萬向轉臺1、望遠鏡2、 濾光片4和CCD探測器，輸出的誤差信號同時用於粗瞄和精瞄控制。上述方式存在的問題 是(1)系統整體工作帶寬下降，對衛星平臺高頻振動無法有效補償；(2)粗瞄和精瞄控制 易發生相互耦合問題，控制穩定性較差。
發明內容
本發明目的是為了解決採用單個CCD進行誤差探測、控制光束存在系統整體工作 帶寬下降，對衛星平臺高頻振動無法有效補償；以及粗瞄和精瞄控制易發生相互耦合，控制 穩定性較差的問題，提供了一種雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置及控制方法。本發明所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，包括粗瞄準模塊、粗瞄執行機 構、精瞄準模塊和精瞄執行機構，它還包括面陣CXD探測器及其控制模塊，面陣CXD探測器 及其控制模塊的粗瞄指令輸出端與粗瞄準模塊的輸入端相連，粗瞄準模塊的輸出端與粗瞄 執行機構的輸入端相連，粗瞄執行機構的輸出端與面陣CCD探測器及其控制模塊的光束粗 瞄校正輸入端相連；面陣CXD探測器及其控制模塊的精瞄指令輸出端與精瞄準模塊的輸入端相連，精 瞄準模塊的輸出端與精瞄執行機構的輸入端相連，精瞄執行機構的輸出端與面陣CCD探測 器及其控制模塊的光束精瞄校正輸入端相連。基於上述雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置的光束控制方法，該方法包括以下步 驟
步驟一、初始化面陣C⑶探測器，確定瞄準中心點，並以瞄準中心點為基準中心在 面陣CCD探測器上設置由外向內依次嵌套的多個同心窗粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對準窗，粗 跟蹤窗為長度280像素 350像素的正方形窗口，精跟蹤窗為長度25像素 35像素的正 方形窗口，對準窗為長度3像素 6像素的正方形窗口，步驟二、判斷面陣CXD探測器上是否出現目標成像光斑，判斷結果為是，執行步驟三；判斷結果為否，說明無光束入射到面陣CCD探測器 上，結束本方法的控制過程；步驟三、計算出所述目標成像光斑的位置坐標；步驟四、判斷所述目標成像光斑是否位於粗跟蹤窗內；判斷結果為是，執行步驟六；判斷結果為否，執行步驟五； 步驟五、由面陣CXD探測器及其控制模塊發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊控制粗 瞄執行機構運動，使面陣CXD探測器上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目 標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟六、判斷所述目標成像光斑是否位於精跟蹤窗內；判斷結果為是，執行步驟八；判斷結果為否，執行步驟七；步驟七、面陣CXD探測器及其控制模塊同時發出粗瞄指令和精瞄指令由面陣CXD探測器及其控制模塊發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊控制粗瞄執行機 構運動，使面陣CCD探測器上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目標成像光 斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；同時，由面陣CCD探測器及其控制模塊發出精瞄指令，通過精瞄準模塊控制精瞄 執行機構將運動，使面陣CCD探測器上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目 標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟八、判斷所述目標成像光斑是否位於對準窗內；判斷結果為是，執行步驟十；判斷結果為否，執行步驟九；步驟九、由面陣CXD探測器及其控制模塊發出精瞄指令，通過精瞄準模塊控制精 瞄執行機構運動，使面陣CXD探測器上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目 標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟十、判定所述目標成像光斑與瞄準中心點之間無誤差，完成光束的誤差探測 及控制。本發明的優點本發明採用多個虛擬窗的方式實現了對光束瞄準誤差不同範圍和 頻段的檢測，避免了粗瞄和精瞄控制時的相互耦合問題，實現了高頻穩定光束控制。本方法 可應用於雷射通信鏈路終端，可實現系統小型化和穩定高精度控制。
圖1是背景技術中採用雙探測器的系統結構示意圖；圖2是背景技術中採用單探測器的系統結構示意圖3是本發明所述雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置的電氣原理結構示意圖；圖4是面陣CCD探測器及其控制模塊的信號處理過程的示意圖；圖5是本發明所述基於雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置的光束控制方法的流 程圖；圖6是粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對準窗的關係圖，其中A為面陣CCD探測器；B為粗 跟蹤窗；C為精跟蹤窗；D為對準窗；0為瞄準中心點；M為目標成像光斑。
具體實施方式
具體實施方式
一下面結合圖3和圖4說明本實施方式，本實施方式所述的雷射通 信鏈路光束的誤差探測裝置，包括粗瞄準模塊2、粗瞄執行機構3、精瞄準模塊4和精瞄執行 機構5，它還包括面陣CXD探測器及其控制模塊1，面陣CXD探測器及其控制模塊1的粗瞄 指令輸出端與粗瞄準模塊2的輸入端相連，粗瞄準模塊2的輸出端與粗瞄執行機構3的輸 入端相連，粗瞄執行機構3的輸出端與面陣CCD探測器及其控制模塊1的光束粗瞄校正輸 入端相連；面陣CXD探測器及其控制模塊1的精瞄指令輸出端與精瞄準模塊4的輸入端相 連，精瞄準模塊4的輸出端與精瞄執行機構5的輸入端相連，精瞄執行機構5的輸出端與面 陣CXD探測器及其控制模塊1的光束精瞄校正輸入端相連。參見圖1所示。面陣CXD探測器及其控制模塊1包括面陣CXD探測器1_1、FPGA緩衝單元1_2和嵌 入式處理器1-3，面陣CXD探測器1-1用於接收粗瞄反饋信息和精瞄反饋信息，該面陣CXD 探測器1-1的輸出端與FPGA緩衝單元1-2的輸入端相連，FPGA緩衝單元1_2的輸出端與 嵌入式處理器1-3的輸入端相連，嵌入式處理器1-3用於輸出粗瞄指令和精瞄指令。參見 圖2所示。面陣CXD探測器1-1採用Basler 602系列工業相機。FPGA緩衝單元1-2採用Xlinx公司出品的XQV-300系列晶片。嵌入式處理器1-3採用TI公司出品的DSP6000系列的晶片。
具體實施方式
二 下面結合圖3至圖6說明本實施方式，本實施方式是基於實施方 式一所述雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置的光束控制方法，該方法包括以下步驟步驟一、初始化面陣CXD探測器1-1，確定瞄準中心點，並以瞄準中心點為基準中 心在面陣CCD探測器1-1上設置由外向內依次嵌套的多個同心窗粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對 準窗，粗跟蹤窗為長度280像素 350像素的正方形窗口，精跟蹤窗為長度25像素 35像 素的正方形窗口，對準窗為長度3像素 6像素的正方形窗口，步驟二、判斷面陣CXD探測器1-1上是否出現目標成像光斑，判斷結果為是，執行步驟三；判斷結果為否，說明無光束入射到面陣CCD探測器 1-1上，結束本方法的控制過程；步驟三、計算出所述目標成像光斑的位置坐標；步驟四、判斷所述目標成像光斑是否位於粗跟蹤窗內；判斷結果為是，執行步驟六；判斷結果為否，執行步驟五；步驟五、由面陣CXD探測器及其控制模塊1發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊2控制 粗瞄執行機構3運動，使面陣CXD探測器1-1上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟六、判斷所述目標成像光斑是否位於精跟蹤窗內；判斷結果為是，執行 步驟八；判斷結果為否，執行步驟七；步驟七、面陣CXD探測器及其控制模塊1同時發出粗瞄指令和精瞄指令由面陣CXD探測器及其控制模塊1發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊2控制粗瞄執 行機構3運動，使面陣CXD探測器1-1上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根據目 標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；同時，由面陣CXD探測器及其控制模塊1發出精瞄指令，通過精瞄準模塊4控制精 瞄執行機構5將運動，使面陣CXD探測器1-1上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量 根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟八、判斷所述目標成像光斑是否位於對準窗內；判斷結果為是，執行步驟十；判斷結果為否，執行步驟九；步驟九、由面陣CXD探測器及其控制模塊1發出精瞄指令，通過精瞄準模塊4控制 精瞄執行機構5運動，使面陣CXD探測器1-1上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量 根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟十、判定所述目標成像光斑與瞄準中心點之間無誤差，完成光束的誤差探測 及控制。步驟五和步驟七中所述的粗瞄指令的發出頻率為3Hz 10Hz。即對面陣C⑶探測 器1-1的角度的粗調整頻率是3HZ IOHz。步驟七和步驟九中所述的精瞄指令的發出頻率為500Hz 1000Hz。即對面陣CXD 探測器1-1的角度的精調整頻率是500Hz 1000Hz。考慮到雷射通信鏈路對終端的小型化要求，本發明提出了採用單個面陣CCD探測 器1-1進行多窗口誤差探測的新方法。該方法通過軟體控制的方式，在單個面陣CCD探測 器1-1的物理窗中構建了多個虛擬窗——粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對準窗，以滿足粗、精瞄光 束控制的不同需求，避免了粗精控制時的相互耦合。對於粗瞄和精瞄控制，分別提供不同變 化範圍和頻率的反饋信息，克服現有技術存在的問題，實現高頻穩定光束控制。粗跟蹤當系統工作在跟蹤窗的條件下，面陣CCD探測器及其控制模塊1根據粗瞄 反饋誤差發出指令要求執行機構由當前位置逐漸逼近瞄準中心點為粗跟蹤運動。精跟蹤當系統工作在跟蹤窗的條件下，面陣CCD探測器及其控制模塊1根據精瞄 反饋誤差發出指令要求精瞄機構偏轉，該運動稱為精跟蹤運動。根據上述定義，在軟體中設計如下虛擬跟蹤窗口 參見圖4所示，粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對準窗的尺寸由大到小，層層嵌套，且為同 心窗，均為虛擬窗，按設定條件要求圖像處理單元初始化面陣CCD探測器1-1來完成。粗跟蹤窗設置在跟蹤窗內的一個環繞精跟蹤窗的虛擬環形同心窗。目標出現在 此窗口時，同時更新粗瞄和精瞄控制指令，該窗口稱為粗跟蹤。精跟蹤窗設置在跟蹤窗內的一個環繞對準窗的虛擬環形同心窗。目標出現在此窗口時，不再更新粗瞄控制指令，只更新精瞄控制指令，該窗口稱為精跟蹤窗。對準窗設置在跟蹤窗內的一個虛擬同心窗。當控制軟體判定目標成像光斑出現 在該窗口內時，不再更新粗瞄單元和精瞄單元的控制指令，該窗口稱為對準窗。多窗口工作時的切換條件 通過判斷是否滿足切換窗條件，控制軟體將判決是否轉入探測窗或者跟蹤窗進行 工作。工作狀態有如下五種情況A.當探測到目標成像光斑在跟蹤窗內而不在粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對準窗構成的 完整區域內，只更新粗跟蹤控制指令；B.當探測到目標成像光斑在粗跟蹤窗內而不在精跟蹤窗和對準窗構成的完整區 域內，同時更新粗跟蹤和精跟蹤控制指令；C.當探測到目標成像光斑在精跟蹤窗內而不在對準窗內，只更新精跟蹤控制指 令；D.當探測到目標成像光斑在對準窗內，停止更新粗跟蹤和精跟蹤控制指令。本發明方法對光束進行精密控制時，對粗、精瞄單元分別進行閉環。本方法提出了 使用了單一面陣CCD探測器1-1，同時提供不同頻率的誤差反饋信號進行控制，即分別通過 軟體方法設計適應粗瞄的低頻需求(通常為3Hz IOHz)、以及精瞄所需要的高頻要求(通 常為500Hz 1000Hz)的反饋程序，從而使得粗精瞄控制器在系統工作時達到最佳控制效^ ο具體實施方式
三本實施方式與實施方式二的不同之處在於步驟一中的粗跟蹤 窗為長度300像素的正方形窗口，精跟蹤窗為長度30像素的正方形窗口，對準窗為長度4 像素的正方形窗口。其它與實施方式二相同。
權利要求
1.雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，它包括粗瞄準模塊(2)、粗瞄執行機構(3)、精 瞄準模塊(4)和精瞄執行機構(5)，其特徵在於它還包括面陣CXD探測器及其控制模塊 (1)，面陣CCD探測器及其控制模塊(1)的粗瞄指令輸出端與粗瞄準模塊O)的輸入端相 連，粗瞄準模塊⑵的輸出端與粗瞄執行機構⑶的輸入端相連，粗瞄執行機構⑶的輸出 端與面陣CXD探測器及其控制模塊(1)的光束粗瞄校正輸入端相連；面陣CCD探測器及其控制模塊(1)的精瞄指令輸出端與精瞄準模塊的輸入端相 連，精瞄準模塊⑷的輸出端與精瞄執行機構(5)的輸入端相連，精瞄執行機構(5)的輸出 端與面陣C⑶探測器及其控制模塊(1)的光束精瞄校正輸入端相連。
2.根據權利要求1所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於面陣CCD 探測器及其控制模塊(1)包括面陣CCD探測器(1-1)、FPGA緩衝單元(1- 和嵌入式處理 器(1-3)，面陣CCD探測器(1-1)用於接收粗瞄反饋信息和精瞄反饋信息，該面陣CCD探測 器(1-1)的輸出端與FPGA緩衝單元(1-2)的輸入端相連，FPGA緩衝單元(1_2)的輸出端 與嵌入式處理器(1- 的輸入端相連，嵌入式處理器(1- 用於輸出粗瞄指令和精瞄指令。
3.根據權利要求2所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於面陣CCD 探測器(1-1)採用Basler 602系列工業相機。
4.根據權利要求2所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於FPGA緩衝 單元(1-2)採用Xlinx公司出品的XQV-300系列晶片。
5.根據權利要求2所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於嵌入式處 理器(1-3)採用TI公司出品的DSP6000系列的晶片。
6.基於權利要求2所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置的光束控制方法，其特徵 在於該方法包括以下步驟步驟一、初始化面陣CCD探測器(1-1)，確定瞄準中心點，並以瞄準中心點為基準中心 在面陣CCD探測器(1-1)上設置由外向內依次嵌套的多個同心窗粗跟蹤窗、精跟蹤窗和對 準窗，粗跟蹤窗為長度280像素 350像素的正方形窗口，精跟蹤窗為長度25像素 35像 素的正方形窗口，對準窗為長度3像素 6像素的正方形窗口， 步驟二、判斷面陣CXD探測器(1-1)上是否出現目標成像光斑， 判斷結果為是，執行步驟三；判斷結果為否，說明無光束入射到面陣CCD探測器(1-1) 上，結束本方法的控制過程；步驟三、計算出所述目標成像光斑的位置坐標； 步驟四、判斷所述目標成像光斑是否位於粗跟蹤窗內； 判斷結果為是，執行步驟六；判斷結果為否，執行步驟五；步驟五、由面陣CCD探測器及其控制模塊(1)發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊( 控制 粗瞄執行機構⑶運動，使面陣CXD探測器(1-1)上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移 動量根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得； 然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標； 步驟六、判斷所述目標成像光斑是否位於精跟蹤窗內； 判斷結果為是，執行步驟八；判斷結果為否，執行步驟七； 步驟七、面陣CCD探測器及其控制模塊(1)同時發出粗瞄指令和精瞄指令 由面陣CCD探測器及其控制模塊(1)發出粗瞄指令，通過粗瞄準模塊( 控制粗瞄執行機構⑶運動，使面陣CXD探測器(1-1)上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移動量根 據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得；同時，由面陣CXD探測器及其控制模塊(1)發出精瞄指令，通過精瞄準模塊(4)控制精 瞄執行機構(5)將運動，使面陣CXD探測器(1-1)上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移 動量根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得； 然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標； 步驟八、判斷所述目標成像光斑是否位於對準窗內； 判斷結果為是，執行步驟十；判斷結果為否，執行步驟九；步驟九、由面陣CCD探測器及其控制模塊⑴發出精瞄指令，通過精瞄準模塊⑷控制 精瞄執行機構(5)運動，使面陣CXD探測器(1-1)上的目標成像光斑向瞄準中心點移動，移 動量根據目標成像光斑的位置坐標和瞄準中心點的位置坐標的誤差獲得； 然後返回執行步驟三，重新計算目標成像光斑的位置坐標；步驟十、判定所述目標成像光斑與瞄準中心點之間無誤差，完成光束的誤差探測及控制。
7.根據權利要求6所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於步驟一中 的粗跟蹤窗為長度300像素的正方形窗口，精跟蹤窗為長度30像素的正方形窗口，對準窗 為長度4像素的正方形窗口。
8.根據權利要求6所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於步驟五和 步驟七中所述的粗瞄指令的發出頻率為3Hz 10Hz。
9.根據權利要求6所述的雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置，其特徵在於步驟七和 步驟九中所述的精瞄指令的發出頻率為500Hz 1000Hz。
全文摘要
雷射通信鏈路光束的誤差探測裝置及控制方法，屬於光學圖像處理領域，本發明為解決採用單個CCD進行誤差探測、控制光束存在系統整體工作帶寬下降，對衛星平臺高頻振動無法有效補償；以及粗瞄和精瞄控制易發生相互耦合，控制穩定性較差的問題。本發明的面陣CCD探測器及其控制模塊的粗瞄指令輸出端與粗瞄準模塊輸入端相連，粗瞄準模塊輸出端與粗瞄執行機構輸入端相連，粗瞄執行機構輸出端與面陣CCD探測器及其控制模塊的光束粗瞄校正輸入端相連；面陣CCD探測器及其控制模塊的精瞄指令輸出端與精瞄準模塊輸入端相連，精瞄準模塊輸出端與精瞄執行機構輸入端相連，精瞄執行機構輸出端與面陣CCD探測器及其控制模塊的光束精瞄校正輸入端相連。
文檔編號G01B11/26GK102075243SQ20101060992
公開日2011年5月25日 申請日期2010年12月28日 優先權日2010年12月28日
發明者於思源, 付森, 譚立英, 韓琦琦, 馬晶 申請人:哈爾濱工業大學