专利名称：激光通信链路光束的误差探测装置及控制方法
技术领域：
本发明涉及激光通信链路光束的误差探测装置及控制方法，属于光学图像处理领 域。
背景技术：
空间激光通信中，捕获和跟瞄是用于快速建立及稳定保持通信链路的关键技术。 其中对应于探测装置的功能主要用于实时检测入射光束与终端视轴所成的方位和俯仰角， 来确定终端的瞄准角度偏差。在一定的探测精度前提下，粗瞄机构工作要求探测器拥有尽 可能较大的视域(毫弧度量级)，而精瞄机构工作时则要求探测器具有尽可能较高的频率 响应(IkHz以上)。从而能够满足提供给控制器单元足够的反馈信号进行闭环控制。为满足上述的粗精瞄得要求，在现有的空间光通信终端中，一般是采用两个探测 器，如图1所示，它包括万向转台1、第一望远镜2、第二望远镜3、滤光片4、复合聚焦透镜5、 面阵CCD探测器和四象限探测器。面阵CCD探测器用于实现较大的探测视域，四象限探测 器用于实现较高的探测频率，以及大量电子元件来检测入射光束的方位和俯仰角信息。需 要对入射光束进行分束，这将造成接收能量的损失。此外，采用上述方式设计的系统存在结 构复杂、可靠性低、体积大、重量大的问题。如果采用单个探测器件，可大大降低系统的复杂性。近些年来，有人提出了采用单 个CCD分时进行误差探测的方法，该方法所用装置如图2所示，包括万向转台1、望远镜2、 滤光片4和CCD探测器，输出的误差信号同时用于粗瞄和精瞄控制。上述方式存在的问题 是(1)系统整体工作带宽下降，对卫星平台高频振动无法有效补偿；(2)粗瞄和精瞄控制 易发生相互耦合问题，控制稳定性较差。
发明内容
本发明目的是为了解决采用单个CCD进行误差探测、控制光束存在系统整体工作 带宽下降，对卫星平台高频振动无法有效补偿；以及粗瞄和精瞄控制易发生相互耦合，控制 稳定性较差的问题，提供了一种激光通信链路光束的误差探测装置及控制方法。本发明所述的激光通信链路光束的误差探测装置，包括粗瞄准�？�、粗瞄执行机 构、精瞄准�？楹途橹葱谢梗拱嬲驝XD探测器及其控制�？椋嬲驝XD探测器 及其控制模块的粗瞄指令输出端与粗瞄准�？榈氖淙攵讼嗔置樽寄？榈氖涑龆擞氪置� 执行机构的输入端相连，粗瞄执行机构的输出端与面阵CCD探测器及其控制模块的光束粗 瞄校正输入端相连；面阵CXD探测器及其控制�？榈木橹噶钍涑龆擞刖樽寄？榈氖淙攵讼嗔� 瞄准�？榈氖涑龆擞刖橹葱谢沟氖淙攵讼嗔橹葱谢沟氖涑龆擞朊嬲驝CD探测 器及其控制�？榈墓馐樾Ｕ淙攵讼嗔�。基于上述激光通信链路光束的误差探测装置的光束控制方法，该方法包括以下步 骤
步骤一、初始化面阵C⑶探测器，确定瞄准中心点，并以瞄准中心点为基准中心在 面阵CCD探测器上设置由外向内依次嵌套的多个同心窗粗跟踪窗、精跟踪窗和对准窗，粗 跟踪窗为长度280像素 350像素的正方形窗口，精跟踪窗为长度25像素 35像素的正 方形窗口，对准窗为长度3像素 6像素的正方形窗口，步骤二、判断面阵CXD探测器上是否出现目标成像光斑，判断结果为是，执行步骤三；判断结果为否，说明无光束入射到面阵CCD探测器 上，结束本方法的控制过程；步骤三、计算出所述目标成像光斑的位置坐标；步骤四、判断所述目标成像光斑是否位于粗跟踪窗内；判断结果为是，执行步骤六；判断结果为否，执行步骤五； 步骤五、由面阵CXD探测器及其控制�？榉⒊龃置橹噶睿ü置樽寄？榭刂拼� 瞄执行机构运动，使面阵CXD探测器上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目 标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤六、判断所述目标成像光斑是否位于精跟踪窗内；判断结果为是，执行步骤八；判断结果为否，执行步骤七；步骤七、面阵CXD探测器及其控制�？橥狈⒊龃置橹噶詈途橹噶钣擅嬲驝XD探测器及其控制�？榉⒊龃置橹噶睿ü置樽寄？榭刂拼置橹葱谢� 构运动，使面阵CCD探测器上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目标成像光 斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；同时，由面阵CCD探测器及其控制�？榉⒊鼍橹噶睿ü樽寄？榭刂凭� 执行机构将运动，使面阵CCD探测器上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目 标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤八、判断所述目标成像光斑是否位于对准窗内；判断结果为是，执行步骤十；判断结果为否，执行步骤九；步骤九、由面阵CXD探测器及其控制�？榉⒊鼍橹噶睿ü樽寄？榭刂凭� 瞄执行机构运动，使面阵CXD探测器上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目 标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤十、判定所述目标成像光斑与瞄准中心点之间无误差，完成光束的误差探测 及控制。本发明的优点本发明采用多个虚拟窗的方式实现了对光束瞄准误差不同范围和 频段的检测，避免了粗瞄和精瞄控制时的相互耦合问题，实现了高频稳定光束控制。本方法 可应用于激光通信链路终端，可实现系统小型化和稳定高精度控制。
图1是背景技术中采用双探测器的系统结构示意图；图2是背景技术中采用单探测器的系统结构示意图3是本发明所述激光通信链路光束的误差探测装置的电气原理结构示意图；图4是面阵CCD探测器及其控制�？榈男藕糯砉痰氖疽馔迹煌�5是本发明所述基于激光通信链路光束的误差探测装置的光束控制方法的流 程图；图6是粗跟踪窗、精跟踪窗和对准窗的关系图，其中A为面阵CCD探测器；B为粗 跟踪窗；C为精跟踪窗；D为对准窗；0为瞄准中心点；M为目标成像光斑。
具体实施方式
具体实施方式
一下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式所述的激光通 信链路光束的误差探测装置，包括粗瞄准�？�2、粗瞄执行机构3、精瞄准�？�4和精瞄执行 机构5，它还包括面阵CXD探测器及其控制�？�1，面阵CXD探测器及其控制�？�1的粗瞄 指令输出端与粗瞄准�？�2的输入端相连，粗瞄准�？�2的输出端与粗瞄执行机构3的输 入端相连，粗瞄执行机构3的输出端与面阵CCD探测器及其控制�？�1的光束粗瞄校正输 入端相连；面阵CXD探测器及其控制�？�1的精瞄指令输出端与精瞄准模块4的输入端相 连，精瞄准模块4的输出端与精瞄执行机构5的输入端相连，精瞄执行机构5的输出端与面 阵CXD探测器及其控制�？�1的光束精瞄校正输入端相连。参见图1所示。面阵CXD探测器及其控制�？�1包括面阵CXD探测器1_1、FPGA缓冲单元1_2和嵌 入式处理器1-3，面阵CXD探测器1-1用于接收粗瞄反馈信息和精瞄反馈信息，该面阵CXD 探测器1-1的输出端与FPGA缓冲单元1-2的输入端相连，FPGA缓冲单元1_2的输出端与 嵌入式处理器1-3的输入端相连，嵌入式处理器1-3用于输出粗瞄指令和精瞄指令。参见 图2所示。面阵CXD探测器1-1采用Basler 602系列工业相机。FPGA缓冲单元1-2采用Xlinx公司出品的XQV-300系列芯片。嵌入式处理器1-3采用TI公司出品的DSP6000系列的芯片。
具体实施方式
二 下面结合图3至图6说明本实施方式，本实施方式是基于实施方 式一所述激光通信链路光束的误差探测装置的光束控制方法，该方法包括以下步骤步骤一、初始化面阵CXD探测器1-1，确定瞄准中心点，并以瞄准中心点为基准中 心在面阵CCD探测器1-1上设置由外向内依次嵌套的多个同心窗粗跟踪窗、精跟踪窗和对 准窗，粗跟踪窗为长度280像素 350像素的正方形窗口，精跟踪窗为长度25像素 35像 素的正方形窗口，对准窗为长度3像素 6像素的正方形窗口，步骤二、判断面阵CXD探测器1-1上是否出现目标成像光斑，判断结果为是，执行步骤三；判断结果为否，说明无光束入射到面阵CCD探测器 1-1上，结束本方法的控制过程；步骤三、计算出所述目标成像光斑的位置坐标；步骤四、判断所述目标成像光斑是否位于粗跟踪窗内；判断结果为是，执行步骤六；判断结果为否，执行步骤五；步骤五、由面阵CXD探测器及其控制�？�1发出粗瞄指令，通过粗瞄准�？�2控制 粗瞄执行机构3运动，使面阵CXD探测器1-1上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤六、判断所述目标成像光斑是否位于精跟踪窗内；判断结果为是，执行 步骤八；判断结果为否，执行步骤七；步骤七、面阵CXD探测器及其控制�？�1同时发出粗瞄指令和精瞄指令由面阵CXD探测器及其控制�？�1发出粗瞄指令，通过粗瞄准�？�2控制粗瞄执 行机构3运动，使面阵CXD探测器1-1上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根据目 标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；同时，由面阵CXD探测器及其控制�？�1发出精瞄指令，通过精瞄准�？�4控制精 瞄执行机构5将运动，使面阵CXD探测器1-1上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量 根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤八、判断所述目标成像光斑是否位于对准窗内；判断结果为是，执行步骤十；判断结果为否，执行步骤九；步骤九、由面阵CXD探测器及其控制�？�1发出精瞄指令，通过精瞄准�？�4控制 精瞄执行机构5运动，使面阵CXD探测器1-1上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量 根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤十、判定所述目标成像光斑与瞄准中心点之间无误差，完成光束的误差探测 及控制。步骤五和步骤七中所述的粗瞄指令的发出频率为3Hz 10Hz。即对面阵C⑶探测 器1-1的角度的粗调整频率是3HZ IOHz。步骤七和步骤九中所述的精瞄指令的发出频率为500Hz 1000Hz。即对面阵CXD 探测器1-1的角度的精调整频率是500Hz 1000Hz。考虑到激光通信链路对终端的小型化要求，本发明提出了采用单个面阵CCD探测 器1-1进行多窗口误差探测的新方法。该方法通过软件控制的方式，在单个面阵CCD探测 器1-1的物理窗中构建了多个虚拟窗——粗跟踪窗、精跟踪窗和对准窗，以满足粗、精瞄光 束控制的不同需求，避免了粗精控制时的相互耦合。对于粗瞄和精瞄控制，分别提供不同变 化范围和频率的反馈信息，克服现有技术存在的问题，实现高频稳定光束控制。粗跟踪当系统工作在跟踪窗的条件下，面阵CCD探测器及其控制�？�1根据粗瞄 反馈误差发出指令要求执行机构由当前位置逐渐逼近瞄准中心点为粗跟踪运动。精跟踪当系统工作在跟踪窗的条件下，面阵CCD探测器及其控制�？�1根据精瞄 反馈误差发出指令要求精瞄机构偏转，该运动称为精跟踪运动。根据上述定义，在软件中设计如下虚拟跟踪窗口 参见图4所示，粗跟踪窗、精跟踪窗和对准窗的尺寸由大到�。悴闱短祝椅� 心窗，均为虚拟窗，按设定条件要求图像处理单元初始化面阵CCD探测器1-1来完成。粗跟踪窗设置在跟踪窗内的一个环绕精跟踪窗的虚拟环形同心窗。目标出现在 此窗口时，同时更新粗瞄和精瞄控制指令，该窗口称为粗跟踪。精跟踪窗设置在跟踪窗内的一个环绕对准窗的虚拟环形同心窗。目标出现在此窗口时，不再更新粗瞄控制指令，只更新精瞄控制指令，该窗口称为精跟踪窗。对准窗设置在跟踪窗内的一个虚拟同心窗。当控制软件判定目标成像光斑出现 在该窗口内时，不再更新粗瞄单元和精瞄单元的控制指令，该窗口称为对准窗。多窗口工作时的切换条件 通过判断是否满足切换窗条件，控制软件将判决是否转入探测窗或者跟踪窗进行 工作。工作状态有如下五种情况A.当探测到目标成像光斑在跟踪窗内而不在粗跟踪窗、精跟踪窗和对准窗构成的 完整区域内，只更新粗跟踪控制指令；B.当探测到目标成像光斑在粗跟踪窗内而不在精跟踪窗和对准窗构成的完整区 域内，同时更新粗跟踪和精跟踪控制指令；C.当探测到目标成像光斑在精跟踪窗内而不在对准窗内，只更新精跟踪控制指 令；D.当探测到目标成像光斑在对准窗内，停止更新粗跟踪和精跟踪控制指令。本发明方法对光束进行精密控制时，对粗、精瞄单元分别进行闭环。本方法提出了 使用了单一面阵CCD探测器1-1，同时提供不同频率的误差反馈信号进行控制，即分别通过 软件方法设计适应粗瞄的低频需求(通常为3Hz IOHz)、以及精瞄所需要的高频要求(通 常为500Hz 1000Hz)的反馈程序，从而使得粗精瞄控制器在系统工作时达到最佳控制效^ ο具体实施方式
三本实施方式与实施方式二的不同之处在于步骤一中的粗跟踪 窗为长度300像素的正方形窗口，精跟踪窗为长度30像素的正方形窗口，对准窗为长度4 像素的正方形窗口。其它与实施方式二相同。
权利要求
1.激光通信链路光束的误差探测装置，它包括粗瞄准模块(2)、粗瞄执行机构(3)、精 瞄准模块(4)和精瞄执行机构(5)，其特征在于它还包括面阵CXD探测器及其控制模块 (1)，面阵CCD探测器及其控制�？�(1)的粗瞄指令输出端与粗瞄准模块O)的输入端相 连，粗瞄准�？棰频氖涑龆擞氪置橹葱谢耿堑氖淙攵讼嗔置橹葱谢耿堑氖涑� 端与面阵CXD探测器及其控制模块(1)的光束粗瞄校正输入端相连；面阵CCD探测器及其控制�？�(1)的精瞄指令输出端与精瞄准�？榈氖淙攵讼� 连，精瞄准模块⑷的输出端与精瞄执行机构(5)的输入端相连，精瞄执行机构(5)的输出 端与面阵C⑶探测器及其控制�？�(1)的光束精瞄校正输入端相连。
2.根据权利要求1所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于面阵CCD 探测器及其控制�？�(1)包括面阵CCD探测器(1-1)、FPGA缓冲单元(1- 和嵌入式处理 器(1-3)，面阵CCD探测器(1-1)用于接收粗瞄反馈信息和精瞄反馈信息，该面阵CCD探测 器(1-1)的输出端与FPGA缓冲单元(1-2)的输入端相连，FPGA缓冲单元(1_2)的输出端 与嵌入式处理器(1- 的输入端相连，嵌入式处理器(1- 用于输出粗瞄指令和精瞄指令。
3.根据权利要求2所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于面阵CCD 探测器(1-1)采用Basler 602系列工业相机。
4.根据权利要求2所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于FPGA缓冲 单元(1-2)采用Xlinx公司出品的XQV-300系列芯片。
5.根据权利要求2所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于嵌入式处 理器(1-3)采用TI公司出品的DSP6000系列的芯片。
6.基于权利要求2所述的激光通信链路光束的误差探测装置的光束控制方法，其特征 在于该方法包括以下步骤步骤一、初始化面阵CCD探测器(1-1)，确定瞄准中心点，并以瞄准中心点为基准中心 在面阵CCD探测器(1-1)上设置由外向内依次嵌套的多个同心窗粗跟踪窗、精跟踪窗和对 准窗，粗跟踪窗为长度280像素 350像素的正方形窗口，精跟踪窗为长度25像素 35像 素的正方形窗口，对准窗为长度3像素 6像素的正方形窗口， 步骤二、判断面阵CXD探测器(1-1)上是否出现目标成像光斑， 判断结果为是，执行步骤三；判断结果为否，说明无光束入射到面阵CCD探测器(1-1) 上，结束本方法的控制过程；步骤三、计算出所述目标成像光斑的位置坐标； 步骤四、判断所述目标成像光斑是否位于粗跟踪窗内； 判断结果为是，执行步骤六；判断结果为否，执行步骤五；步骤五、由面阵CCD探测器及其控制�？�(1)发出粗瞄指令，通过粗瞄准模块( 控制 粗瞄执行机构⑶运动，使面阵CXD探测器(1-1)上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移 动量根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得； 然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标； 步骤六、判断所述目标成像光斑是否位于精跟踪窗内； 判断结果为是，执行步骤八；判断结果为否，执行步骤七； 步骤七、面阵CCD探测器及其控制�？�(1)同时发出粗瞄指令和精瞄指令 由面阵CCD探测器及其控制�？�(1)发出粗瞄指令，通过粗瞄准�？�( 控制粗瞄执行机构⑶运动，使面阵CXD探测器(1-1)上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移动量根 据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得；同时，由面阵CXD探测器及其控制�？�(1)发出精瞄指令，通过精瞄准�？�(4)控制精 瞄执行机构(5)将运动，使面阵CXD探测器(1-1)上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移 动量根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得； 然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标； 步骤八、判断所述目标成像光斑是否位于对准窗内； 判断结果为是，执行步骤十；判断结果为否，执行步骤九；步骤九、由面阵CCD探测器及其控制�？棰欧⒊鼍橹噶睿ü樽寄？棰瓤刂� 精瞄执行机构(5)运动，使面阵CXD探测器(1-1)上的目标成像光斑向瞄准中心点移动，移 动量根据目标成像光斑的位置坐标和瞄准中心点的位置坐标的误差获得； 然后返回执行步骤三，重新计算目标成像光斑的位置坐标；步骤十、判定所述目标成像光斑与瞄准中心点之间无误差，完成光束的误差探测及控制。
7.根据权利要求6所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于步骤一中 的粗跟踪窗为长度300像素的正方形窗口，精跟踪窗为长度30像素的正方形窗口，对准窗 为长度4像素的正方形窗口。
8.根据权利要求6所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于步骤五和 步骤七中所述的粗瞄指令的发出频率为3Hz 10Hz。
9.根据权利要求6所述的激光通信链路光束的误差探测装置，其特征在于步骤七和 步骤九中所述的精瞄指令的发出频率为500Hz 1000Hz。
全文摘要
激光通信链路光束的误差探测装置及控制方法，属于光学图像处理领域，本发明为解决采用单个CCD进行误差探测、控制光束存在系统整体工作带宽下降，对卫星平台高频振动无法有效补偿；以及粗瞄和精瞄控制易发生相互耦合，控制稳定性较差的问题。本发明的面阵CCD探测器及其控制�？榈拇置橹噶钍涑龆擞氪置樽寄？槭淙攵讼嗔置樽寄？槭涑龆擞氪置橹葱谢故淙攵讼嗔置橹葱谢故涑龆擞朊嬲驝CD探测器及其控制�？榈墓馐置樾Ｕ淙攵讼嗔幻嬲驝CD探测器及其控制�？榈木橹噶钍涑龆擞刖樽寄？槭淙攵讼嗔樽寄？槭涑龆擞刖橹葱谢故淙攵讼嗔橹葱谢故涑龆擞朊嬲驝CD探测器及其控制�？榈墓馐樾Ｕ淙攵讼嗔�。
文档编号G01B11/26GK102075243SQ20101060992
公开日2011年5月25日 申请日期2010年12月28日 优先权日2010年12月28日
发明者于思源, 付森, 谭立英, 韩琦琦, 马晶 申请人:哈尔滨工业大学
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
