一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器

摘要

一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器，包括成像透镜、中心开孔的全反射镜、动态范围匹配透镜、精度匹配透镜、动态范围四象限探测器和精度四象限探测器，其特征在于：通过中心开孔的全反射镜将大动态范围波面倾斜探测单元和高精度波面倾斜探测单元结合在一起，倾斜跟踪探测器处理机利用嵌套四象限光斑质心算法直接复原出目标波前的倾斜角度或倾斜方向。本发明只需要一路光输入就能实现大动态范围和高精度地探测目标波前，与传统的采用两套倾斜跟踪探测器的方案相比，提高了信噪比、简化了系统结构，并且波前倾斜复原算法简单，工艺上容易实现，为高精度、高帧频地探测弱目标波前倾斜提供了条件。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于四象限探测器的光学精密倾斜跟踪探测器，特别是一种可以应用在星-地光通信中具有大动态范围、高探测精度和高帧频特点的一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器。

背景技术

星-地光通信是指利用激光束为载体，建立卫星与地面间的光通信链路。与目前普遍采用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系统尺寸和重量小、保密性强、电磁干扰少和频带宽等优点。因此，许多国家都投入了巨大的财力、人力和物力进行星-地光通信的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系统成功地完成星-地间激光通信试验，证明了星-地间激光通信的可行性。美国的喷气动力实验室JPL(Jet Propulsion Lab)研制的星-地光通信演示机OCD(Optical Communications Demonstrator)数据传输率可达250Mbps，美国弹道导弹防御组织于空间和导弹防御司令部共同资助的STRV2星-地激光通信计划预计在低轨道卫星与固定地面站之间建立距离为2000km，数据传输率为1Gbps的光通信链路。欧洲的欧空局ESA研制的GEO卫星AREMIS于2000年发射，其中的一条光链路可以实现卫星与位于Canary岛的地面站间之间的通信。

ATP(Acquisition，Tracking，Pointing)技术是星-地光通信中需要突破的核心技术之一，ATP系统由倾斜跟踪器、控制单元和驱动单元组成。系统在工作时，倾斜跟踪探测器能够实时地为控制单元提供目标波前的倾斜量，控制单元根据目标波前的倾斜量计算出需要加载到驱动单元上的电压量，驱动单元在电压的作用下旋转一定的角度和方向，从而使系统的入瞳能够实时地对准移动中的被测目标(参见“光学瞄准及自动跟踪系统设计”，夏江涛，电光与控制，第16卷5期，第74页-77页，2009年5月)。

在星-地光通信的ATP系统中，由于光传输需要经过大气这一随机信道，受大气湍流低阶相差和卫星运动的影响，到达系统的光斑会大范围地随机抖动(参见“背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响”，李晓峰，胡渝，无线光通信，第22页-24页，2004年10期)，同时，在星-地光通信中，受到航天器载重的影响，卫星上激光信号的发射功率有限，经长距离的大气传输后，大气会散射和吸收掉大部分光能量(参见“空-地光通信系统的方案设计和关键技术分解及信道仿真”，刘淑华，电子科技大学硕士学位论文，2002年)，为了保证星-地光通信链路的畅通，ATP系统中目标波前倾斜量的提供单元-倾斜跟踪探测器必须具有大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等特点。

倾斜跟踪探测器一般由成像透镜、光电转换器件和波前倾斜处理机组成。来自目标的光信号经成像透镜汇集后投射在光电转换器件的光敏面上形成目标光斑，当目标波前倾斜量改变时，目标光斑在光电转换器件的光敏面上移动，光敏面上光能量分布改变，这时，波前倾斜处理机可以根据光电转换器件输出的光电信号来计算出目标光斑的质心位置，从而解算出目标波前的倾斜量。光电转换器件目前多采用CCD相机、CMOS相机或四象限探测器，其中CCD相机的低读出帧频的缺点限制了其在高帧频探测中的应用；CMOS相机的大噪声和低光敏感度等缺点限制了其在弱光探测中的应用；而四象限探测器光敏面仅有四个象限，受死区的影响，无法同时实现大动态范围和高精度的探测(参见“光子计数式光电倍增管四象限型和弱光像增强CCD跟踪系统的性能比较”，饶长辉，张学军，姜文汉，汤国茂，光学学报，第22卷1期，第67页-73页，2002年1期)。

为了保证星-地光通信中ATP系统的倾斜跟踪探测器系统的大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等要求，目前多采用建立两套独立的基于四象限探测器的倾斜跟踪探测器的方案：一套倾斜跟踪探测器用于保证倾斜跟踪探测的动态范围，适用于粗跟踪；另一套倾斜跟踪探测器用于保证倾斜跟踪探测的精度，适用于粗跟踪定位后的精细跟踪。然而，两套独立的倾斜跟踪探测器需要输入两路光信号，降低了单套倾斜跟踪探测器的信噪比；并且当将两套独立的倾斜跟踪探测器用于ATP系统时，控制单元的波前倾斜信号需要在两套倾斜跟踪探测器中切换，增加了ATP系统控制单元的复杂度(参见“空间光通信链路光束捕获、对准、跟踪技术及数字化仿真”，刘淑华，电子科技大学硕士学位论文，2002年)。

为了提高星-地光通信中ATP系统的灵敏度、降低ATP系统控制单元的复杂度，如何将两套独立的基于四象限探测器的倾斜跟踪探测器整合到一起，仅输入单路光信号，就能实现大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频地检测目标波前的倾斜量，为星-地光通信中ATP系统的倾斜跟踪探测器提供核心解决方案，就成了一个很重要的研究课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种具有大动态范围、高探测精度的光学精密跟踪探测器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于双四象限探测器的光学精密跟踪探测器，其特征在于：包括成像透镜、中心开孔的全反射镜、动态范围匹配透镜、精度匹配透镜、动态范围四象限探测器和精度四象限探测器，成像透镜、动态范围匹配透镜和动态范围四象限探测器构成了动态范围波面倾斜探测单元成像透镜、精度匹配透镜和精度四象限探测器构成了精度波面倾斜探测单元，动态范围波面倾斜探测单元和高精度波面倾斜探测单元通过中心开孔的全反射镜结合在一起，当目标波前的倾斜角大于精度四象限探测器的动态范围时，目标波前通过成像透镜形成的光斑会被中心开孔的全反射镜反射后经动态范围匹配透镜耦合进入动态范围四象限探测器中探测波面倾斜的方向，当目标波前的倾斜角小于精度四象限探测器的动态范围时，目标波前通过成像透镜形成的光斑通过中心开孔的全反射镜的中心小孔后经精度匹配透镜耦合进入精度四象限探测器中探测波面倾斜的精确角度，倾斜跟踪探测器处理机利用嵌套四象限光斑质心算法将动态范围四象限探测器和精度四象限探测器的输出信号复原为目标波前的倾斜方向或倾斜角度。

所述的中心开孔的全反射镜的中心与成像透镜的焦点重合；反射面与成像透镜的焦面成45°夹角。

所述的嵌套四象限光斑质心(x_c，y_c)算法的计算公式为：其中I₁，I₂，I₃，I₄和i₁，i₂，i₃，i₄分别是动态范围四象限探测器和精度四象限探测器各个象限的输出信号，目标波前在x方向的倾斜角度或倾斜方向α_x和y方向上的倾斜角度或倾斜方向α_y的计算公式分别为：其中f是成像透镜的焦距，当x_c∈(-1，+1)时，α_x表示目标波前在x轴方向上的倾斜角度，当x_c＝±1时，α_x的正负对应于目标波前在x轴上的倾斜方向的正负；同理，当y_c∈(-1，+1)时，α_y的表示目标波前在y轴方向上的倾斜角度，当y_c＝±1时，α_y的正负对应于目标波前在y轴方向上的倾斜方向的正负。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)传统的倾斜跟踪探测器受光电转换器件的限制，无法满足星-地光通信中波前倾斜探测器必须具有大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等特点，如果采用两套独立的倾斜跟踪探测器，需要输入两路光信号，降低了每套倾斜跟踪探测器的信噪比，并且增加了倾斜跟踪探测计算的复杂度，本发明利用一中心开孔的全反射镜将大动态范围的倾斜跟踪探测单元和高精度倾斜跟踪探测单元结合在一起，仅输入单路光信号，就能实现当目标波前的倾斜较大时，大动态范围地探测目标波前的倾斜方向；当目标波前的倾斜较小时，高精度地探测目标波前的倾斜角度，同时四象限探测器保证了倾斜跟踪探测器的高灵敏度和高精度的特点。

(2)本发明利用嵌套的四象限探测器模拟装置中两个四象限探测器的输出结果，嵌套的四象限探测器的每个象限的输出为两个四象限探测器相对应象限的输出之和，与建立两套倾斜跟踪探测器的波前倾斜算法相比，本发明的波前倾斜算法简单，所以当该倾斜跟踪探测器用于ATP系统时，可以降低系统的复杂度，有利于进一步提高ATP系统跟踪的频率和精度。

附图说明

图1为本发明示意图；

图2为本发明中利用嵌套四象限探测器模拟两个四象限探测器输出示意图；

图3为焦面处光斑位置示意图；

图4为本发明实施例中倾斜跟踪探测器的探测误差曲线图(四象限探测器的量子效率是15％)。

图中：1：成像透镜，2：动态范围四象限探测器，3：动态范围匹配透镜，4：中心开孔的全反射镜，5：精度匹配透镜，6：精度四象限探测器，7：目标波前倾斜角小于精度四象限探测器的动态范围时经成像透镜后形成的光斑，8：成像透镜的焦平面，9：目标波前倾斜角大于精度四象限探测器的动态范围时经成像透镜后形成的光斑，10：反射光束形成的光斑，11：目标波前，12：倾斜跟踪探测器处理机，13：精度四象限探测器光敏面上的光斑，14：动态范围四象限探测器光敏面上的光斑。

具体实施方式

本发明包括成像透镜1、动态范围四象限探测器2、动态范围匹配透镜3、中心开孔的全反射镜4、精度匹配透镜5、精度四象限探测器6。其中，动态范围四象限探测器2和精度四象限探测器6可以采用靶面与死区宽度较大的基于APD的四象限探测器，以提高对弱光的响应能力；而中心开孔的全反射镜4的制作方法是先利用超声波打孔技术在玻璃基板上打好符合要求的小孔，再对玻璃基板镀反射膜。成像透镜1、动态范围四象限探测器2、动态范围匹配透镜3组成动态范围波面倾斜探测单元；成像透镜1、精度匹配透镜5、精度四象限探测器6组成精度波面倾斜探测单元。

当目标波前11在透过成像透镜1后，其成像光斑会偏离焦点。本发明正是利用当目标波前11倾斜角大于精度四象限探测器6的动态范围时经成像透镜1后形成的光斑9会比当目标波前倾斜角小于精度四象限探测器6的动态范围时经成像透镜后形成的光斑7更加远离焦点的特性，在成像透镜1的焦点处放置一中心开孔的全反射镜4，中心开孔的全反射镜4的中心与成像透镜1的焦点重合，中心开孔的全反射镜4的反射面与成像透镜的焦平面8成45°夹角。当目标波前11倾斜角大于精度四象限探测器6的动态范围时，汇聚到成像光斑9的光束就会被中心开孔的全反射镜4的反射面反射，形成实光斑或虚光斑10，光斑10由动态范围匹配透镜3耦合进入动态范围四象限探测器2中探测目标波前11倾斜的方向目标波前11倾斜角小于精度四象限探测器6的动态范围时，汇聚到成像光斑7的光束会通过中心开孔的全反射镜4的中心小孔，光斑7由精度匹配透镜5耦合进入精度四象限探测器6中精确地探测目标波前11的倾斜角度。

精度匹配透镜5的作用是将目标波前倾斜角小于精度四象限探测器的动态范围时经成像透镜后形成的光斑7放大，以减少精度四象限探测器6的死区对探测精度的影响，保证精度四象限探测器6对目标波前11的高精度探测。

动态范围匹配透镜3的作用是将中心开孔的全反射镜4的反射光束耦合进入动态范围四象限探测器2的光敏面内，动态范围四象限探测器2可以稍微离开动态范围匹配透镜3的成像面，从而增大动态范围四象限探测器2光敏面上的光斑14的直径，减少动态范围四象限探测器2的死区对探测精度的影响。

由于该倾斜跟踪探测器的光路参数在x和y方向上完全相同，所以本实施例只讨论波前倾斜在x方向上的情况，y方向的情况于此类似。

由于是基于四象限探测器的倾斜跟踪探测，当把两个单独的四象限探测器看作嵌套四象限探测器时(如图2所示)，在x方向上光斑质心x_c的计算公式为：

$x_c=\frac{(I_1+i_1+I_4+i_4)-(I_2+i_2+I_3+i_3)}{I_1+i_1+I_4+i_4+I_2+i_2+I_3+i_3}---\left(1\right)$

I₁，I₂，I₃，I₄和i₁，i₂，i₃，i₄分别是动态范围四象限探测器2和精度四象限探测器各个象限6的输出信号(如图2所示)。

在x轴方向上目标波前11的倾斜角度或倾斜方向α_x的计算公式为：

${\alpha }_x\text{=arctan}\left(\frac{x_c}{f}\right)---\left(2\right)$

其中：f是成像透镜的焦距。

注意，当目标波前11倾斜角大于精度四象限探测器6的动态范围时，成像光斑会集中在x轴的正半轴或负半轴，则x_c＝1或x_c＝-1，所以此时α_x的值只能指出目标波前11的倾斜方向；当目标波前11倾斜角大于精度四象限探测器6的动态范围时，成像光斑会横跨x轴的正半轴和负半轴，此时可以得出带有探测误差的目标波前11的倾斜角α_x。

由于精度四象限探测器6的光敏面存在着死区，为了保证质心探测的精度，在精度四象限探测器光敏面上的光斑13的高斯宽度必须大于死区宽度，高斯宽度的计算公式为：

${\sigma }_{\mathrm{spot}}=\frac{k·\bar{\lambda }·f}{d}---\left(3\right)$

其中，k是一个正常数，当成像透镜1光瞳为圆孔时k＝0.431，当成像透镜1光瞳为方孔时k＝0.353；d是成像透镜1的通光口径；^λ是进入系统光波的平均波长。

动态范围四象限探测器2可以稍微离开动态范围匹配透镜3的成像面，从而加大动态范围四象限探测器光敏面上的光斑14的直径，减少死区对探测精度的影响。

当目标波前11倾斜角小于精度四象限探测器6的动态范围时；成像光斑相对于焦点的位移由精度四象限探测器6探测，此时的波前倾斜角探测误差E_θ的计算公式为：

$E_{\theta }=\frac{3\sqrt{2}\pi }{16}\frac{1}{{\mathrm{SNR}}_v}\frac{\bar{\lambda }}{d}---\left(4\right)$

其中，SNR_v表示系统的信噪比，当系统只存在光子噪声时，d是成像透镜1的通光口径；是进入系统光波的平均波长。

当目标波前11倾斜角大于精度四象限探测器6的动态范围时经成像透镜1后形成的光斑9相对于焦点的位移的方向由动态范围四象限探测器2探测，此时成像光斑完全处于x轴的正半轴或负半轴(如图3所示)，波前倾斜的探测误差为0。

当精度四象限探测器6和动态范围四象限探测器2的光敏面边长都是18mm、成像透镜1的通光口径是50mm、成像透镜1的焦距是3000mm、精度匹配透镜5的放大率是12倍、动态范围匹配透镜3的缩小率是22倍和精度四象限探测器6处光斑的高斯宽度为0.5mm时，该倾斜跟踪探测器的动态范围为[-4°，+4°]。图4是当目标波前11倾斜角小于精度四象限探测器6的动态范围时，该波面倾斜探测器的探测误差曲线，可以看出，当到达光子数为10000，精度四象限探测器6的量子效率为15％时，波面倾斜的探测误差约0.035角秒。

从本实施例可以看出，本发明倾斜跟踪探测器的确实能够在保证大动态范围地探测目标波前倾斜方向的条件下高精度地探测接近平面波的弱光波前的倾斜角度。

本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。