基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统及信号光入射角度探测方法

摘要

基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统及信号光入射角度探测方法，涉及一种视域变调高精度入射光角度探测系统及探测方法。它解决了现有探测系统在瞄准、捕获、跟踪过程中视域固定、精度固定的问题，既满足了系统在瞄准、捕获过程中大视域的要求，也满足了系统在跟踪过程中高探测精度的要求。其系统：望远物镜将信号光聚焦至变焦目镜，并经变焦目镜透射至精瞄镜，透射光经精瞄镜反射至成像透镜组，反射光经成像透镜组聚焦至CCD探测器的探测面。其方法：跟瞄控制系统调整变焦目镜的焦距为f

说明书

技术领域

本发明涉及一种变视域高精度入射角度探测系统及探测方法。

背景技术

在空间光通信系统工作时，瞄准与捕获过程要求终端入射光角度探测系统具有大视域的特点，而对入射光角度探测精度要求较低；跟踪过程要求该系统对入射光角度探测精度高，而视域要求较小。目前的空间光通信终端入射光角度探测系统视域固定，角度探测精度固定，不能同时满足以上两点要求，只能进行一定程度的折中。

发明内容

本发明是为了解决现有的空间光通信终端入射光角度探测系统视域固定和角度探测精度固定导致无法兼顾瞄准、捕获过程中大视域探测及跟踪过程中高精度探测的问题，从而提供一种基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统及信号光入射角度探测方法。

基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统，它包括望远物镜、变焦目镜、精瞄镜、成像透镜组、CCD探测器和跟瞄控制系统；

CCD探测器的探测信号输出端与跟瞄控制系统的探测信号输入端连接，跟瞄控制系统的变焦控制信号输出端与变焦目镜的变焦控制信号输入端连接，跟瞄控制系统的精瞄控制信号输出端与精瞄镜的精瞄控制信号输入端连接；

望远物镜将入射的信号光聚焦至变焦目镜，并经变焦目镜透射至精瞄镜，透射光经精瞄镜反射至成像透镜组，反射光经成像透镜组聚焦至CCD探测器的探测面。

基于上述系统的信号光入射角度探测方法，

跟瞄控制系统调整变焦目镜的焦距为f_c，使探测系统的视域最大，实现对信号光的瞄准和捕获；

在瞄准和捕获之后，精瞄控制系统控制精瞄镜偏转，使入射光在CCD探测器的中心成像，系统进入跟踪过程：跟瞄控制系统控制变焦目镜的焦距为f_c/β，并使变焦目镜的焦点与望远物镜的焦点重合，实现对入射光的跟踪，进而获得信号光的入射角度；

所述β为大于1的实数。

信号光的入射角度包括信号光在方位方向的入射角度和对信号光在俯仰方向的入射角度：信号光在方位方向的入射角度α为：

$\alpha =\frac{(X1-X0)}{F}$

信号光在俯仰方向的入射角度β为：

$\beta =\frac{(Y1-Y0)}{F}$

式中：(X0，Y0)是当信号光入射角为0°时CCD探测器上的位置坐标；(X1，Y1)是当前信号光在CCD探测器上的位置坐标；F为系统总焦距。

CCD探测器在瞄准和捕获过程下的探测视域θ₁为：

${\theta }_1=m·d\frac{f_c}{f_w·f_l}$

式中：m是方形CCD探测器像元行数，d是方形像元的边长，f_w是望远物镜的焦距，f_l是成像透镜组的焦距。

CCD探测器5在瞄准和捕获过程下入射平行光束的入射角的探测精度Δθ₁为：

$\Delta {\theta }_1=d\frac{f_c}{f_w·f_l}.$

CCD探测器5在跟踪过程下的探测视域θ₂为：

${\theta }_2=m·d\frac{f_c}{f_w·f_l·\beta }.$

CCD探测器5在跟踪过程下的入射平行光束的入射角的探测精度Δθ₂为：

$\Delta {\theta }_2=d\frac{f_c}{f_w·f_l·\beta }.$

有益效果：本发明基于望远镜变焦目镜实现在瞄准和捕获过程中对入射光进行大视域探测，以及在跟踪过程中对入射光进行高精度探测，能够兼顾了瞄准和捕获、跟踪过程，相比与现有系统和方法，本发明的在瞄准和捕获过程中系统探测视域能够增大10倍以上，跟踪过程中探测精度能够提高10倍以上。并且本发明克服了传统方法中对目镜组需要定焦才能进行探测的技术偏见，实现了对信号光束的入射角的变焦探测。

附图说明

图1是本发明在瞄准和捕获过程下的光程示意图；图2是本发明在跟踪过程下的光程示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统，它包括望远物镜1、变焦目镜2、精瞄镜3、成像透镜组4、CCD探测器5和跟瞄控制系统6，

CCD探测器5的探测信号输出端与跟瞄控制系统6的探测信号输入端连接，跟瞄控制系统6的变焦控制信号输出端与变焦目镜2的变焦控制信号输入端连接，跟瞄控制系统6的精瞄控制信号输出端与精瞄镜3的精瞄控制信号输入端连接；

望远物镜1将入射的信号光聚焦至变焦目镜2，并经变焦目镜2透射至精瞄镜3，透射光经精瞄镜3反射至成像透镜组4，反射光经成像透镜组4聚焦至CCD探测器5的探测面。

具体实施方式二、基于具体实施方式一所述的基于变焦目镜的变视域高精度信号光入射角度探测系统的信号光入射角度探测方法，跟瞄控制系统6调整变焦目镜2的焦距为f_c，使探测系统的视域最大，实现对信号光的瞄准和捕获；

在瞄准和捕获之后，精瞄控制系统6控制精瞄镜3偏转，使入射光在CCD探测器5的中心成像，系统进入跟踪过程：跟瞄控制系统6控制变焦目镜2的焦距为f_c/β，并使变焦目镜2的焦点与望远物镜1的焦点重合，实现对入射光的跟踪，进而获得信号光的入射角度；

所述β为大于1的实数。

信号光的入射角度包括信号光在方位方向的入射角度和对信号光在俯仰方向的入射角度：信号光在方位方向的入射角度α为：

$\alpha =\frac{(X1-X0)}{F}$

信号光在俯仰方向的入射角度β为：

$\beta =\frac{(Y1-Y0)}{F}$

式中：(X0，Y0)是当信号光入射角为0°时CCD探测器(5)上的位置坐标；(X1，Y1)是当前信号光在CCD探测器(5)上的位置坐标；F为系统总焦距。所述位置坐标(X0，Y0)与(X1，Y1)是在变焦目镜2的焦距相等的情况下获得的。

CCD探测器5在瞄准和捕获过程下的探测视域θ₁为：

${\theta }_1=m·d\frac{f_c}{f_w·f_l}$

式中：m是方形CCD探测器像元行数，d是方形像元的边长，f_w是望远物镜1的焦距，f_l是成像透镜组4的焦距。

CCD探测器5在瞄准和捕获过程下入射平行光束的入射角的探测精度Δθ₁为：

$\Delta {\theta }_1=d\frac{f_c}{f_w·f_l}.$

CCD探测器5在跟踪过程下的探测视域θ₂为：

${\theta }_2=m·d\frac{f_c}{f_w·f_l·\beta }.$

CCD探测器5在跟踪过程下的入射平行光束的入射角的探测精度Δθ₂为：

$\Delta {\theta }_2=d\frac{f_c}{f_w·f_l·\beta }.$

本实施方式中，精瞄镜3前端为反射镜，跟瞄控制系统6通过控制精瞄镜3偏转，实现改变成像透镜组4的入射光束的角度。CCD探测器5的像元数为m×m，像元形状为边长是d的方形。

通过公式(1)、(2)可知，相比跟踪过程，瞄准与捕获过程该系统的探测视域大β倍。通过公式(3)和(4)可知，相比瞄准与捕获过程，跟踪过程的角精度高β倍。由此实现了兼顾了瞄准和捕获以及跟踪过程，在瞄准和捕获过程中对入射光进行大视域探测，在跟踪过程中对入射光进行高精度探测。