一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法

摘要

本发明提出了一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，属于空间激光通信领域。本发明通过轻小型二维转台和精跟踪振镜复合扫描覆盖不确定区域，降低了不必要的重叠区域设计，可以减少捕获时间。其中，精跟踪振镜在子区域内执行正逆两种模式的光栅扫描，结合轻小型二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描。轻小型二维转台由内向外执行每一步光栅螺旋扫描中，均需要复合一次精跟踪振镜在每个子区域内的光栅扫描，直至完成不确定区域的覆盖，捕获到目标信号光束。该方法能够充分实现精跟踪振镜的高速性，提高了捕获效率。本发明是空间激光通信领域的创新技术，对轻量化、小型化的激光通信终端研发具有重要意义。

说明书

技术领域

本发明涉及一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，属于空间激光通信技术领域。

背景技术

空间激光通信系统是以激光作为信息载体建立高速数据通信链路的通信终端，相较于射频通信具有通信容量大、传输速率高、保密性好和抗干扰能力强等特点，并逐渐向深空通信及组网通信领域发展，是实现未来天地一体化信息网络的关键技术之一。传统的激光通信系统一般采用大发散角信号光束进行捕获跟踪，大发散角信号光捕获难度低，缺点是为了输出信标光所导致的激光光源的输出功率、终端质量、体积和复杂度等都显著增加。随着卫星发射搭载轻小型通信载荷以及空间组网等应用需求的不断发展，激光通信终端将更加趋向于高集成度、小型化以及轻量化的发展方向。轻小型激光通信终端是在保证系统性能的基础上去除信标光以实现探测终端的简化，其捕获过程是采用小发散角信号光束扫描覆盖不确定区域的新型无信标捕获机制，主要采用信号光束扫描以及视轴校正的捕获模式以实现链路的建立。本发明的主要目的是解决轻小型通信终端由小发散角信号光束实现无信标捕获时的扫描模式设计问题，确保无信标复合扫描子区域与不确定区域过程覆盖的准确性，提高复合扫描覆盖效率与捕获概率。

发明内容

本发明提出了一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，通过精跟踪振镜在子区域内执行正过程与逆过程两种模式的光栅扫描，同时，结合轻小型二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描的方案，解决了目前轻小型激光通信终端系统无信标捕获过程中由于信号光发散角小而不能直接采用传统信标捕获扫描方法的问题。

一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，所述轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法包括以下步骤：

S100、轻小型二维转台初始指向不确定区域；

S200、利用轻小型二维转台在不确定区域内由内向外执行光栅螺旋扫描，同时，利用精跟踪振镜在子区域内执行光栅扫描，直至完成整个扫描覆盖不确定区域的复合无信标扫描周期；

S300、判断成像传感器是否探测到目标信号光束，若捕获成功，则根据所述目标信号光束的位置偏差量对视轴指向进行校正，并执行S400；若捕获失败，则返回S100；

S400、轻小型激光通信终端采用无信标复合扫描方法，利用S300中捕获到的目标信号光束，切换到目标信号光的跟踪模式，依据光斑偏离探测视场中心的偏差量生成控制量驱动终端伺服系统进行跟踪。

进一步的，在S200中，子区域的大小由精跟踪振镜的扫描范围确定。

进一步的，在S200中，精跟踪振镜在子区域内执行光栅扫描时包含两种光栅扫描方式，一种是精跟踪振镜控制信号光束从子区域左下角位置开始扫描，右下角位置结束扫描，定义为正过程；另一种是精跟踪振镜控制信号光束从子区域右下角位置开始扫描，左下角位置结束扫描，定义为反过程，完成一次正过程与反过程均视为完成一次光栅扫描。

进一步的，在S200中，轻小型二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描的方法为：从初始指向位置由内向外执行光栅螺旋跳步，以实现从高概率区域向低概率区域的扫描过程，轻小型二维转台的光栅螺旋跳步步距由子区域扫描范围确定。

进一步的，在S200中，精跟踪振镜控制信号光束执行光栅扫描的过程中，每列光栅扫描之间设定信号光扫描子区域的重叠因子。

进一步的，在S200中，轻小型二维转台从初始指向位置执行一步光栅螺旋扫描，并在两步光栅螺旋扫描之间设定子区域间的重叠系数。

进一步的，轻小型二维转台每执行结束一步光栅螺旋扫描，精跟踪振镜控制信号光束就完成一次光栅扫描，每相邻的两次光栅扫描的检测方向相反，即正过程和反过程依次切换。

一种存储介质，该存储介质上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法。

一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现上述的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法。

本发明的有益效果：本发明主要结合轻小型激光通信系统的二维转台与精跟踪振镜两种执行机构之间扫描速度与扫描范围等结构特点，采用无信标复合扫描方法将子区域内两种光栅扫描模式的设计与不确定区域内光栅螺旋扫描方式通过复合控制实现。有效解决了小发散角信号光束扫描覆盖不确定区域的优化设计问题，确保无信标复合扫描子区域与不确定区域过程覆盖的准确性，保证复合扫描覆盖效率以及提高捕获概率。

本发明提出了一种全新的适用于轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，该方法在轻小型二维转台与精跟踪振镜两种执行机构复合条件下，能够始终保证信号光束在子区域以及不确定区域内的扫描覆盖效率以及捕获时间最优，降低了小发散角信号光束捕获过程的复杂程度，提升了轻小型激光通信终端的扫描速度与捕获概率。

附图说明

图1为本发明的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法中，精跟踪振镜在子区域光栅扫描示意图；

图2为本发明的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法中，轻小型二维转台与精跟踪振镜的无信标复合扫描示意图；

图3为本发明的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法的方法流程图。

其中，1为子区域，2为光栅扫描，3为信号光束，4为子区域左下角位置，5为子区域右下角位置，6为不确定区域，7为光栅螺旋扫描，8为初始指向位置，9为光栅螺旋跳步步距，10为一步光栅螺旋位置。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，所述轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法包括以下步骤：

S100、轻小型二维转台初始指向不确定区域；

S200、利用轻小型二维转台在不确定区域内由内向外执行光栅螺旋扫描，同时，利用精跟踪振镜在子区域内执行光栅扫描，直至完成整个扫描覆盖不确定区域的复合无信标扫描周期；

S300、判断成像传感器是否探测到目标信号光束，若捕获成功，则根据所述目标信号光束的位置偏差量对视轴指向进行校正，并执行S400；若捕获失败，则返回S100；

S400、轻小型激光通信终端采用无信标复合扫描方法，利用S300中捕获到的目标信号光束，切换到目标信号光的跟踪模式，依据光斑偏离探测视场中心的偏差量生成控制量驱动终端伺服系统进行跟踪。

本发明相对于现有技术，

精度更高：通过多次扫描和叠加处理的方式，可以提高信号源的定位精度和可靠性，实现更为精确的信号跟踪和位置校正。

快速性更高：光栅螺旋扫描和光栅扫描相结合的方式，能够在不影响测量精度的前提下加快扫描速度，提高系统工作效率，实现更快的信号源探测和定位。

自适应性更强：该方法具有动态自适应性，适应不同的工作环境和复杂电磁场干扰，提高光学探测系统的稳定性和可靠性。

抗干扰性更强：通过多次扫描叠加处理，以及利用精跟踪振镜和轻小型二维转台相结合的方式，该方法具有抗干扰性强的特点，能够有效地抵抗外部干扰和噪声等影响，提高了系统的稳定性和可靠性。

进一步的，在S200中，子区域的大小由精跟踪振镜的扫描范围确定。

具体的，S200是执行光栅扫描的步骤，其中子区域的大小由精跟踪振镜的扫描范围确定。具体来说，精跟踪振镜通过精确控制振镜的移动位置和速度，使信号光束形成不同的扫描范围和扫描速度，从而确定子区域的大小和位置。进而，精跟踪振镜可以根据不同的工作环境和应用需求动态调整扫描范围和速度，以适应不同的信号源位置和运动状态。同时，子区域的大小也可以根据实际情况进行调整，以最大程度地提高信号源定位和跟踪的精度和可靠性。

因此，这种技术特征能够带来更加灵活和高效的信号源定位和跟踪方法，可以应用于不同的工作场景和应用领域，提高系统的实用性和适用性，同时也可以为相关领域的科学研究和工程实践提供有益的技术支持。

进一步的，在S200中，子区域内包含两种光栅扫描方式，一种是精跟踪振镜控制信号光束从子区域左下角位置开始扫描，右下角位置结束扫描，定义为正过程；另一种是精跟踪振镜控制信号光束从子区域右下角位置开始扫描，左下角位置结束扫描，定义为反过程，完成一次正过程与反过程均视为完成一次光栅扫描。

具体的，子区域内包含两种光栅扫描方式，都是由精跟踪振镜控制信号光束进行扫描。其中，一种方式是从子区域的左下角位置开始扫描，从左到右，直到到达右下角位置结束扫描，这种扫描方式被定义为正过程；另一种方式是从子区域的右下角位置开始扫描，从右到左，直到到达左下角位置结束扫描，这被定义为反过程。

通过正反两种不同的扫描方式，可以最大程度地覆盖子区域内的所有可能信号源位置，并提高信号源检测和定位的准确性和可靠性。同时，在进行双向扫描时，还可以根据具体情况选择正过程或反过程进行扫描，以满足不同场景下的需求，实现更加灵活和高效的定位和跟踪方式。

进一步的，在S200中，轻小型二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描的方法为：从初始指向位置由内向外执行光栅螺旋跳步，以实现从高概率区域向低概率区域的扫描过程，轻小型二维转台的光栅螺旋跳步步距由子区域扫描范围确定。

具体的，S200是执行光栅螺旋扫描的步骤，其中，利用轻小型二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描的方法为：从初始指向位置由内向外执行光栅螺旋跳步，以实现从高概率区域向低概率区域的扫描过程，轻小型二维转台的光栅螺旋跳步步距由子区域扫描范围确定。

本发明充分利用了光栅螺旋扫描的特点，通过从内到外执行光栅螺旋跳步的方式，可以从高概率区域开始扫描，逐渐向低概率区域扩散，将可疑区域的搜索和扫描范围逐渐缩小，提高信号源定位和跟踪的精确度和效率。同时，轻小型二维转台的光栅螺旋跳步步距可以根据实际情况进行调整，以最大程度地提高信号源定位和跟踪的准确性和可靠性。

进一步的，在S200中，精跟踪振镜控制信号光束执行光栅扫描的过程中，每列光栅扫描之间设定信号光扫描子区域的重叠因子。

具体的，每列光栅扫描之间设定信号光扫描子区域的重叠因子，可以带来几个有益的效果：

提高扫描的覆盖密度：由于重叠因子的存在，不同光栅扫描之间会出现部分重叠的区域，这可以增加扫描的覆盖密度，降低漏检率，提高探测概率和跟踪精度。

减少扫描周期：重叠因子的设置可以直接影响光栅扫描的速度和周期。重叠因子越小，光束在扫描过程中需要覆盖的区域就越小，扫描周期就相应的减小。

提高捕获概率：重叠因子的存在，相当于在不同的扫描周期中对同一区域进行了多次采样。通过计算这些采样点之间的差异，可以减小因光斑偏移和传输误差引起的偏差，提高捕获效率或捕获概率。

进一步的，在S200中，轻小型二维转台从初始指向位置执行一步光栅螺旋扫描，并在两步光栅螺旋扫描之间设定子区域间的重叠系数。

具体的，通过一步光栅螺旋扫描，可以快速确定被观测目标的初始位置，并且在两步光栅螺旋扫描之间设定重叠系数可以减小扫描之间的间隙，提高扫描精度。使用螺旋扫描可以扩大可观测区域，并且重叠系数可以减小不同位置之间扫描区域的间隙，从而增加扫描范围。由于等角速度的变化较小，可以减少运动的惯性和摩擦力，从而降低激光器的功率消耗。由于采用了轻小型二维转台，激光束的转动速度会更快，并且重叠系数的设置可以使光束在扫描两个区域之间的切换更加平滑，提高了系统的响应速度。轻小型的二维转台相对于大型转台成本较低，同时光栅螺旋扫描与子区域的重叠系数能够减少一定的硬件成本。

进一步的，轻小型二维转台每执行结束一步光栅螺旋扫描，精跟踪振镜控制信号光束就完成一次光栅扫描，每相邻的两次光栅扫描的检测方向相反，即正过程和反过程依次切换。

具体的，由于每相邻两次光栅扫描的检测方向相反，加上光栅扫描与子区域的重叠系数，能够显著增加采样数量，从而提高了目标信号光束的检测概率和跟踪精度。正过程和反过程之间的相互切换，能够使得相邻两次光栅扫描产生的信号在时间上避免混叠，从而降低信号混叠的概率，提高跟踪的准确性。经过正反向扫描之后，不仅可以提高信号采样的数量，还能够在采样周期内尽可能地避免干扰和噪声的影响，进而减少系统的噪声。采用正反相间的扫描方式，不仅能够减少信号混叠和噪声影响，还能够避免潜在的动态偏差和不稳定性带来的影响，从而提高系统的可靠性和鲁棒性。正相向和反向向扫描之间的切换对硬件的要求不高，能够减少系统功率消耗，降低系统的维护成本。

一种存储介质，该存储介质上储存有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法。

具体的，在实现轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法时，可以使用一种存储介质，该存储介质上储存有计算机程序，被处理器执行时实现所述复合扫描方法。其中，计算机程序包括所需的算法和流程，可以通过处理器进行解析和执行，实现数据的处理、传输、控制等功能。

本发明可以将复合扫描方法的实现过程固化在存储介质中，通过处理器进行执行，避免了人工操作的繁琐性和风险性，减少了实现该方法的人工成本和误差。同时，该存储介质具有可携带性和可重复使用性，在实现无信标复合扫描方法的不同场合和应用过程中都可以使用。

一种计算机设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序，以实现上述的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法。

具体的，在实现轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法时，可以使用一种计算机设备，该设备包括存储器、处理器和存储在存储器中的计算机程序。该处理器执行程序，以实现复合扫描方法。

计算机设备可以为处理器提供所需的计算资源、存储资源和程序支持，实现数据的处理和传输，控制、管理复合扫描方法的实现和运行。通过在计算机设备上运行计算机程序，可以自动化实现复合扫描方法，减少用户的人工干预，节约时间和成本，提高实现方法的稳定性和准确度。

因此，这种技术特征可以为实现复合扫描方法提供便捷、高效的实现方式，减少用户的人工干预，提高方法的准确度和稳定性，促进相关领域的科学研究和应用实践。

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。

如图1、2所示，本发明所述一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法建立在如下组成结构，包括子区域1、光栅扫描2、信号光束3、子区域左下角位置4、子区域右下角位置5、不确定区域6、光栅螺旋扫描7、初始指向位置8、光栅螺旋跳步步距9、一步光栅螺旋位置10；

本实施方式提出了一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，用于解决去掉传统信标光的轻小型激光通信系统利用小发散角信号光在子区域扫描以实现发散角的增加，是一种新型的捕获机制，通过利用轻小型二维转台和精跟踪振镜两种执行机构的带宽特点以及扫描速率特性的优势，协同完成的无信标复合扫描方法。本实施方式是采用精跟踪振镜在子区域1内完成光栅扫描2，结合图1所示，而轻小型二维转台在不确定区域6内完成光栅螺旋扫描7，光栅螺旋扫描的每一步执行过程都复合着子区域的扫描过程，即轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，如图2所示。轻小型二维转台从指向不确定区域内初始位置起，由内向外执行的每一步光栅螺旋扫描中，均需要复合一次精跟踪振镜控制信号光束3在每个子区域内的光栅扫描，结合如图3所示无信标复合扫描方法流程图。

在本实施方式中，针对去除大功率信标光的轻小型激光通信系统，在采用小发散角信号光束实现捕获的过程中，需要利用本发明中提出的无信标复合扫描方法，跟踪伺服系统通过判断成像传感器是否探测到目标信号光束3，控制系统驱动激光通信终端执行机构对光轴进行修正，完成目标光束的扫描与捕获过程，在此基础上最终实现稳定可靠的自动跟踪。

下面将结合图1、图2和图3来说明本实施方式，本实施方式所述的一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，包括以下步骤：

步骤一：利用精跟踪振镜在子区域1内执行光栅扫描2，子区域1的大小由精跟踪振镜的扫描范围确定，子区域1内包含两种光栅扫描方式，一种是精跟踪振镜控制信号光束3从子区域左下角位置4开始扫描，子区域右下角位置5结束扫描；另一种是精跟踪振镜控制信号光束从子区域右下角位置5开始扫描，子区域左下角位置4结束扫描；

步骤二：轻小型二维转台在不确定区域6内执行光栅螺旋扫描7，从初始指向位置8由内向外执行光栅螺旋跳步，实现了从高概率区域向低概率区域的扫描过程，轻小型二维转台的光栅螺旋跳步步距9由子区域扫描范围确定；

步骤三：轻小型二维转台初始指向不确定区域，精跟踪振镜控制信号光束3执行光栅扫描，从当前子区域左下角开始扫描，每列光栅扫描间设定信号光扫描子区域的重叠因子，防止子区域内出现漏扫，并在当前子区域右下角结束扫描；

步骤四：轻小型二维转台从初始指向位置执行一步光栅螺旋扫描，由初始指向位置8到一步光栅螺旋位置10，并在两步光栅螺旋扫描之间设定子区域间的重叠系数，跳步完成后，精跟踪振镜控制信号光束3执行光栅扫描，从当前子区域右下角开始扫描，每列光栅扫描间设定信号光扫描子区域的重叠因子，防止子区域内出现漏扫，并从当前子区域左下角结束扫描；

步骤五：根据步骤三、四，继续执行轻小型二维转台与精跟踪振镜的复合扫描过程，轻小型二维转台每执行一步光栅螺旋扫描7后，精跟踪振镜执行光栅扫描2的模式也完成一次切换，即精跟踪振镜在子区域内从左下角开始执行光栅扫描的正过程，以及精跟踪振镜在子区域内从右下角开始执行光栅扫描的逆过程，直至完成整个扫描覆盖不确定区域的复合无信标扫描周期；

步骤六：判断成像传感器是否探测到目标信号光束3，若捕获成功，则根据目标信号光束的位置偏差量对视轴指向进行校正；若捕获不成功，返回执行步骤三；

步骤七：轻小型激光通信终端采用无信标复合扫描方法，利用步骤六中捕获到的目标信号光束3，切换到目标信号光的跟踪模式，依据光斑偏离探测视场中心的偏差量生成控制量驱动终端伺服系统进行跟踪。

本发明提出了一种轻小型激光通信终端的无信标复合扫描方法，针对轻小型激光通信系统中由于信号光发散角小引起的捕获过程难度增大的问题，利用二维转台执行范围大、带宽小，而精跟踪振镜执行范围小、速度快的特点，通过精跟踪振镜在子区域内执行正过程与逆过程两种模式的光栅扫描，同时，结合二维转台在不确定区域内执行光栅螺旋扫描，显著提高了激光通信系统各执行机构的工作效率。该方法的采用降低了由于结构因素引起的捕获过程的复杂程度，同时能够进一步提高捕获概率。