专利名称：一种双快速反射镜精跟踪装置及方法
技术领域：
本发明属于捕获跟踪瞄准领域，涉及ー种新的精跟踪装置及方法，具体的说是ー种双快速反射镜精跟踪装置及方法
背景技术：
在空间量子激光通信捕获跟踪瞄准系统中，常常需要精跟踪系统既具有较大的校正范围，又要有较高的跟踪精度，这就要求快速反射镜校正范围大、模态频率高，图像探測器的视场大、工作帧频高。而快速反射镜的模态与柔性支撑的刚度有夫，刚度越高，模态频率越高，能达到的闭环带宽也就越高，但刚度越大，同样的驱动能力对应的偏转范围就越小，因此快速反射镜偏转范围与闭环带宽存在矛盾；阵列式探测器视场与靶面大小有关，靶面越小，工作帧频越高，但靶面越小，精跟踪系统的视场越小，因此探测器的视场与工作帧频也存在矛盾。在以往的精跟踪装置中，控制器同时用精探測器的信号控制精快速反射镜 FSM和高精探測器的信号控制高精快速反射镜FSM实现对信标光的高精度跟踪，在这种エ作模式下，高精FSM的偏转不会影响精探測器的信号，高精FSM可独立校正由高精探测器测量到的精FSM的跟踪残差和抖动，两个反射镜之间无耦合，可实现系统的高精度稳定跟踪。这种精跟踪装置的缺点是通信光在光路上经过了两块分光镜才到达接收模块，其传输效率特别是通信光偏振保真度会受到一定影响。
发明内容
本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供ー种双快速反射镜精跟踪装置及方法，能够减小通信光传输损耗(效率和偏振保真度)，在保证通信光传输效率和偏振保真度的条件下实现了对信标光的大范围高精度的稳定跟踪；而且不需要增加额外的传感器和反射镜，易于在工程系统中实现。本发明解决技术问题所采用的技术方案是ー种双快速反射镜精跟踪装置包括精快速反射镜I、高精快速反射镜2、精探測器3、高精探測器4、通信光5、信标光6、通信光接收模块7、第一中继分光镜8、第二中继分光镜9和控制器10 ;其中精快速反射镜I、高精快速反射镜2布置在通信光接收模块7的前面；所述通信光接收模块7布置在高精快速反射镜2和高精探測器4之间，通信光5和信标光6由远距离的另一通信终端发出；在通信光传输不受大气湍流影响的实验室条件下，本地的通信終端和另一通信终 端保持相对静止状态时，将本地的通信終端和另一通信終端保持相对静止状态对准后，控制器10将精快速反射镜I和高精快速反射镜2保持在零位状态，从远距离另一通信终端发出的通信光5和信标光6同时分别经过精快速反射镜I和高精快速反射镜2全反射，全反射后的通信光5经第一中继分光镜8全反射后进入通信光接收模块7 ;全反射后的信标光6经第一中继分光镜8透射后到达第二中继分光镜9，第二中继分光镜9反射的信标光6进入精探測器3靶面，第二中继分光镜9透射的信标光6进入高精探測器4靶面；在空间光通信试验中，本地的通信終端和另一通信終端保持相距5km 600km的距离，由于大气湍流引起的信标光和通信光的光斑的晃动以及两通信終端之间的相对运动，本地通信終端中接收视场最大的精探測器3无法直接探測到信标光6，接收视场较小的高精探測器4和接收视场最小的通信光接收模块7更不可能接收到信标光6和信号光5，因此在精快速反射镜I和高精快速反射镜2保持零位状态时，信标光6无法很难进入高精探測器4的靶面，通信光接收模块7也不可能接收到信号光5，无法建立本地的通信終端和另ー通信終端之间的光链接，此时，本地通信終端首先通过外部粗捕获机构对信标光实现粗捕获，通信终端的粗捕获跟踪机构只能够保证在精快速反射镜I和高精快速反射镜2保持零位状态时信标光6经过精快速反射镜I全反射、高精快速反射镜2全反射、第一中继分光镜8透射、第二中继分光镜9反射后能够进入到接收视场较大的精探測器3靶面，但该外部粗捕获机构无法保证信标光6和通信光5分别进入接收视场较小的高精探測器4和接收视场最小的通信光接收模块7，此时控制器10根据精探測器3信号控制精快速反射镜I偏转，使信标光6进入精探測器3靶面的中心区域，并同时进入高精探測器4靶面，控制器10根据高精探測器4信号控制控制高精快速反射镜2偏转并同时将高精快速反射镜2的偏转位置引导精快速反射镜I随动偏转，使信标光6 —直稳定在高精探測器4的视场中心，保证 了通信光5完全被通信光接收模块7接收。所述的精快速反射镜I的偏转范围大于等于± IOmrad，一阶谐振频率大于等于IOHz, ニ阶谐振频率大于等于60Hz。所述精探测器3的工作帧频为50Hz 200Hz，靶面大小512*512。所述高精快速反射镜2的偏转范围大于等于±lmrad，一阶谐振频率大于等于300Hz, ニ阶谐振频率大于等于ΙΚΗζ。所述高精探测器4工作帧频为IKHz 4kHz时，靶面大小128*128。所述中继分光镜的数目在本发明的光路布局中没有局限，只要精快速反射镜I、高精快速反射镜2均布置在精探測器3、高精探測器4的前面，通信光接收模块7布置在FSM和探測器之间即可。ー种双快速反射镜精跟踪方法，实现步骤如下A.由精快速反射镜I、闻精快速反射镜2和探测器组成的精跟踪系统加电初始化，控制器10控制精快速反射镜I和高精快速反射镜2保持零位状态；B.精探測器3捕获到信标光6后，控制器10提取精探測器3的脱靶量信号；C.控制器10将精探測器3的信号控制精快速反射镜I跟踪信标光6，使信标光6进入闻精探测器4,此时闻精快速反射镜2仍保持初始化的零位状态；D.控制器10提取高精探測器4的脱靶量信号，并将控制精快速反射镜I的脱靶量信号由精探測器3的信号切换为高精探測器4的信号，此时高精快速反射镜2仍保持初始化的零位状态；E.控制器10将高精探測器4的信号控制高精快速反射镜2偏转，并将高精快速反射镜2的位置信号引精快速反射镜I随动偏转。本发明与现有技术相比的优点在于(I)本发明的结构设计减小了通信光传输损耗(效率和偏振保真度)的精跟踪装置，双快速反射镜协同稳定工作的解耦控制，在保证通信光传输效率和偏振保真度的条件下实现了对信标光的大范围高精度的稳定跟踪。
(2)本发明不需要增加额外的传感器和反射镜，易于在工程系统中实现。
图I为本发明的光路结构示意图；图2为本发明的跟踪方法实现流程图。
具体实施例方式在图I所示,本发明实施例的跟踪装置包括精快速反射镜，即精FSM1、高精快速反射镜，即精FSM 2、精探測器3、高精探測器4、通信光5、信标光6、通信光接收模块7、第一中继分光镜8、第二中继分光镜9和控制器10 ;其中精FSM I、高精FSM 2布置在通信光接收模块7的前面；通信光接收模块7布置在高精FSM 2和高精探測器4之间，通信光5和信标光6由远距离的另一通信终端发出，虚线箭头表示信标光6的光路路径，实线箭头表示通 信光5的光路路径。本发明实施例中的精FSM I为校正范围大、模态频率低的精FSM，即偏转范围为± IOmrad,—阶谐振频率IOHz, ニ阶谐振频率60Hz ;精探测器3为大视场、低巾贞频的精探测器，即工作帧频为200Hz，靶面大小512*512 ;高精FSM2为校正范围小、模态频率高的高精FSM,即偏转范围土 lmrad，ー阶谐振频率300Hz，ニ阶谐振频率IKHz ;高精探测器4为小视场、高帧频的高精探測器，即工作帧频为2KHz时，靶面大小128*128。在本发明的光路布局中的中继分光镜的数目没有局限，可以增加或減少，只要精快速反射镜I、高精快速反射镜2均布置在精探測器3、高精探測器4的前面，通信光接收模块7布置在FSM和探測器之间即可。高精FSM2相比精FSM21的校正范围小(约为I : 10的关系)，校正带宽高(约为10 I的关系)，高精探測器4相比精探測器3的探测视场小(约为I : 5的关系)，像素分辨カ闻(约为I : 3)的关系)。精FSMl或高精FSM2中任意一块偏转精探測器3和高精探測器4的信号都会受到影响，两个FSM是耦合工作，如果仅用探測器的信号来控制两个反射镜，精跟踪系统无法实现稳定的跟踪控制，但该光路中通信光5传输只需要经过第一中继分光镜8和精FSM1、高精FSM2就能到达通信光接收模块7，减小了通信光的传输损耗(分光镜对通信光偏振保真度的影响最大)。具体实施内容首先将由双快速反射镜和探测器组成的精跟踪系统设计为图I所示的装置，控制器10将精探測器3捕获到的信标光6的信号控制精FSMl跟踪目标，使信标光6进入闻精探测器4,此时闻精FSM2和闻精探测器4不參与系统闭环跟踪；再将闻精探测器4信号控制精FSMl跟踪目标进ー步提高跟踪精度，此时高精FSM2和精探測器3不參与系统闭环跟踪；最后将闻精探测器4的/[目号控制闻精FSM2闭环，精FSMl跟随闻精FSM2的位置偏转，此时精探測器3不參与系统闭环跟踪，控制器10用高精探測器4的信号控制精FSMl和高精FSM2同时參与系统闭环跟踪，实现两个反射镜的单检测解耦控制，达到系统最闻的稳定跟踪精度。如图2所示，本发明跟踪方法的具体实现步骤如下A.精跟踪系统加电初始化，控制器10控制精FSMl和高精FSM2保持零位状态；
B.精探測器3捕获到信标光6后，控制器10提取精探測器3的脱靶量信号；C.控制器10将精探測器3的信号控制精FSMl跟踪信标光6，使信标光6进入高精探測器4，此时高精FSM2仍保持初始化的零位状态；D.控制器10提取高精探測器4的脱靶量信号，并将控制精FSMl的脱靶量信号由精探測器3的信号切换为高精探測器4的信号，此时高精FSM2仍保持初始化的零位状态；E.控制器10将高精探測器4的信号控制高精FSM2偏转，并将高精FSM2的位置信号引精FSMl随动偏转。总之，本发明将通信光接收模块布置在精探測器和高精探測器的前面，减小了通信光传输中效率和偏振保真度的损耗；精探測器、高精探測器的级联工作和精FSM、高精FSM的协同工作的控制，实现了两个反射镜的解耦控制(两个反射镜以不同的控制方式同 时偏转)，完成了对信标光大范围高精度的稳定跟踪；且本发明不需要增加额外的探測器和FSM,易于在工程系统中实现。本发明未详细阐述部分属于本领域公知技木。需要特别说明的是，本发明的光路布局中没有局限中继分光镜的数目，只要两个快速反射镜FSM均布置在两个探測器的前面，通信光接收模块布置在高精FSM和高精探測器之间，通信光接收模块的光路就会缩短，两个快速反射镜FSM就会存在耦合，所采用的缩短通信接收模块的光路布局和解耦控制方法都属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于包括精快速反射镜(I)、高精快速反射镜(2)、精探测器(3)、高精探测器(4)、通信光(5)、信标光(6)、通信光接收模块(7)、第一中继分光镜(8)、第二中继分光镜(9)和控制器(10);其中精快速反射镜(I)、高精快速反射镜(2 )布置在通信光接收模块(7 )的前面；所述通信光接收模块(7 )布置在高精快速反射镜(2)和高精探测器(4)之间，通信光(5)和信标光(6)由远距离的另一通信终端发出； 在通信光传输不受大气湍流影响的实验室条件下，本地的通信终端和另一通信终端保持相对静止状态时，将本地的通信终端和另一通信终端保持相对静止状态对准后，控制器(10)将精快速反射镜(I)和高精快速反射镜(2)保持在零位状态，从另一通信终端发出的通信光(5)和信标光(6)同时分别经过精快速反射镜(I)和高精快速反射镜(2)全反射，全反射后的通信光(5 )经第一中继分光镜(8 )全反射后进入通信光接收模块(7 );全反射后的信标光(6)经第一中继分光镜(8)透射后到达第二中继分光镜(9)，第二中继分光镜(9)反射的信标光(6)进入精探测器(3)靶面，第二中继分光镜(9)透射的信标光(6)进入高精探测器(4)靶面； 在空间光通信试验中，本地的通信终端和另一通信终端保持相距5km 600km的距离，本地通信终端中接收视场最大的精探测器(3)无法直接探测到信标光(6)，接收视场较小的高精探测器(4)和接收视场最小的通信光接收模块(7)更不可能接收到信标光(6)和信号光(5)，在精快速反射镜(I)和高精快速反射镜(2)保持零位状态时，信标光(6)无法进入高精探测器(4)的靶面，通信光接收模块(7)也不可能接收到信号光(5)，无法建立本地的通信终端和另一通信终端之间的光链接，此时，本地通信终端首先通过外部粗捕获机构对信标光实现粗捕获，通信终端的粗捕获跟踪机构只能够保证在精快速反射镜(I)和高精快速反射镜(2 )保持零位状态时信标光(6 )经过精快速反射镜(I)全反射、高精快速反射镜(2)全反射、第一中继分光镜(8)透射、第二中继分光镜(9)反射后能够进入到接收视场较大的精探测器(3 )靶面，但该外部粗捕获机构无法保证信标光(6 )和通信光(5 )分别进入接收视场较小的高精探测器(4)和接收视场最小的通信光接收模块(7)，此时控制器(10)根据精探测器(3 )信号控制精快速反射镜(I)偏转，使信标光(6 )进入精探测器(3 )靶面的中心区域，并同时进入高精探测器(4)靶面，控制器(10)根据高精探测器(4)信号控制控制高精快速反射镜(2)偏转并同时将高精快速反射镜(2)的偏转位置引导精快速反射镜(I)随动偏转，使信标光(6) —直稳定在高精探测器(4)的视场中心，保证了通信光(5)完全被通信光接收模块(7)接收。
2.根据权利要求I所述的双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于所述的精快速反射镜(I)的偏转范围大于等于± IOmrad，一阶谐振频率大于等于10Hz，二阶谐振频率大于等于 60Hz。
3.根据权利要求I所述的双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于所述精探测器(3)的工作帧频为50Hz 200Hz，靶面大小512*512。
4.根据权利要求I所述的双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于所述高精快速反射镜(2)的偏转范围大于等于± Imrad，一阶谐振频率大于等于300Hz，二阶谐振频率大于等于 IKHz。
5.根据权利要求I所述的双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于所述高精探测器(4)工作帧频为IKHz 4kHz时，靶面大小128*128。
6.根据权利要求I所述的双快速反射镜精跟踪装置，其特征在于所述中继分光镜的数目在本发明的光路布局中没有局限，只要精快速反射镜(I)、高精快速反射镜(2)均布置在精探测器(3)、高精探测器(4)的前面，通信光接收模块(7)布置在快速反射镜FSM和探测器之间即可。
7.一种双快速反射镜精跟踪方法，其特征在于实现步骤如下 A.由精快速反射镜(I)、闻精快速反射镜(2)和探测器组成的精跟踪系统加电初始化，控制器(10)控制精快速反射镜(I)和高精快速反射镜(2)保持零位状态； B.精探测器(3)捕获到信标光(6 )后，控制器(10 )提取精探测器(3 )的脱靶量信号； C.控制器(10)将精探测器(3)的信号控制精快速反射镜(I)跟踪信标光(6)，使信标光(6 )进入高精探测器(4 )，此时高精快速反射镜(2 )仍保持初始化的零位状态； D.控制器(10)提取高精探测器(4)的脱靶量信号，并将控制精快速反射镜(I)的脱靶量信号由精探测器(3)的信号切换为高精探测器(4)的信号，此时高精快速反射镜(2)仍保持初始化的零位状态； E.控制器(10)将高精探测器(4)的信号控制高精快速反射镜(2)偏转，并将高精快速反射镜(2)的位置信号引精快速反射镜(I)随动偏转。
全文摘要
一种双快速反射镜精跟踪装置及方法，包括精快速反射镜、高精快速反射镜、精探测器、高精探测器、通信光、信标光、通信光接收模块、第一中继分光镜、第二中继分光镜和控制器；精快速反射镜、高精快速反射镜布置在通信光接收模块的前面；所述通信光接收模块布置在高精快速反射镜和高精探测器之间，通信光和信标光由远距离的另一通信终端发出；本发明两个反射镜任意一个偏转都会影响精探测器和高精探测器的脱靶量信号，同时工作必然存在互相耦合，实现了两个反射镜解耦后的稳定控制，在减小通信光传输损耗的同时实现了对信标光大范围高精度的跟踪。
文档编号G05D3/00GK102681550SQ20121015446
公开日2012年9月19日 申请日期2012年5月18日 优先权日2012年5月18日
发明者丁科, 亓波, 任戈, 邹华, 黄永梅 申请人:中国科学院光电技术研究所