一种基于四象限探测器的光斑对准方法与流程

本发明属于无线激光通信技术领域，涉及一种基于四象限探测器的光斑对准方法。

背景技术：

在无线激光通信中，为了建立并保持通信链路，要求发射光束无偏移垂直入射到接收面上。若光束偏移，通信链路中断，需要一套光束指向系统对光束进行控制，使得通信发射端与接收端严格对准。在无线激光通信系统中对光束指向进行控制的系统称之为捕获、对准与跟踪(Acquisition,Pointing and Tracking,APT)系统。光束对准是APT系统用于建立和确保通信链路可靠连接的关键，对自由空间光通信(Free Space Optical Communication，FSO)系统至关重要。

当信号传输距离较远时，影响光束接收的主要因素是光束的横向漂移；而当传输距离较近时，光电探测器探测到的误差数据是光束漂移误差及入射光线与接收视场视轴夹角误差的叠加。传统的四象限探测器加减算法利用了探测器在小范围内具有的线性性质，而此线性性质是基于光斑完整的情况下。而在实际的实验中，四象限探测器光敏面接收到的光斑并不是理想的圆形光斑。在大多情况下，光斑呈缺失状。而此时继续使用传统的公式计算偏移量会使结果产生误差，甚至出现偏移量计算结果与实际方向相反的情况，对准效果不理想。传统的捕获、对准与跟踪系统精检测单元无法对光束横向漂移与角度量误差分别进行检测。所以需要寻求新的方法来检测光束状态量，对光束偏移量与姿态角进行检测，提高对准精度。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于四象限探测器的光斑对准方法，解决了当光斑漂移与光束不平行于天线视轴同时存在，导致光斑难以对准的问题。

本发明所采用的技术方案是，一种基于四象限探测器的光斑对准方法，具体包括以下步骤：

步骤1，将入射光束通过透镜聚焦到四象限探测器的光敏面上，四象限探测器将接收到的光信号转换为四路电信号；

步骤2，将步骤1所得的四路电信号经放大电路放大，并传输给信号处理单元，将放大后的四路电信号在信号处理单元处理内依次进行A\D转换、卡尔曼滤波处理；

步骤3，对步骤2处理后的四路电信号进行自适应阈值判断，根据判断结果控制云台动作，云台带动四象限探测器动作，从而调整入射光束的位置，实现入射光斑的对准。

本发明的特点还在于，

其中信号处理单元采用Cotex-M3系列的ARM处理器，ARM处理器型号为STM32F103ZET6。

其中步骤3的具体过程如下：

步骤3.1，在信号处理单元内设定四路电信号总能量的初始阈值为T；

步骤3.2，通过信号处理单元采集四路电信号的能量分别为：S_A、S_B、S_C、S_D，计算四路电信号的能量总和为S；

步骤3.3，将步骤1设定的初始阈值T与步骤2所得的能量总和S进行比较，根据不同的比较结果，信号处理单元向云台发出相应的动作信号，云台带动四象限探测器进行相应的动作，从而调整入射光束的位置，实现入射光斑的对准。

其中步骤3.3的具体过程如下：

当S＜T时，则表明入射光斑不完整，调整入射光斑完整的具体过程如下：

选定光斑的扫描范围，选取光斑半径为该扫描范围的最大半径，令云台顺时针转动方向为四象限探测器扫描的正方向，以四象限探测器的中心为起点，云台带动四象限探测器沿着扫描的正方向进行螺旋式扫描，扫描线与x、y轴的各交点间距相等，将扫描线与x、y轴交点处的信号存储在信号处理单元内，选取存储在信号处理单元内的各信号中表征能量的最大值，通过云台将四象限探测器移动到该最大值的坐标处，以该最大值的坐标为中心继续进行螺旋式扫描，直至信号处理单元接收到的四路电信号的能量总和S大于等于初始阈值T，则入射光斑完整；

当S≥T时，则表明入射光斑完整；

在入射光斑完整的情况下，对入射光斑进行对准的过程如下：

分别采用如下公式(1)和公式(2)计算入射光斑在x方向上的偏移量U_x和在y方向上的偏移量U_y：

当U_x和U_y同时为0时，则表明入射光斑严格对准，云台不动作；

当U_x和U_y同时不为0时，则表明入射光斑在x方向和y方向上均未对准，此时，信号处理单元发送信号给云台，云台带动四象限探测器在x方向移动k₁倍的Ux，在y方向移动k₁倍的Uy，k₁为比例系数，直至U_x和U_y同时为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台停止动作；

当U_x为0，U_y不为0时，则表明入射光斑在x方向上已对准，在y方向上未对准，此时，信号处理单元发送信号给云台，云台带动四象限探测器在y方向移动k₂倍的Uy，k₂为比例系数，直至U_y为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台停止动作；

当U_y为0，U_x不为0时，则表明入射光斑在y方向上已对准，在x方向上未对准，此时，信号处理单元发送信号给云台，云台带动四象限探测器在x方向移动k₃倍的Uy，k₃为比例系数，直至U_y为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台停止动作。

本发明的有益效果是，

(1)本发明可以直观的观测到入射光斑的总接收量，可以通过检测入射光斑的总能量了解光束与接收端接收面的对准程度；

(2)本发明可以判定光束对准状态，其中调节机构不再是单一的使用计算值进行调节，可以通过光斑偏移的状态使用计算所得的偏移值进行调节，或是进行螺旋扫描，搜索光斑。提高了光束对准的准确度。

附图说明

图1是本发明一种基于四象限探测器的光斑对准方法中采用的一种光束检测装置结构示意图；

图2是本发明中采用的光束检测装置结构检测到的光斑对准的示意图。

图中，1.卡塞格林望远镜，2.分光棱镜，3.通信探测器，4.透镜，5.四象限探测器，6.放大电路，7.信号处理单元，8.云台，9.显示屏。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明一种基于四象限探测器的光斑对准方法，采用了一种光束检测装置，如图1所示，包括沿入射光束轴线依次设置的卡塞格林望远镜1、分光棱镜2及通信探测器3，分光棱镜2的一侧设置有透镜4，透镜4的后方设置有四象限探测器5，四象限探测器5设置在云台8上，四象限探测器5依次连接放大电路6、信号处理单元7及显示屏9，信号处理单元7还与云台8连接。

信号处理单元7采用Cotex-M3系列的ARM处理器，ARM处理器型号为STM32F103ZET6。放大电路6采用以AD623为核心芯片的二级放大电路。

光束经卡塞格林望远镜1入射后，经分光棱镜2一分为二，一束光射到透镜4上，经透镜4聚焦后四象限探测器5的光敏面上，用于光斑位置检测，最终实现光斑对准；另一束光通过通信探测器3接收，用于通信。

本发明一种基于四象限探测器的光斑对准方法的具体步骤如下：

步骤1，将入射光束通过透镜4聚焦到四象限探测器5的光敏面上，四象限探测器5将接收到的光信号转换为四路电信号；

步骤2，将步骤1所得的四路电信号经放大电路6放大，并传输给信号处理单元7，将放大后的四路电信号在信号处理单元7处理内依次进行A\D转换、卡尔曼滤波处理；

步骤3，对步骤2处理后的四路电信号进行自适应阈值判断，根据判断结果控制云台8动作，云台8带动四象限探测器5动作，从而调整入射光束的位置，实现入射光斑的对准；

步骤3.1，在信号处理单元7内设定四路电信号总能量的初始阈值为T(该阈值T代表在此系统中入射光斑对准时应接收到的能量总和)；

步骤3.2，通过信号处理单元7采集四路电信号的能量分别为：S_A、S_B、S_C、S_D，计算四路电信号的能量总和为S(S大于0)，S＝S_A+S_B+S_C+S_D；

步骤3.3，将步骤1设定的初始阈值T与步骤2所得的能量总和S进行比较，根据不同的比较结果，信号处理单元7向云台8发出相应的动作信号，云台8带动四象限探测器5进行相应的动作，从而调整入射光束的位置，实现入射光斑的对准；

步骤3.3的具体过程如下：

当S＜T时，则表明入射光斑不完整，调整入射光斑完整的具体过程如下：

选定光斑的扫描范围，选取光斑半径为该扫描范围的最大半径，令云台8顺时针转动方向为四象限探测器5扫描的正方向，以四象限探测器5的中心为起点，云台8带动四象限探测器5沿着扫描的正方向进行螺旋式扫描，扫描线与x、y轴的各交点间距相等，将扫描线与x、y轴交点处的信号存储在信号处理单元7内，选取存储在信号处理单元7内的各信号中表征能量的最大值，通过云台8将四象限探测器5移动到该最大值的坐标处，以该最大值的坐标为中心继续进行螺旋式扫描，直至信号处理单元7接收到的四路电信号的能量总和S大于等于初始阈值T，则入射光斑完整；

当S≥T时，则表明入射光斑完整；

在入射光斑完整的情况下，对入射光斑进行对准的过程如下：

分别采用如下公式(1)和公式(2)计算入射光斑在x方向上的偏移量U_x和在y方向上的偏移量U_y：

当U_x和U_y同时为0时，则表明入射光斑严格对准，云台8不动作；入射光斑严格对准时，光束的入射位置如图2中图(a)所示，图(a)表示光束直射到卡塞格林望远镜1的情况；当光束入射位置如图(a)所示时，检测到的完整光斑如图2中图(b)所示，图2中图(b)表示光束平行于视轴且无光斑漂移，判定为光束对准，图2中图(b)的中心黑点处即为光斑；

当U_y为0，U_x不为0时，则表明入射光斑在y方向上已对准，在x方向上未对准，此时，信号处理单元7发送信号给云台8，云台8带动四象限探测器5在x方向移动k₃倍的Uy，k₃为比例系数，直至U_y为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台8停止动作；

当U_x和U_y同时不为0时，则表明入射光斑在x方向和y方向上均未对准，此时，信号处理单元7发送信号给云台8，云台8带动四象限探测器5在x方向移动k₁倍的Ux，在y方向移动k₁倍的Uy，k₁为比例系数，直至U_x和U_y同时为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台8停止动作；

当U_x为0，U_y不为0时，则表明入射光斑在x方向上已对准，在y方向上未对准，此时，信号处理单元7发送信号给云台8，云台8带动四象限探测器5在y方向移动k₂倍的Uy，k₂为比例系数，直至U_y为0，实现入射光斑在x方向和y方向上同时对准，云台8停止动作。