[发明专利]大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统

说明书

技术领域

本发明涉及大气激光通信系统中信标光轴精密定位系统，属于空间激光通信技术领域。该系统主要用于大气激光通信系统中信标光轴的精密定位。

背景技术

大气激光通信技术的核心技术是捕获、对准和跟踪APT(AcquisitionPointing Tracking)技术。大气激光通信以其高带宽、高码率、高保密性及抗干扰等优点成为光通信发展的新方向，目前已成为各国研究工作的热点。而窄的激光发射光束导致了光束对准中许多技术上的挑战，对APT技术的研究也就显得尤其重要。快速精确的捕获、瞄准和跟踪是保证实现空间远距离光通信的前提，是星际间光通信的核心，需要获得非常高的跟瞄精度，还要抑制和消除一个在很宽的频率范围内存在且幅值很大的外部干扰，从而决定了它是一个高精度、高带宽的精密跟踪系统。另外，空间光通信系统的通信信号光束发散角非常小，如果用信号光束进行捕获、瞄准和跟踪非常困难，所以要完成这一过程需要采用信标光来完成，而信号的接收由通信光来完成。APT系统的功能是在接收端探测发射端发出的信标光，并对之进行捕获、瞄准和跟踪，然后返回信标光到发射端，借以完成点对点的锁定，在两端之间建立通信链接之后，双方用通信光束开始传输数据，实现通信。

对于以机载激光通信系统或者其它以被动或主动激光目标跟踪为目标的火控系统来说，一个高质量的APT系统是必不可少的，激光光束的快速、精密定位是一个高精度、宽频带APT系统的关键。能在大气环境中工作的高精度、宽频带APT系统的设计和实现是一项难度很大的工程技术。系统的关键问题就是必须对入射的激光光束进行定位，找到与其对应的对方发射光学系统的光轴，然后调整自己的跟踪系统光轴使之指向对方，才能完成精确对准和跟踪(μrad量级)，从而使激光武器系统能够准确打击被跟踪的目标，激光通信系统能够实现高速率、低误码率的激光通信。

激光光束在大气信道传输过程中受大气湍流的扰动，激光的能量和偏振特性都受到影响，光斑发生畸变，整体上已经不再符合高斯分布特性，因此传统的探测器的光斑质心算法，已经无法准确地确定出激光光束的主光轴，系统定位精度不可能做得很高，一般定位传感器的目标跟踪系统精度大于15～20μrad，常用典型装置示意图为图1(参考文献1罗彤，等，自由空间光通信地面演示系统光束APT设计与实现，应用光学，第23卷，第2期，2002中的结构主要组成)，其他很多激光空间通信系统的光轴定位装置也基本上和文献1即图1的典型系统相类似(主要参考文献为：2曾华林，等，空间光通信ATP系统的研究，光学技术，第31卷，第1期，2005年1月；3谭靖，等，光无线通信的光束对准/跟踪技术，《激光杂志》，第26卷第3期，2005年；4岳冰，等，空间光通信中的快速倾斜镜精跟踪实验系统〔J〕.光电工程，2002，29(3)：35-42；5徐科华，等，深空光通信中光束瞄准技术研究，光学精密工程，第14卷，第1期，2006年2月；6周亚霖艾勇左韬鲍黎波.空间光束实时捕获、跟踪实验与分析，光子学报，2005年34卷6期；7王萍萍，艾勇，支新军.自由空间光通信终端机中APT系统设计应用激光2003年1223卷6期；8苏秀琴，王飞，刘文.一种提高CCD目标测量数据处理速度的新方法.光子学报，2001，30(7)：864～867Su X Q，Wang F，Liu W.Acta Photonica Sinica，2001，30(7)：864～867；9Hohn，D.H.Effects of atmospheric turbulence on the transmission of a laserbeam at 6328A.I-Distribution of intensity Applied Optics IP，vol.5，Issue 9，p.1427；10国外空间激光通信技术发展情况.内部资料.2005年10月.)，均采用探测器均为普通CCD探测器。对于激光通信系统来说，这样的跟踪精度无法使通信的技术指标进一步提高。在大气激光通信系统中也有其自身的不足之处，大气激光通信以空气为介质，决定了激光传输过程中不可避免地要受到大气环境的影响(大气吸收、散射和湍流效应的影响)，其中大气湍流对目标跟踪过程的影响最大。影响的主要表现为光束的偏折、漂移与光斑的破碎和能量闪烁等现象，以及由于成像光学系统像差的影响，使跟踪探测器在计算目标位置时产生误差，直接影响系统的捕获、瞄准和跟踪精度。为了解决大气湍流对武器装备中APT系统精度的影响，提高APT系统的跟踪精度，必须采取一定的技术措施。

发明内容