[发明专利]自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质

说明书

本发明公开了一种自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质，与信号光同轴的信标光依次通过第一转向镜和第二转向镜、大焦距凸透镜以及分光棱镜后，分为传播方向相互垂直的两路光束，分别进入位于大焦距凸透镜焦距处和位于焦距内的两个焦平面探测器，根据两个焦平面探测器分别采集到的图像中光束光斑与图像中心的偏差，调整第一转向镜和第二转向镜的角度，直至两个焦平面探测器采集到的图像中光束光斑均位于图像中心。本发明中，转向镜采用微步进电机和压电陶瓷相结合，既保持了粗瞄的大范围扫描和精瞄的精确微调，又降低了多个部件组件装调的对准等问题，大大减少了参数之间的变换问题，有效地减小了系统的体积和质量。

技术领域

本发明属于光通信技术领域，特别涉及一种自由空间光通信扫描跟踪方法、系统、设备及介质。

背景技术

自由空间光通信是以光在空气或真空中传播为传输介质、将两个终端连接起来的通信手段。自由空间光通信最典型的应用就是用无线激光将距离成千上万公里的两颗卫星或星地终端连接起来，形成通信数据传输链路，并保持相互间位置的锁定，采用光波作为载体，具有更高的传输速率、保密性好、抗电磁干扰强、不需要无线电频率使用许可、设备体积小、功耗低和重量轻等优点，受到了很多国家和地区的重视，美国、欧洲、日本分别与20世纪60-80年代开始投入大量人力、物力开展卫星激光通信研究，我国从20世纪90年代开始卫星光通信技术的研究。随着5G时代的来临，卫星链网络的激光通信技术的研究更加蓬勃，比如近期的SpaceX的星链计划、国内的墨子星等，这些技术都将拓展全球实时数据传输速度和容量，并且将互联网网络覆盖全球的每个角落。

自由空间光通信系统包含一个具有激光调制技术的光源发射端，和一个接受光信号的接收端，且为了保持信号的连续传输，还需要指向稳定且链路时刻相连。所以光通信系统一般分为：信号发射子系统、信号接收子系统和捕获跟踪子系统。信号发射子系统和信号接收子系统一般涉及信号调制、信号解调、信号编码和信噪比等内容，本发明暂不深入讨论，着眼点主要在捕获跟踪子系统。

自由空间光通信必须建立一套瞄准、捕获和跟踪系统，用于实现空间激光通信链路的建立和保持，简称ATP或跟瞄子系统，它关系到空间光通信的成败，而且跟瞄精度直接影响传输速率和带宽，且是双向都需要精确对准。

比较典型的瞄准、捕获和跟踪系统，包括粗瞄装置和精瞄装置。粗瞄装置包括万向转台、粗瞄控制器和粗瞄探测器，用于目标捕获和粗跟踪；万向转台一般使用具有两个旋转轴的万向节控制反射镜，以一定的方式进行天线扫描跟踪，利用捕跟探测器判断是否成功测定对方光束到达的方向，并通过进一步调整万向转台使入射光斑进入探测器控制范围。粗瞄装置能实现大角度的扫描，但是精度一般不高，无法实现精确对准。精瞄装置一般通过压电陶瓷或电磁驱动光学反射镜绕X轴、Y轴作微小转动，实现对光束的二维小角度偏转控制。精瞄控制装置包括精瞄驱动器、精瞄反射镜和探测器三部分，由精瞄驱动器根据精瞄探测器探测到的位置信息对反射镜进行闭环控制，实现入射光束的二维瞄准角度控制。

现有的跟瞄技术一般有以下两种：

1)单向跟踪：由一个跟踪终端上的粗瞄装置和精瞄装置开环瞄准，而另一终端利用实际测量的跟踪偏差，对粗瞄装置和精瞄装置进行补偿；

2)双向跟踪：两个终端均进行闭环瞄准跟踪，双向跟踪方式对跟踪系统的控制精度有较高的要求。

现有的跟瞄技术一般有如下缺点：

1)体积大，质量重：无论是双向跟踪还是单向跟踪，都需要粗-精跟踪系统，粗瞄系统又多为具有两个旋转轴的万向节的转动完成，为了保持机械的传动及控制和X、Y轴方向上的不干涉，一般这样的系统都比较笨重，体积大；