[发明专利]卫星激光通信复合轴光跟瞄装置及控制方法

权利要求书

1.一种卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，包括发射信标光(L1)、接收信标光 (L2)和通信激光(L3)，其特征在于该装置由粗跟瞄系统(21)、望远镜系统(22)、 精跟瞄系统(23)、第一透反镜(M1)第二透反镜(M2)、第三透反镜(M3)、半透 半反镜(M4)、捕获跟踪传感器(24)、超前瞄准系统(25)、通信跟踪传感器(26) 和信号接收机(27)组成，上述元部件的位置关系如下：

按所述的接收信标光(L2)进入的方向，依次是所述的粗跟瞄系统(21)、望远 镜系统(22)、精跟瞄系统(23)、第一透反镜(M1)、第二透反镜(M2)、第三透反 镜(M3)、半透半反镜(M4)和所述的信号接收机(27)，在所述的第二透反镜(M2) 的反射光设置所述的捕获跟踪传感器(24)，在所述的半透半反镜(M4)反射光方向 设置所述的通信跟踪传感器(26)；

所述的粗跟瞄系统(21)是由旋转双棱镜及其驱动电路组成，对发射信标光粗 指向，对接收信标光进行捕获与粗跟瞄，同时卸载精跟瞄系统；

所述的精跟瞄系统(23)是由快速倾斜镜及其驱动电路组成，用于快速和高精 度捕获跟踪接收信标光与通信光，同时抑制高频平台振动；

所述的发射信标光(L1)经所述的第一透反镜(M1)反射后进入所述的精跟瞄 系统(23)，反射后，再经所述的望远镜系统(22)和所述的粗跟瞄系统(21)后向对 方发射；

所述的接收信标光(L2)进入所述的粗跟瞄系统(21)，经所述的望远镜系统(22) 准直再经所述的精跟瞄系统(23)反射后，透过所述的第一透反镜(M1)，由所述的 第二透反镜(M2)反射的光由所述的捕获跟踪传感器(24)探测，由所述的第二透 反镜(M2)透射的光透过所述的第三透反镜(M3)后，经所述的半透半反镜(M4) 反射的光进入所述的通信跟踪传感器(26)，透过所述的半透半反镜(M4)的光进入 所述的信号接收机(27)；

所述的通信激光(L3)经所述的第三透反镜(M3)反射后，透过所述的第二透 反镜(M2)和所述的第一透反镜(M1)进入所述的精跟瞄系统(23)，反射后由所述 的望远镜系统(22)扩束准直后经过所述的粗跟瞄系统(21)发射。

2.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 超前瞄准系统(25)是由快速倾斜镜及其驱动电路组成，功能是在系统瞄准时提供 超前瞄准角。

3.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 捕获跟踪传感器(24)为开窗式CMOS传感器，在捕获模式、汇聚模式和跟踪模式进 行三段式开窗，分别对应捕获窗口(11)、过渡窗口(12)和跟踪窗口(13)。

4.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 通信跟踪传感器(26)为四象限探测器。

5.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 第一透反镜(M1)对所述的发射信标光(L1)高反，对接收信标光(L2)和通信激 光(L3)高透。

6.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 第二透反镜(M2)对接收信标光(L2)半透半反，对通信激光(L3)高透。

7.根据权利要求1所述的卫星激光通信复合轴光跟瞄装置，其特征在于所述的 第三透反镜(M3)对接收信标光(L2)高透，对通信激光(L3)高反；所述的半透 半反镜(M4)对接收信标光(L2)半透半反。

8.一种卫星激光通信复合轴光跟瞄装置的控制方法，其特征在于包括下列步骤：

①首先将已知的卫星轨道和姿态数据(s1)提供给星历表生成器(s2)，再将数 据传递给超前瞄准环路控制器(k5)和粗指向环路控制器(k4)，由粗指向环路控制 器(k4)控制粗跟瞄系统(21)进行预瞄准，粗跟瞄系统(21)指向对方不确定区 域，同时粗跟瞄系统(21)的旋转双棱镜进行旋转扫描不确定区；

②发射信标光(L1)经第一透反镜(M1)和精跟瞄系统(23)的快速倾斜镜反 射，经望远镜系统(22)和粗跟瞄系统(21)后将发射信标光(L1)发射，当捕获 跟踪传感器(24)的捕获窗口(11)中的最亮光点高于阈值，旋转双棱镜停止旋转 扫描，进入捕获模式(k1)；

③进入捕获模式(k1)后，接收信标光(L2)通过粗跟瞄系统(21)、望远镜系统 (22)，经精跟瞄系统(23)的快速倾斜镜反射和第一透反镜(M1)透射后，由第二透反 镜(M2)反射的信标光被捕获跟踪传感器(24)的捕获窗口(11)探测到光点，精跟瞄系 统(23)的快速倾斜镜在考虑到精跟瞄结构噪声(B3)、电路源噪声(B4)和接收光束 指向角(A2)的信息后，不断调整快速倾斜镜的偏转位置，将捕获窗口(11)的光 点逐步拉入过渡窗口(12)中；在这个过程中，当精跟瞄系统(23)的快速倾斜镜 的位置数据高于阈值时，发出卸载指令(k6)，于是，粗指向环路控制器(k4)控制 驱动粗跟瞄系统(21)的旋转双棱镜旋转一定角度，从而将精跟瞄系统(23)的快 速倾斜镜复位；当过渡窗口(12)的一个像素高于阈值，进入汇聚模式(k2)；

④进入汇聚模式(k2)后，精跟瞄系统(23)的快速倾斜镜继续调整偏转位置， 而且当位置数据高于阈值时，持续进行粗跟瞄系统(21)卸载精跟瞄系统(23)的 过程，当快速倾斜镜偏转最亮光点到捕获跟踪传感器(24)的窗口中心区域即跟踪 窗口(13)，而且满足中心四个像素之和减相邻四个像素之和的值大于阈值时，进入 跟踪模式(k3)；

⑤进入跟踪模式(k3)后，将捕获跟踪传感器(24)的跟踪窗口(13)切换到 高精度的通信跟踪传感器(26)，而且在跟踪模式中，当精跟瞄系统(23)的快速倾 斜镜的位置数据高于阈值时，进行粗跟瞄系统卸载精跟瞄系统的过程，同时半透半 反镜(M4)透射一部分光信号到信号接收机(27)，此时整个光跟瞄装置实现了稳定 的捕获跟踪功能；然后，发射通信激光(L3)，并关闭发射信标光(L1)；

⑥通信激光(L3)经过超前瞄准系统(25)的调整后，经第三透反镜(M3)反 射、第二透反镜(M2)和第一透反镜(M1)透射、精跟瞄系统(23)反射后，通过 望远镜系统(22)和粗跟瞄系统(21)后发射，超前瞄准环路控制器(k5)在系统 瞄准时开环控制超前瞄准系统(25)提供一定的超前瞄准角，补偿激光远距离传输 所消耗时间内卫星的相对移动，以实现激光通信。