[发明专利]一种基于双金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器，特别是一种可以应用在星地光通信中具有大动态范围和高精度特点的基于金字塔四棱锥的光学精密跟踪探测器。

背景技术

星-地光通信是指利用激光束为载体，建立卫星与地面间的光通信链路。与目前普遍采用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系统尺寸和重量小、保密性强、电磁干扰少和频带宽等优点。因此，许多国家都投入了巨大的财力、人力和物力进行星-地光通信的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系统成功地完成星-地间激光通信试验，证明了星-地间激光通信的可行性。美国的喷气动力实验室JPL(Jet Propulsion Lab)研制的星-地光通信演示机OCD(Optical Communications Demonstrator)数据传输率可达250Mbps，美国弹道导弹防御组织于空间和导弹防御司令部共同资助的STRV2星-地激光通信计划预计在低轨道卫星与固定地面站之间建立距离为2000km，数据传输率为1Gbps的光通信链路。欧洲的欧空局ESA研制的GEO卫星AREMIS于2000年发射，其中的一条光链路可以实现卫星与位于Canary岛的地面站间之间的通信。

ATP(Acquisition，Tracking，Pointing)技术是星-地光通信中需要突破的核心技术之一，ATP系统由光学精密跟踪探测器、控制单元和驱动单元组成。系统在工作时，光学精密跟踪探测器能够实时地为控制单元提供目标波前的倾斜量，控制单元根据目标波前的倾斜量计算出需要加载到驱动单元上的电压量，驱动单元在电压的作用下旋转一定的角度和方向，从而使系统的光轴能够实时地对准移动中的被测目标(参见“光学瞄准及自动跟踪系统设计”，夏江涛，电光与控制，第16卷5期，第74页-77页，2009年5月)。

在星-地光通信的ATP系统中，由于光传输需要经过大气这一随机信道，受大气湍流低阶相差和卫星运动的影响，到达系统的光斑会大范围地随机抖动(参见“背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响”，李晓峰，胡渝，无线光通信，第22页-24页，2004年10期)，同时，在星-地光通信中，受到航天器载重的影响，卫星上激光信号的发射功率有限，经长距离的大气传输后，大气会散射和吸收掉大部分光能量(参见“空-地光通信系统的方案设计和关键技术分解及信道仿真”，刘淑华，电子科技大学硕士学位论文，2002年)，为了保证星-地光通信链路的畅通，ATP系统中目标波前倾斜量的提供单元-光学精密跟踪探测器必须具有大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等特点。

光学精密跟踪探测器一般由成像透镜、光电转换器件和波前倾斜处理机组成。来自目标的光信号经成像透镜汇集后投射在光电转换器件的光敏面上形成目标光斑，当目标波前倾斜量改变时，目标光斑在光电转换器件的光敏面上移动，光敏面上光能量分布改变，这时，波前倾斜处理机可以根据光电转换器件输出的光电信号来计算出目标光斑的质心位置，从而解算出目标波前的倾斜量。光电转换器件目前多采用CCD相机、CMOS相机或四象限探测器，其中CCD相机的低读出帧频的缺点限制了其在高帧频探测中的应用；CMOS相机的大噪声和低光敏感度等缺点限制了其在弱光探测中的应用；而四象限探测器光敏面仅有四个象限，受死区的影响，无法同时实现大动态范围和高精度的探测(参见“光子计数式光电倍增管四象限型和弱光像增强CCD跟踪系统的性能比较”，饶长辉，张学军，姜文汉，汤国茂，光学学报，第22卷1期，第67页-73页，2002年1期)。