[发明专利]一种深空光通信跟踪瞄准系统及方法

说明书

技术领域：

本发明涉及空间光通信跟踪瞄准技术，具体涉及一种深空光通信跟踪瞄准系统及跟踪方法，可应用于深空光通信中。

背景技术：

空间光通信相比其他经典通信方式具备系统体积小，通信速率高及保密性好等优点，但为了提高通信距离并减小系统资源通信光的发散角一般接近于发射衍射极限(小于10urad)。为了实现远距离下极窄发散角通信光的对准，都需要采用捕获跟踪与瞄准系统(ATP系统)。ATP系统用来建立和维持通信终端间的光链路，跟踪精度可达到urad量级。

ATP技术随着空间激光通信的研究得到了同步发展，在欧空局SILEX星间光通信计划及日本的OICETS星间星地激光通信计划中均得到了成功应用。目前ATP系统普遍采用粗跟踪环嵌套精跟踪环的复合轴控制方式，各环路的跟踪探测器均以对方终端发出的信标光或信号光作为光源，其中精跟踪探测器帧频达到数KHz，因此积分时间很短。由于天线口径有限，随着通信距离的增加对信标激光器的要求越来越高。比如在火星深空光通信中，如仍采用单独跟踪对方信标光的模式，信标激光器的需求功率将达到1KW以上，这在系统设计中是不现实的。

如果将空间卫星平台中对ATP系统的干扰因素分为低频、中频及高频三部分，则高频部分由系统机械隔振消除，低中频部分需要由ATP本身抑制。惯性参考单元是一个小型化自稳定平台，对中低频段有良好的抑制能力，可以为ATP系统提供基本不受卫星平台振动影响的高稳定度基准光源。

发明内容：

本发明的目的是提供一种应用于深空光通信的新型跟踪瞄准系统及方法，采用内部惯性参考光源配合外部目标信标光的组合探测方式，降低了对外部信标光的探测帧频，从而解决目前系统中对信标光功率要求过高的问题。

本发明系统结构如附图1所示，包括：粗跟踪机构1，光学望远镜2，惯性参考单元3，参考激光源4，反射镜组件5，快速倾斜镜6，小面阵相机7，大面阵相机8，分光组件9。

所述的粗跟踪机构1是二维转台结构；所述的光学望远镜2是透射式或反射式望远镜系统；所述的惯性参考单元3是一个小型化自稳定平台；所述的参考激光源4的波长在可见光波段，与外部目标信标光波长相差50nm以上；所述的快速倾斜镜6是压电陶瓷驱动的快速倾斜镜；所述的小面阵相机7采用CMOS或CCD探测器，帧频大于2KHz；所述的大面阵相机8采用CMOS或CCD探测器，帧频2～5Hz。

所述的惯性参考单元3、参考激光源4、反射镜组件5均固定在光学望远镜2上，并随着粗跟踪机构1偏转；快速倾斜镜6与分光组件9安装在光学望远镜2的像方光路上，分光组件9将参考激光源4的激光和信标光在光学望远镜2的成像面分成二个不同的像面，小面阵相机7安放在参考激光源4激光成像面上，大面阵相机8安放在信标光的成像面上，它们的接收视场中心保持重合。系统的工作原理如下：

惯性参考单元3为参考激光源4提供一个高稳定平台，小面阵相机7与快速倾斜镜6组成闭环控制系统，小面阵相机7实时根据参考激光源的像点质心位置与跟踪点位置的偏差作高带宽的闭环控制，控制快速倾斜镜6的偏转，使得像点位置稳定在跟踪点上，达到后光路光轴稳定的目的。

外部目标信标光进入大面阵相机8中，大面阵相机8的探测帧频低，对信标光的功率需求低。首先根据该相机上目标信标光像点11(附图2)相对跟踪中心12的偏差控制粗跟踪机构1运动，将目标信标光像点11引入到精跟踪视场区域10内；然后该偏差用于实时调整小面阵探测器7的跟踪中心，间接控制快速倾斜镜6动作使得目标信标光像点11稳定在大面阵相机8的跟踪中心12附近，最终达到精密跟踪的目的。

完整的快速倾斜镜6的闭环控制框图如附图3所示。

本发明有如下有益效果：

通过降低目标信标光的探测帧频，可以大大降低对信标光激光器的功率需求，同时又能保证跟踪的精度，非常适于深空光通信中应用。

附图说明：

图1是本发明的新型深空光通信跟踪瞄准系统结构图。

图2是大面阵相机中目标终端信标光像点位置示意图。

图3是快速倾斜镜的闭环控制框图。

图中1.粗跟踪机构，2.光学望远镜，3.惯性参考单元，4.参考激光源，5.反射镜组件，6.快速倾斜镜，7.小面阵相机，8.大面阵相机，9.分光镜组件，10.精跟踪视场区域，11.目标信标光像点，12.大面阵相机跟踪中心。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：