[发明专利]一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器

说明书

技术领域

本发明涉及倾斜跟踪传感器的技术领域，特别是一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，其为一种具有大动态范围和高探测精度的光学精密跟踪传感器。 

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系统由倾斜跟踪器、控制单元和驱动单元组成。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，为了保证星-地光通信链路的畅通，ATP系统中的倾斜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。 

倾斜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。 

随着多阳极光电倍增管的发展，基于多阳极光电倍增管的四象限探测器的四路信号可以并行输出，并且单路信号具有光子灵敏度和仅暗计数噪声的特点，因此具有高帧频、高灵敏度和低噪声的特点，是一种比较理想的光斑质心探测器件。受到加工工艺的限制，基于多阳极光电倍增管的四象限探测器的死区较大，受限于系统的动态范围，成像透镜的焦距不能无限制地增大以增大四象限探测器处光斑的高斯宽度，此时死区会大幅度地降低四象限跟踪传感器的精度（参见“受限于死区的四象限跟踪传感器的性能分析”，马晓燠，母杰，饶长辉，物理学报，第22卷7期，第67页-73页，2012年7期）。 

为了保证星-地光通信中ATP系统动态范围的同时提高系统的精度、减小四象限探测器死区对四象限跟踪传感器精度的影响，就成了一个很重要的研究课题。 

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有四象限探测器生产工艺技术的不足，减小死区对四象限跟踪传感器测量精度的影响，提供一种具有大动态范围、高探测精度的光学精密跟踪传感器。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种带分光四棱锥的四象限跟踪传感器，包括成像透镜、分光四棱锥和四象限探测器，在成像透镜和四象限探测器之间放置一分光四棱锥，分光四棱锥的顶点与成像透镜的焦点重合，分光四棱锥的中轴线与成像透镜的光轴重合，四象限探测器的光敏面垂直于分 光四棱锥的中轴线，并且四象限探测器象限之间的分割线与分光四棱锥的四条棱在四象限探测器光敏面上的投影重合；分光四棱锥将入射波前经成像透镜后形成的光斑分割并偏转为四路出射光束，该四路光束分别由四象限探测器的四个光敏面接收，当入射波前发生倾斜时，入射波前经成像透镜后形成的光斑在会偏离分光四棱锥的顶点，导致分光四棱锥四路出射光束的光强发生变化，由于四象限探测器的四路输出信号正比于四路光束的光强，所以将四象限探测器的输出信号通过质心计算公式计算后就可以得到焦平面处光斑的位置，从而反算出入射波前的倾斜量。