一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置及控制方法与流程

本技术涉及空间激光通信，具体涉及一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置及控制方法，特别适用于星间、星地等长距离激光通信链路中发射光束束散角的连续可调。

背景技术：

1、空间激光通信以其高带宽、低功耗、强抗干扰能力等优势，成为星间、星地高速数据传输的重要技术途径。在空间激光通信链路中，发射光束的束散角直接决定了到达接收端的光功率密度和链路裕量。束散角过大时，光束能量分散，接收端光功率不足；束散角过小时，指向精度要求过高，轻微的指向误差或平台抖动即可导致链路中断。

2、现有空间激光通信终端大多采用固定束散角设计，即发射光束的束散角在装调完成后保持不变。这种固定束散角方案在链路距离变化、大气条件变化或平台姿态变化时，难以兼顾链路稳定性与资源利用率：当通信距离较近时，固定束散角会导致接收端光功率过剩，造成资源浪费；当通信距离较远或大气衰减较大时，固定束散角又可能无法提供足够的光功率密度。

3、为解决上述问题，业界提出了若干束散角可调方案，例如通过更换不同焦距的准直镜来改变束散角，或通过移动单个透镜组来改变出射光束的波前曲率。然而，这些方案普遍存在调节范围有限、调节精度不足、可靠性较低、难以适应空间极端环境等问题。

4、因此，亟需一种调节范围宽、调节精度高、可靠性强、能够适应空间环境的连续束散角调整装置及控制方法，以克服现有固定束散角系统的局限性。

技术实现思路

1、本技术旨在提供一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置及控制方法，以解决现有固定束散角系统在通信距离变化、环境条件变化时难以兼顾链路稳定性与资源利用率的技术矛盾。

2、第一方面，本技术提供的一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置采用如下的技术方案：

3、一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置，包括底座；

4、光路组件，包括沿光轴方向从前至后依次设置于所述底座上的光纤接口组件、移动镜组和出射准直镜，所述移动镜组用于改变通过其的光束的聚焦特性；

5、直线导轨，固定于所述底座上，所述移动镜组通过滑块滑动连接于所述直线导轨上；

6、音圈电机，包括固定于所述底座上的音圈电机定子永磁铁和与所述移动镜组固定连接的音圈电机动子线圈，所述音圈电机动子线圈位于所述音圈电机定子永磁铁产生的磁场内，用于驱动所述移动镜组沿所述直线导轨在光轴方向上前后移动；

7、位移检测单元，用于检测所述移动镜组在光轴方向上的绝对位置；

8、束散角控制器，与所述位移检测单元和所述音圈电机均连接，所述束散角控制器内存储有所述移动镜组的位置与出射光束的束散角之间的映射关系，并用于根据接收到的束散角控制指令、按照所述映射关系确定所述移动镜组的目标位置，并根据所述目标位置与所述位移检测单元检测到的实际位置之间的差值生成控制信号，以驱动所述音圈电机动作，使所述移动镜组移动至所述目标位置。

9、可选的，所述束散角控制器包括求差单元、pid控制器和功率放大器；所述求差单元用于接收所述目标位置与所述实际位置并输出位置差值信号，所述pid控制器用于对所述位置差值信号进行比例、积分、微分运算并输出控制电压信号，所述功率放大器用于对所述控制电压信号进行功率放大后驱动所述音圈电机动子线圈。

10、可选的，所述位移检测单元包括楔形结构块和位移传感器；所述楔形结构块设置于所述移动镜组的侧边，并具有相对于光轴倾斜的检测面；所述位移传感器为涡流传感器探头，固定于所述底座顶面，所述位移传感器的感应端面正对所述检测面，并与所述检测面之间保持非接触的测量气隙。

11、可选的，所述音圈电机定子永磁铁为u形结构并固定安装于所述底座上，所述音圈电机动子线圈位于所述音圈电机定子永磁铁的u形槽内并保持非接触气隙。

12、可选的，所述移动镜组包括滑动板和垂直连接于所述滑动板顶面的支撑板；所述滑动板通过底面的滑块滑动连接于所述直线导轨上，所述支撑板内安装一个或多个光学透镜。

13、可选的，所述光路组件还包括设置于所述移动镜组与所述出射准直镜之间的第二移动镜组，二者分别由所述音圈电机和第二音圈电机独立驱动，所述移动镜组用于粗调、所述第二移动镜组用于精调；所述位移检测单元与所述移动镜组配合，所述连续束散角调整装置还包括与所述第二移动镜组配合的第二位移检测单元；所述映射关系为所述移动镜组和所述第二移动镜组的位置与出射光束的束散角之间的映射关系，所述束散角控制器包括故障切换逻辑，所述故障切换逻辑用于在所述位移检测单元与所述第二位移检测单元中的任一个失效时，由所述束散角控制器基于另一个的检测反馈继续执行束散角调节。

14、可选的，所述位移检测单元包括楔形结构块和位移传感器，所述第二位移检测单元包括第二楔形结构块和第二位移传感器；所述楔形结构块设置于所述移动镜组的侧边并具有相对于光轴倾斜的检测面，所述第二楔形结构块设置于所述第二移动镜组的侧边并具有相对于光轴倾斜的第二检测面；所述位移传感器与所述第二位移传感器均为涡流传感器探头，分别固定于所述底座顶面，其感应端面分别正对所述检测面和所述第二检测面并保持非接触的测量气隙。

15、可选的，所述束散角控制器包括第一pid控制器、第二pid控制器、第一功率放大器和第二功率放大器；所述第一pid控制器用于根据所述移动镜组的目标位置与实际位置之间的差值进行pid运算并输出第一控制电压信号，所述第二pid控制器用于根据所述第二移动镜组的目标位置与实际位置之间的差值进行pid运算并输出第二控制电压信号；所述第一功率放大器与所述第二功率放大器分别对所述第一控制电压信号与所述第二控制电压信号进行功率放大后，驱动所述音圈电机和所述第二音圈电机。

16、第二方面，本技术提供的一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置的控制方法采用如下的技术方案：

17、一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置的控制方法，包括以下步骤：接收上位机发送的束散角控制指令；

18、根据所述束散角控制指令，按照所述移动镜组的位置与出射光束的束散角之间的映射关系，确定所述移动镜组的目标位置；

19、通过所述位移检测单元实时检测所述移动镜组的实际位置；

20、比较所述目标位置与所述实际位置之间的差值，并对所述差值进行pid运算，输出控制信号；

21、将所述控制信号进行功率放大后驱动所述音圈电机动作，带动所述移动镜组沿所述直线导轨运动，直至所述实际位置与所述目标位置的差值归零。

22、第三方面，本技术提供的一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置的控制方法采用如下的技术方案：

23、一种用于空间激光通信的连续束散角调整装置的控制方法，所述出射准直镜为可切换焦距准直镜组，所述可切换焦距准直镜组包括旋转轮盘、至少两片焦距不同的准直镜、步进电机、连接所述步进电机与所述旋转轮盘的蜗轮蜗杆副和霍尔位置传感器；所述控制方法包括以下步骤：

24、预先标定所述映射关系，即控制所述移动镜组和所述第二移动镜组移动至多个离散位置，在各所述离散位置处测量出射光束的实际束散角，并根据测量结果建立所述移动镜组和所述第二移动镜组的位置与所述束散角之间的对应表或拟合曲线，所述映射关系在标定行程范围内为所述位置与所述束散角之间单调的一一对应关系；对于所述可切换焦距准直镜组的各焦距档位分别执行所述预先标定，使每个焦距档位对应一组独立的对应表或拟合曲线；

25、接收上位机发送的束散角控制指令；

26、根据所述束散角控制指令确定所需的焦距档位，驱动所述步进电机带动所述旋转轮盘旋转，使目标焦距的所述准直镜进入光路位置，并由所述霍尔位置传感器确认到位；

27、根据所述束散角控制指令，按照所述映射关系确定所述移动镜组和所述第二移动镜组的两层目标位置，所述两层目标位置由所述束散角在该焦距档位对应的对应表或拟合曲线中反查得到总等效位置、再经分层分解得到；

28、比较所述两层目标位置与所述位移检测单元和所述第二位移检测单元反馈的实际位置之间的差值，并分别对两路差值进行pid运算，输出两路控制信号；

29、将两路所述控制信号分别进行功率放大后驱动所述音圈电机和所述第二音圈电机动作，带动所述移动镜组和所述第二移动镜组沿所述直线导轨运动，直至所述实际位置与所述两层目标位置的差值归零；

30、通过所述位移检测单元和所述第二位移检测单元实时读取所述移动镜组和所述第二移动镜组的当前实际位置，两路实际位置反馈共同送回所述束散角控制器形成双闭环；

31、当所述位移检测单元与所述第二位移检测单元中的任一个失效时，冻结失效通道所对应的移动镜组的位置，由另一通道继续执行束散角调节；

32、当装调误差或温度漂移导致某一焦距档位下的所述映射关系发生偏移时，在该焦距档位下重新执行所述预先标定的步骤，以更新所述对应表或拟合曲线。

33、综上所述，与现有固定束散角技术相比，本技术具有以下有益效果：

34、1.实现束散角的连续无级调节，兼顾链路稳定性与资源利用率。本技术将束散角控制指令经束散角控制器内预先存储的移动镜组位置与出射光束束散角之间的映射关系直接反解为移动镜组的目标位置，并由位移检测单元与音圈电机构成位置闭环驱动移动镜组移动至该目标位置；移动镜组沿光轴移动时连续改变入射到出射准直镜上的光束的波前曲率半径，出射光束的束散角随之连续变化，调节过程无档位、无盲区。由此，在通信距离变近时可减小束散角以避免接收端光功率过剩造成资源浪费，在通信距离变远或大气衰减增大时可增大束散角以保证接收端获得足够的光功率密度，从而在链路稳定性与资源利用率之间取得动态平衡；

35、2.实现大行程与高精度兼顾的非接触绝对位置检测。本技术的位移检测单元包括设置于移动镜组侧边、具有相对于光轴倾斜的检测面的楔形结构块，以及固定于底座顶面、感应端面正对所述检测面并保持非接触测量气隙的涡流传感器探头；由于检测面相对于光轴倾斜，移动镜组沿光轴的位移量与探头和检测面之间的气隙变化量满足δg=l·tan(θ)，其中θ为检测面相对于光轴的倾角，因此移动镜组的大行程被按比例压缩为较小的气隙变化量，所需的轴向行程越大，仅需选取越小的倾角θ即可将其纳入单只电涡流探头的线性量程之内。由此，仅用单只低成本的涡流传感器探头即可实现移动镜组全行程范围内的绝对位置测量，且该检测方式非接触、无磨损、抗污染，上电即可获得绝对位置而无需回零操作；

36、3.实现宽调节范围与高调节精度兼顾，并具备故障降级能力。本技术的光路组件包括沿光轴前后设置的移动镜组和第二移动镜组，二者分别由音圈电机和第二音圈电机独立驱动，移动镜组用于粗调、第二移动镜组用于精调，并由位移检测单元和第二位移检测单元分别检测二者的实际位置；粗调级提供大行程以保证宽的束散角调节范围，精调级在小行程内以更高的位置分辨率工作，使总等效位置分辨率取决于精调级，从而在扩大调节范围的同时不牺牲调节精度。同时，束散角控制器包括故障切换逻辑，当位移检测单元与第二位移检测单元中的任一个失效时，由另一个的检测反馈继续执行束散角调节，装置降级运行而非完全失效，显著提高可靠性与长期在轨任务的可用性。