一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置和方法

1.本发明属于空间激光通信技术领域，具体涉及一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置和方法。


背景技术：

2.空间激光通信具有远高于射频通信的载波频率，因此获得了极大的信道容量和链路增益，是解决高速率、远距离、高保密通信的新兴手段。由于激光具有很强的空间指向性，光束发射时是近衍射极限发射，因此具有极高的能量增益，相比与其他通信方式，激光光束的束散角比其小几个数量等级，因此可以大大减少通信功耗和缩小发射天线尺寸。但是，随之而来的问题就是只有保持两个通信端机的高精度对准，才能保证链路间的高稳定、高可靠性通信。
3.因此，在空间激光通信系统的链路中，无论是卫星对地通信链路还是卫星对卫星间的通信链路等，由于通信链路距离较长，通信束散角小，天基平台振动等原因，只靠通过gps和惯性导航传感器数据融合计算出的光束初始指向无法保证发送端光端机与接收端光端机长时间精确对准并且无法对平台振动引入的扰动产生抑制作用。因此，目前国内外的激光通信系统通常在通信链路实现连接之前，先控制光端机完成一系列动作来保证链路的快速、稳定和可靠的连接，即捕获、对准以及跟踪。
4.四象限探测器(qd)具有响应快、检测灵敏度高、频带宽和噪声小等优点，广泛应用在光斑位置检测和光电跟踪领域中。在空间激光通信系统中，qd常作为精跟踪探测器实现光斑质心的精确检测，为伺服单元提供脱靶量数据，完成光斑的闭环跟踪。由qd光斑位置解算算法的数学模型可知，随着光斑直径的变小，qd位置解算精度就会越高。但是当光斑直径小到一定范围时，受到qd各象限大小以及qd死区大小影响，位置解算以及脱靶量计算会导致光斑位置变化范围受限。因此会出现两个通信端机的对准出现限制。
5.上述问题是目前亟待解决的。


技术实现要素：

6.本发明要克服现有技术的上述缺点，提供一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置，所述装置包括：光学单元，用于提供入射光斑；光电探测单元，用于基于入射光斑在四个象限上的能量分布分别输出与之对应的电压信号；伺服控制单元，用于基于光电探测单元传输的电压信号进行光斑位置脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；振镜伺服执行单元，用于基于伺服控制单元发送的位置信号控制所述振镜完成角度偏转。
7.进一步的，所述光学单元包括：振镜、分光片和透镜；信号光照射在所述振镜上，经所述分光片发射后照射在所述透镜上，经由所述透镜汇聚为入射激光。
8.进一步的，所述光电探测单元包括：四象限探测器和前端跨阻放大器；所述四象限探测器用于基于入射激光在四个象限上的能量分布，各象限分别输出与之对应的光电流；
所述前端跨阻放大器用于将每个象限输出的光电流转换为放大的电压信号。
9.进一步的，所述伺服控制单元包括：模数转换模块、跟踪模块和数模转换模块；所述模数转换模块用于将电压信号转换为数字信号；所述跟踪模块用于基于所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；所述数模转换模块用于将所述位置信号由数字量转换为模拟量。
10.进一步的，所述跟踪模块用于基于所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号包括：当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号；当没有脱靶量时，控制所述振镜以使在产生脱靶量。
11.进一步的，当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号包括:所述跟踪模块通过同步采集所述前端跨阻放大器输出的电压信号得到数字偏移量；对所述数字偏移量进行换算后得出方位角和俯仰角；基于所述方位角和俯仰角生成振镜所需的位置信号。
12.进一步的，所述振镜伺服执行单元，用于基于伺服控制单元发送的位置信号控制所述振镜完成角度偏转包括：基于所述位置信号控制所述振镜快速调整光轴以使所述光轴对准。
13.本发明还提供了一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法，所述方法包括：提供入射光斑；基于入射光斑在四个象限上的能量分布分别输出与之对应的电压信号；基于所述电压信号进行光斑位置脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；基于所述位置信号控制所述振镜完成角度偏转。
14.本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有一个或一个以上的指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行上述基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法。
15.本发明还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现上述的基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法。
16.本发明的有益效果是：本发明提供的一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置，所述装置包括：光学单元，用于提供入射光斑；光电探测单元，用于基于入射光斑在四个象限上的能量分布分别输出与之对应的电压信号；伺服控制单元，用于基于光电探测单元传输的电压信号进行光斑位置脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；振镜伺服执行单元，用于基于伺服控制单元发送的位置信号控制所述振镜完成角度偏转。在追求光斑越小精度越高的基础上，将四象限探测器与振镜结合，用振镜来做小范围伺服减少光斑半径比四象限探测器靶面小所带来的影响，这样可以有效的避免当光斑直径小到一定范围时，受到四象限探测器各象限大小以及四象限探测器死区大小影响，位置解算以及脱靶量计算会导致光斑位置变化范围受限，出现两个通信端机的对准出现限制的现象。可以极大地提高光轴的对准效果。
附图说明
17.下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
18.图1是本发明实施例所提供的基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置示意图。
19.图2a-2c是本发明实施例所提供的小光斑x轴跟踪示意图。
20.图3是本发明实施例所提供的角度换算示意图。
21.图4是本发明实施例所提供的基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法流程图。
22.图5是本发明实施例所提供的电子设备的部分框图。
23.其中，图中各附图标记：
24.1-光学单元；
25.3-伺服控制单元；
26.4-振镜伺服执行单元；
27.11-振镜；
28.12-分光片；
29.13-透镜；
30.21-四象限探测器；
31.31-模数转换模块；
32.32-跟踪模块；
33.33-数模转换模块。
具体实施方式
34.在更加详细地讨论示例性实施例之前应当提到的是，一些示例性实施例被描述成作为流程图描绘的处理或方法。虽然流程图将各项操作描述成顺序的处理，但是其中的许多操作可以被并行地、并发地或者同时实施。此外，各项操作的顺序可以被重新安排。当其操作完成时所述处理可以被终止，但是还可以具有未包括在附图中的附加步骤。所述处理可以对应于方法、函数、规程、子例程、子程序等等。
35.应当理解的是，虽然在这里可能使用了术语“第一”、“第二”等等来描述各个单元，但是这些单元不应当受这些术语限制。使用这些术语仅仅是为了将一个单元与另一个单元进行区分。举例来说，在不背离示例性实施例的范围的情况下，第一单元可以被称为第二单元，并且类似地第二单元可以被称为第一单元。这里所使用的术语“和/或”包括其中一个或更多所列出的相关联项目的任意和所有组合。
36.现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
37.实施例1
38.请参阅图1，示出了本发明一个基于四象限探测器的微小光斑跟踪装置示意图。
39.作为示例，所述装置包括：光学单元1，用于提供入射光斑；光电探测单元，用于基于入射光斑在四个象限上的能量分布分别输出与之对应的电压信号；伺服控制单元3，用于基于光电探测单元传输的电压信号进行光斑位置脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；振镜伺服执行单元4，用于基于伺服控制单元发送的位置信号控制所述振镜完成角度偏转。
40.可选的，所述光学单元1包括：振镜11、分光片12和透镜13；信号光照射在所述振镜11上，经所述分光片12发射后照射在所述透镜13上，经由所述透镜13汇聚为入射激光。
41.具体地，所述振镜11可选为压电陶瓷振镜，所述透镜可选为耦合透镜，信号光照射
在压电陶瓷(pzt)振镜上，激光光束经分光片反射后照射到耦合透镜上，经耦合透镜会聚在四象限探测器的光敏面上。需要说明的是，振镜和透镜的选择可以有相关技术人员根据实际需求自主选择，在此不做限制。
42.可选的，所述光电探测单元包括：四象限探测器21和前端跨阻放大器(在图中未示出)；所述四象限探测器21用于基于入射激光在四个象限上的能量分布，各象限分别输出与之对应的光电流；所述前端跨阻放大器用于将每个象限输出的光电流转换为放大的电压信号。
43.具体地，通过控制调整振镜11、分光片12以及透镜13就可以在四象限探测器21的光敏面上得到可调大小的光斑，根据入射光斑在4个象限上的能量分布，各象限分别输出与之对应的光电流，如图1中的iⅰ、iⅱ、iⅲ和iⅳ，每一路光电流经过前端跨(互)阻放大，转换为放大的电压信号。其中，四象限探测器可选为electro-optical system公司的iga-020-qd，其响应波长为 1000nm-1700nm ingaas光电探测器，对红外激光具有很高的响应灵敏度。
44.可选的，所述伺服控制单元3包括：模数转换模块31、跟踪模块32和数模转换模块33；所述模数转换模块31用于将电压信号转换为数字信号；所述跟踪模块32用于基于所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；所述数模转换模块33用于将所述位置信号由数字量转换为模拟量。其中，跟踪模块32用于基于所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号包括：当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号；当没有脱靶量时，控制所述振镜11以使在产生脱靶量。当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号包括：所述跟踪模块32通过同步采集所述前端跨阻放大器输出的电压信号得到数字偏移量；对所述数字偏移量进行换算后得出方位角和俯仰角；基于所述方位角和俯仰角生成振镜11所需的位置信号。由于脱靶量的解算的方法在现有技术中已经非常成熟，因此在此处不做赘述。
45.具体地，如图2a-2c所示，当没有脱靶量时，如图2a所示，由于光斑直径比四象限探测器21靶面小，所以当小光斑照射到四象限探测器光敏面上，就会出现光斑在某一单个象限内的情况，即此时的光斑在第一象限内(此种情况即为没有脱靶量)，此时通过控制振镜使光斑在x轴/y轴(图中以x轴为例)上以指数 正弦的形式移动作可以使光斑在四象限探测器21靶面上移动以使得处于不同的象限内。如图2b所示，当光斑在四象限探测器21上有脱靶量输出时 (此时小光斑占有两个象限，第一象限和第二象限)，即可将光斑脱靶量输入给跟踪模块32，切换光斑跟踪模式。也即，当有脱靶量时，跟踪模块32进行后续的执行量的换算生成振镜所需的位置信号，若没有脱靶量时要先通过调整振镜11以使得入射光斑在四象限探测器上产生脱靶量。如图2c所示，用脱靶量经过运算得到的执行量来作为振镜驱动的闭环输入，逐渐达到稳定跟踪的状态，也即此时的光斑均匀的占据四象限探测器21靶面中的第一、二象限，则此时光斑的状态为稳定跟踪的状态，也即，基于该状态的光斑进行后续的跟踪可以使得最终的对准效果更加的精准。需要的说明的是，由于在跟踪的过程中可能会有外界的因素影响跟踪的效果，因此在跟踪的过程中要不断的确定光斑在四象限探测器21靶面所处的位置，当光斑在四象限探测器21靶面中所处的位置不稳定时，要调整振镜11以使得光斑在四象限探测器21靶面中处于稳定的状态。
46.具体地，在有脱靶量时，经过光电探测单元放大后的模拟电信号经模数转转换模
块31转变为数字信号，进入跟踪模块32。跟踪模块32进行光斑的跟踪执行量的换算。跟踪模块32通过四通道模数转换单元同步采集跨阻放大后的四象限探测器输出的电压得出数字偏移量，再经过换算可以得出方位角和俯仰角。
47.具体地，如图3所示，为角度换算示意图。在光通信时，入射光经过一系列光学系统入射到四象限探测器的靶面上面，聚焦形成光斑。光斑的质心点坐标为(x0,y0)，四象限探测器与耦合透镜之间的距离为d，则根据数学几何可以求出δθ、δθ
x
、δθy。其中δθ为光轴与主轴的偏差角，δθ
x
为光轴在水平方向上与主轴的偏差角，δθy为光轴在俯仰方向上与主轴的偏差角。求出两个方向上的角度后，经过跟踪模块32的控制算法，驱动振镜伺服执行单元4用以控制振镜11快速调整光轴，实现光轴的精确对准。
48.本发明所述的装置在追求光斑越小精度越高的基础上，将四象限探测器与振镜结合，用振镜来做小范围伺服减少光斑半径比四象限探测器靶面小所带来的影响，这样可以有效的避免当光斑直径小到一定范围时，受到四象限探测器各象限大小以及四象限探测器死区大小影响，位置解算以及脱靶量计算会导致光斑位置变化范围受限，出现两个通信端机的对准出现限制的现象，可以极大地提高光轴的对准效果。
49.实施例2
50.请参阅图4，本发明提出的一种基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法流程图。
51.作为示例，所述方法包括：
52.s410：提供入射光斑。
53.作为示例，信号光照射在振镜上，经分光片发射后照射在透镜上，经由透镜汇聚为入射激光。
54.s420：基于入射光斑在四个象限上的能量分布分别输出与之对应的电压信号。
55.作为示例，基于入射激光在四个象限上的能量分布，各象限分别输出与之对应的光电流；将每个象限输出的光电流转换为放大的电压信号。
56.s430：基于所述电压信号进行光斑位置脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号。
57.作为示例，将电压信号转换为数字信号；基于所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号；将所述位置信号由数字量转换为模拟量。
58.可选的，所所述数字信号进行脱靶量的解算和跟踪执行量的换算生成振镜所需偏转的位置信号包括：当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号；当没有脱靶量时，控制所述振镜以使在产生脱靶量。
59.可选的，当有脱靶量时，进行跟踪执行量的换算生成振镜所需的位置信号包括:通过同步采集前端跨阻放大器输出的电压信号得到数字偏移量；对数字偏移量进行换算后得出方位角和俯仰角；基于所述方位角和俯仰角生成振镜所需的位置信号。
60.s440：基于所述位置信号控制所述振镜完成角度偏转。
61.作为示例，基于所述位置信号控制所述振镜快速调整光轴以使所述光轴对准。
62.实施例3
63.本发明实施例还提出一种存储介质，所述存储介质上存储有基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法，所述跟踪方法被处理器执行时实现如上文所述的基于四象限探测器的
微小光斑跟踪方法的步骤。由于本存储介质采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。
64.实施例4
65.请参阅图5，本发明实施例还提供了一种电子设备，包括：存储器和处理器；所述存储器中存储有至少一条程序指令；所述处理器通过加载并执行所述至少一条程序指令以实现实施例2所提供的基于四象限探测器的微小光斑跟踪方法。
66.存储器502和处理器501采用总线方式连接，总线可以包括任意数量的互联的总线和桥，总线将一个或多个处理器501和存储器502的各种电路连接在一起。总线还可以将诸如外围设备、稳压器和功率管理电路等之类的各种其他电路连接在一起，这些都是本领域所公知的，因此，本文不再对其进行进一步描述。总线接口在总线和收发机之间提供接口。收发机可以是一个元件，也可以是多个元件，比如多个接收器和发送器，提供用于在传输介质上与各种其他装置通信的单元。经处理器501处理的数据通过天线在无线介质上进行传输，进一步，天线还接收数据并将数据传送给处理器501。
67.处理器501负责管理总线和通常的处理，还可以提供各种功能，包括定时，外围接口，电压调节、电源管理以及其他控制功能。而存储器502可以被用于存储处理器501在执行操作时所使用的数据。
68.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本技术给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本技术的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。