在軌空間光通信終端像差補償方法
【專利摘要】在軌空間光通信終端像差補償方法，涉及在軌空間光通信終端像差補償方法。它為了解決現有的空間光通信終在軌運行期間產生新的像差導致通信鏈路的中斷的問題。在地面測試模擬階段對空間光通信終端中各種可能產生的像差及其對應的光斑質心定位的影響進行模擬測量，在軌修正階段通過比較地面主控中心接收到的數據與地面測試模擬階段存儲的所有數據，選擇與在軌的空間光通信終端數據相似的數據作為成像測試結果，根據該結果計算相應的像差修正參數，實現對空間光通信終端的在軌運行修正，本發明提高了終端角探測精度，達到了保證了空間光通信終在軌運行期間通信鏈路正常運行的目的。本發明適用于航空、航天和通信領域。
【專利說明】在軌空間光通信終端像差補償方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種像差補償方法，具體涉及在軌空間光通信終端像差補償方法。
【背景技術】
[0002]自1960年激光器誕生以來，光電子事業開始蓬勃發展。光學已開始在醫療、工業 加工、測量、通信、電力等諸多領域服務社會。隨著現代社會對信息的需求日益增加，光通信 技術已成為人們關注與研究的重點。
[0003]隨著衛星技術的不斷發展，衛星對通訊數據率的需求也不斷提高。衛星光通信因 其通信數據率高、保密性好、抗干擾能力強、終端體積小、功耗低等優點已成為美國、日本及 歐洲等國家和地區研究的熱點。光通信主要分為光纖通信與衛星光通信(無線光通信)。光 纖通信技術現已比較成熟，并已經到投入到社會生產生活當中。而衛星光通信則仍在積極 的探索與實踐中。衛星光通信與普通衛星通信(微波通信)相比，有著其自身的特點。衛星 光通信的優點在于:通信數據率高(可達2?5Gb/s)、抗干擾能力強、保密性好、通信終端體 積、功耗與重量遠遠小于微波通信等。當然，衛星光通信也存在其自身的問題，即衛星與地 面的激光通信鏈路受大氣及降雨影響比較大。然而這些問題可以通過加設地面站及通過中 繼星通信等光通信組網技術來解決。
[0004]在衛星光通信系統中，瞄準、捕獲、跟蹤(PAT)技術是關系到激光通信鏈路能否建 立的關鍵技術。影響PAT技術的一個關鍵參量是通過跟蹤傳感器對對準角度的測量，其實 質是通過圖像傳感器對信標光斑圖像灰度質心的計算。
[0005]衛星激光通信系統是工作在光學衍射極限、通信距離極限及光電探測極限條件下 高靈敏度的通信系統。為保證通信鏈路在如此苛刻的條件下具有良好的通信性能，系統對 衛星光通信終端的各項性能指標及光束的質量都有極高的要求。
[0006]由于在軌環境影響及發射后一些不可預知因素的原因，衛星光通信終端即使在隨 航天器15發射前進行過地面像差補償，但在在軌運行期間仍然有可能產生新的像差，這些 像差對信標光斑成像的影響會光斑灰度質心定位的精度。由于光斑灰度質心是影響角度探 測的關鍵量，因此如果不對這些新產生的像差對光斑質心定位的影響進行及時的修正，光 斑灰度質心的定位不準確將直接影響通信的瞄準捕獲跟蹤過程，嚴重時甚至可能導致通信 鏈路的中斷。
[0007]因此，為了實現高質量的空間光通信，需要在光通信終端在隨航天器15發射之后 仍然能夠消除系統中信產生的像差對光斑質心定位影響。通過在光通信終端光學系統中加 裝自適應系統來自動校正可以實現上述目的。但是由于自適應系統不僅造價昂貴，而且在 終端中加裝該系統還會帶來額外的功耗，增加終端體積及重量的同時也增加了終端發射的 成本。因此目前還沒有空間光通信終端加裝自適應系統的案例。

【發明內容】

[0008]本發明為了解決現有的空間光通信終在軌運行期間產生新的像差導致通信鏈路的中斷的問題，從而提出了在軌空間光通信終端像差補償方法。
[0009]在軌空間光通信終端像差補償方法，所述的空間光通信終端包括望遠鏡、第一分光棱鏡、整形透鏡組和CMOS圖像傳感器，
[0010]入射至望遠鏡的光束經壓縮后入射至第一分光棱鏡，
[0011]經第一分光棱鏡折射的基準光束經整形透鏡組入射至CMOS圖像傳感器，
[0012]該方法包括地面測試模擬階段和在軌修正階段兩個階段；
[0013]所述的地面測試模擬階段包括下述步驟:
[0014]步驟一、采用主控計算機向編碼器發送編碼指令，同時控制半導體激光器發光，編碼器為半導體激光器提供調制信號，所述的半導體激光器 的光纖發射頭位于平行光管的焦點上，主控計算機的圖像信號端連接CMOS圖像傳感器的圖像信號端，執行步驟二 ；
[0015]步驟二、將波前傳感器放置于平行光管的出光口，使經平行光管的原始光束入射至波前傳感器表面的探測區域，主控計算機根據波前傳感器采集的波形信號進行測量，獲得原始光束波前像差的澤尼克多項式系數A，并存儲該澤尼克多項式系數A，執行步驟三；
[0016]步驟三、將空間光通信終端的望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度為 Orad,使經平行光管的激光入射至望遠鏡的入光口，執行步驟四；
[0017]步驟四、采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集的基準光圖像信號，將所述的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak，并存儲該光斑質心坐標作為坐標ak，執行步驟五；
[0018]其中，k表示望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度調整的次數，k的初值為1，k=l，2，……，120 ;ak為第k次調整望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度時的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標，
[0019]步驟五、將二維微動平臺放置在望遠鏡的出光口，使經望遠鏡出光口的光束入射至二維微動平臺，經空間光調制器入射至第二分光棱鏡，經第二分光棱鏡透射的光束入射至波前傳感器，經第二分光棱鏡折射的測試光束入射至整形透鏡組，經整形透鏡組整形的測試光束入射至CMOS圖像傳感器，
[0020]采用主控計算機的微動平臺驅動信號輸出端連接二維微動平臺驅動器，
[0021]二維微動平臺驅動器的控制信號輸出端連接二維微動平臺的控制信號輸入端；
[0022]采用主控計算機的光調制驅動信號輸出端連接空間光調制器驅動器的光調制驅動信號輸入端，
[0023]空間光調制器驅動器的控制信號輸出端連接空間光調制器的控制信號輸入端，
[0024]執行步驟六；
[0025]步驟六、采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集的測試光束圖像信號，將所述的測試光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak’，調整二維微動平臺、空間光調制器、第二分光棱鏡和整形透鏡組的位置，使測試光圖像信號的光斑質心坐標ak’與基準光圖像信號的光斑質心坐標ak相同，執行步驟七；
[0026]其中，ak’表示第k次調整望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度時的測試光圖像信號的光斑質心坐標，
[0027]步驟七、采用主控計算機通過控制二維微動平臺驅動器調整二維微動平臺，使二維微動平臺的工作范圍處于初始位置，[0028]采用主控計算機通過控制空間光調制器驅動器調整空間光調制器，使空間光調制 器的工作范圍處于初始位置，
[0029]采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集的測試光束的模擬圖像信號，并存儲 該光束模擬圖像信號包含的信息，所述的光束模擬圖像信號包含的信息包括光斑成像圖 像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，
[0030]采用主控計算機通過波前傳感器采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤 尼克多項式系數Bkji，
[0031]將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信 終端的真實澤尼克多項式系數cWi，并儲存該澤尼克多項式系數ckji，
[0032]執行步驟八；
[0033]其中，Bwi表示在第k次調整望遠鏡的入光口與平行光管的出光口在對準角度、第 j次調節空間光調制器或第i次調節二維微動平臺時的光束質量數據，該光束質量數據作 為澤尼克多項式系數；CWi表示在第k次調整望遠鏡的入光口與平行光管的出光口在對準 角度、第j次調節空間光調制器或第i次調節二維微動平臺時的真實澤尼克多項式系數 的初始值為0 ;j的初始值為0 ;二維微動平臺的工作范圍在X軸和Y軸圍成的范圍內，X軸 和Y軸的范圍均為0 ii m-2 ii m ;二維微動平臺以IOnm為步進單位進行200次調節，二維微 動平臺的初始位置為X軸一直保持I U m位置，Y軸處于0 y m處開始掃描，二維微動平臺掃 描的范圍為:X軸一直保持I ii m，Y軸從0 ii m至2 ii m ;空間光調制器的工作范圍為0灰度 值-255灰度值，空間光調制器以8灰度值為單位步進量進行32次調節，空間光調制器的初 始位置為0灰度值，
[0034]步驟八、調整二維微動平臺的傾角，并同時調整空間光調制器的相位和灰度，使 CMOS圖像傳感器采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器和二維微動平臺補償 波前像差，執行步驟九；
[0035]步驟九、采用主控計算機讀取波前傳感器采集的波形信號，獲得新的澤尼克多項 式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤尼克 多項式系數Cwi’，執行步驟十；
[0036]步驟十、判斷步驟九所述的新的澤尼克多項式系數Ck/的系統整體誤差是否大于 或等于1/20 A，若是則執行步驟七；若否則執行步驟十一；
[0037]其中，\代表測試過程中使用的激光波長，即為光通信終端信標光的波長，
[0038]步驟十一、采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集新的光斑質心坐標bkji’，并 存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟十二 ；
[0039]其中，bkji’表示在第k次調整望遠鏡的入光口與平行光管的出光口在對準角度、第 j次調節空間光調制器或第i次調節二維微動平臺時的新的光斑質心坐標，
[0040]步驟十二、采用主控計算機經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟 十一存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的坐標偏移量，所述的坐 標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟十三；步驟十三、使二維微動 平臺從當前位置向后調整一個步進單位，令i=i+l，執行步驟十四；
[0041]步驟十四、判斷i是否等于201，若是步驟十六，若否執行步驟十五；
[0042]步驟十五、采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集的測試光束的模擬像差成像圖像，并存儲該光束模擬圖像包含的信息，所述的光束模擬圖像包含的信息包括光斑成 像圖像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，
[0043]采用主控計算機通過波前傳感器采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤 尼克多項式系數Bwi，并存儲該澤尼克多項式系數Bkji，
[0044]將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信 終端的真實澤尼克多項式系數CWi，并儲存該澤尼克多項式系數Ckji，
[0045]執行步驟十六；
[0046]步驟十六、調整二維微動平臺的傾角，并同時調整空間光調制器的相位和灰度，使 CMOS圖像傳感器采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器和二維微動平臺補償 波前像差，執行步驟十七；
[0047]步驟十七、采用主控計算機讀取波前傳感器采集的波形信號，獲得新的澤尼克多 項式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤尼 克多項式系數Cwi’，執行步驟十八；
[0048]步驟十八、判斷步驟十七所述的新的澤尼克多項式系數Ck/的系統整體誤差是否 大于或等于1/20 X，若是則執行步驟十五；若否則執行步驟十九；
[0049]步驟十九、采用主控計算機讀取CMOS圖像傳感器采集新的光斑質心坐標bkji’，并 存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟二十；
[0050]步驟二十、采用主控計算機經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟 十九存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的坐標偏移量，所述的坐 標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟二十一；
[0051]步驟二十一、判斷j是否等于32，若是執行步驟二十三，若否執行步驟二十二 ；
[0052]步驟二十二、使空間光調制器從當前位置向后調整一個步進單位，令j=j+l，i=0, 執行步驟十五；
[0053]步驟二十三、判斷空間光通信終端的望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準 角度是否為3mrad，若是將旋轉望遠鏡，使該望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角 度為_3mrad,令k=k+l,執行步驟四；若否執行,步驟二十四；
[0054]步驟二十四、旋轉望遠鏡，使該望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度 從當前位置順時針調整5 ii rad,令k=k+l,執行步驟二十五；
[0055]步驟二十五、判斷望遠鏡的入光口與平行光管的出光口的對準角度是否為Omrad， 若是執行在軌修正階段，若否執行步驟四；
[0056]在軌修正階段時，空間光通信終端隨航天器在軌運行，CMOS圖像傳感器用于采集 信標光的數據，
[0057]在軌修正階段包括下述步驟:
[0058]步驟A、空間光通信終端通過通信通道將CMOS圖像傳感器采集的信標光的數據發 送至地面主控中心，執行步驟B ;
[0059]步驟B、地面主控中心根據在軌運行的空間光通信終端發送的數據，對地面測試 模擬階段存儲的所有數據進行查詢，選擇與當前在軌的空間光通信終端數據相似度范圍在 85%至100%中的一組成像測試結果，根據該組成像測試結果計算相應的像差修正參數，執 行步驟C ；[0060]步驟C、地面主控中心通過通信通道將該像差修正參數發送至在軌的空間光通信 終端，實現對空間光通信終端的在軌運行修正。
[0061]攜帶光通信終端的航天器將CMOS圖像傳感器采集的信標光的數據通過通信中繼 衛星和通信衛星地面遙測基站發送至地面主控中心。
[0062]攜帶光通信終端的航天器將CMOS圖像傳感器采集的信標光的數據通過通信衛星 地面遙測基站發送至地面主控中心。
[0063]攜帶光通信終端的航天器將CMOS圖像傳感器采集的信標光的數據通過激光通信 經光通信面基站發送至地面主控中心。
[0064]本發明所述的在軌空間光通信終端像差補償方法在地面測試模擬階段通過輔助 設備對空間光通信終端中各種可能產生的像差及其對應的光斑質心定位的影響進行模擬 測量，所述的輔助設備包括二維微動平臺、二維微動平臺驅動器、主控計算機、空間光調制 器驅動器、空間光調制器、第二分光棱鏡、波前傳感器、編碼器、平行光管和半導體激光器， 在軌修正階段通過比較地面主控中心接收到的數據與地面測試模擬階段存儲的所有數據， 選擇與在軌的空間光通信終端數據相似的數據作為成像測試結果，根據該結果計算相應的 像差修正參數，實現對空間光通信終端的在軌運行修正，本發明提高了終端角探測精度，由 于角探測精度是靠光斑質心定位精度決定的，達到了保證了空間光通信終在軌運行期間通 信鏈路正常運行的目的。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0065]圖1為在地面測試模擬階段對空間光通信終端進行調整的結構示意圖；
[0066]圖2為空間光通信終端的結構示意圖；
[0067]圖3為對平行光管13進行調試的結構示意圖；
[0068]圖4為空間光通信終端在軌階段與地面通信的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0069]【具體實施方式】一、結合圖1至圖4具體說明本實施方式，本實施方式所述的在軌空 間光通信終端像差補償方法，所述的空間光通信終端包括望遠鏡1、第一分光棱鏡2、整形 透鏡組10和CMOS圖像傳感器11，
[0070]入射至望遠鏡I的光束經壓縮后入射至第一分光棱鏡2，
[0071]經第一分光棱鏡2折射的基準光束經整形透鏡組10入射至CMOS圖像傳感器11，
[0072]該方法包括地面測試模擬階段和在軌修正階段兩個階段；
[0073]所述的地面測試模擬階段包括下述步驟:
[0074]步驟一、采用主控計算機5向編碼器12發送編碼指令，同時控制半導體激光器14 發光，編碼器12為半導體激光器14提供調制信號，所述的半導體激光器14的光纖發射頭 位于平行光管13的焦點上，主控計算機5的圖像信號端連接CMOS圖像傳感器11的圖像信 號端，執行步驟二；
[0075]步驟二、將波前傳感器9放置于平行光管13的出光口，使經平行光管13的原始光 束入射至波前傳感器9表面的探測區域，主控計算機5根據波前傳感器9采集的波形信號 進行測量，獲得原始光束波前像差的澤尼克多項式系數A，并存儲該澤尼克多項式系數A，執行步驟三；
[0076]步驟三、將空間光通信終端的望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準角度為Orad，使經平行光管13的激光入射至望遠鏡I的入光口，執行步驟四；
[0077]步驟四、采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集的基準光圖像信號，將所述的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak，并存儲該光斑質心坐標作為坐標ak， 執行步驟五；
[0078]其中，k表示望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準角度調整的次數，k 的初值為l，k=l，2，……，120 ;ak為第k次調整望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準角度時的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標，
[0079]步驟五、將二維微動平臺3放置在望遠鏡I的出光口，使經望遠鏡I出光口的光束入射至二維微動平臺3，經空間光調制器7入射至第二分光棱鏡8，經第二分光棱鏡8透射的光束入射至波前傳感器9，經第二分光棱鏡8折射的測試光束入射至整形透鏡組10，經整形透鏡組10整形的測試光束入射至CMOS圖像傳感器11，
[0080]采用主控計算機5的微動平臺驅動信號輸出端連接二維微動平臺驅動器4，
[0081]二維微動平臺驅動器4的控制信號輸出端連接二維微動平臺3的控制信號輸入端;
[0082]采用主控計算機5的光調制驅動信號輸出端連接空間光調制器驅動器6的光調制驅動信號輸入端，
[0083]空間光調制器驅動器6的控制信號輸出端連接空間光調制器7的控制信號輸入端，
[0084]執行步驟六；
[0085]步驟六、采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集的測試光束圖像信號，將所述的測試光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak’，調整二維微動平臺3、空間光調制器7、第二分光棱鏡8和整形透鏡組10的位置，使測試光圖像信號的光斑質心坐標ak’與基準光圖像信號的光斑質心坐標ak相同，執行步驟七；
[0086]其中，ak’表示第k次調整望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準角度時的測試光圖像信號的光斑質心坐標，
[0087]步驟七、采用主控計算機5通過控制二維微動平臺驅動器4調整二維微動平臺3， 使二維微動平臺3的工作范圍處于初始位置，
[0088]采用主控計算機5通過控制空間光調制器驅動器6調整空間光調制器7，使空間光調制器7的工作范圍處于初始位置，
[0089]采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集的測試光束的模擬圖像信號，并存儲該光束模擬圖像信號包含的信息，所述的光束模擬圖像信號包含的信息包括光斑成像圖像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，
[0090]采用主控計算機5通過波前傳感器9采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤尼克多項式系數Bkji，
[0091]將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信終端的真實澤尼克多項式系數cWi，并儲存該澤尼克多項式系數ckji，
[0092]執行步驟八；[0093]其中，Bkji表示在第k次調整望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器7或第i次調節二維微動平臺3時的光束質量數據，該光束質量數據作為澤尼克多項式系數；CWi表示在第k次調整望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器7或第i次調節二維微動平臺3時的真實澤尼克多項式系數的初始值為0 ; j的初始值為0 ;二維微動平臺3的工作范圍在X軸和Y 軸圍成的范圍內，X軸和Y軸的范圍均為0 ii m-2 ii m ;二維微動平臺3以IOnm為步進單位進行200次調節，二維微動平臺3的初始位置為X軸一直保持I y m位置，Y軸處于Oym處開始掃描，二維微動平臺3掃描的范圍為-X軸一直保持I y m，Y軸從0 ii m至2 ii m ;空間光調制器7的工作范圍為0灰度值-255灰度值，空間光調制器7以8灰度值為單位步進量進行 32次調節，空間光調制器7的初始位置為0灰度值，
[0094]步驟八、調整二維微動平臺3的傾角，并同時調整空間光調制器7的相位和灰度， 使CMOS圖像傳感器11采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器7和二維微動平臺3補償波前像差，執行步驟九；
[0095]步驟九、采用主控計算機5讀取波前傳感器9采集的波形信號，獲得新的澤尼克多項式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤尼克多項式系數Cwi’，執行步驟十；
[0096]步驟十、判斷步驟九所述的新的澤尼克多項式系數Ck/的系統整體誤差是否大于或等于1/20 A，若是則執行步驟七；若否則執行步驟十一；
[0097]其中，\代表測試過程中使用的激光波長，即為光通信終端信標光的波長，
[0098]步驟--、采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集新的光斑質心坐標
bkji’，并存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟十二 ；
[0099]其中，bkji’表示在第k次調整望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器7或第i次調節二維微動平臺3時的新的光斑質心坐 標，
[0100]步驟十二、采用主控計算機5經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟十一存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的坐標偏移量，所述的坐標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟十三；步驟十三、使二維微動平臺3從當前位置向后調整一個步進單位，令i=i+l，執行步驟十四；
[0101]步驟十四、判斷i是否等于201，若是步驟十六，若否執行步驟十五；
[0102]步驟十五、采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集的測試光束的模擬像差成像圖像，并存儲該光束模擬圖像包含的信息，所述的光束模擬圖像包含的信息包括光斑成像圖像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，
[0103]采用主控計算機5通過波前傳感器9采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤尼克多項式系數BWi，并存儲該澤尼克多項式系數Bkji，
[0104]將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信終端的真實澤尼克多項式系數cWi，并儲存該澤尼克多項式系數ckji，
[0105]執行 步驟十六；
[0106]步驟十六、調整二維微動平臺3的傾角，并同時調整空間光調制器7的相位和灰度，使CMOS圖像傳感器11采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器7和二維微動平臺3補償波前像差，執行步驟十七；[0107]步驟十七、采用主控計算機5讀取波前傳感器9采集的波形信號，獲得新的澤尼克 多項式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤 尼克多項式系數Cwi’，執行步驟十八；
[0108]步驟十八、判斷步驟十七所述的新的澤尼克多項式系數Ckji’的系統整體誤差是否 大于或等于1/20 X，若是則執行步驟十五；若否則執行步驟十九；
[0109]步驟十九、采用主控計算機5讀取CMOS圖像傳感器11采集新的光斑質心坐標 bkji’，并存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟二十；
[0110]步驟二十、采用主控計算機5經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟 十九存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的坐標偏移量，所述的坐 標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟二十一；
[0111]步驟二十一、判斷j是否等于32，若是執行步驟二十三，若否執行步驟二十二 ；
[0112]步驟二十二、使空間光調制器7從當前位置向后調整一個步進單位，令j=j+l， i=0，執行步驟十五；
[0113]步驟二十三、判斷空間光通信終端的望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的 對準角度是否為3mrad，若是將旋轉望遠鏡1，使該望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光 口的對準角度為-3mrad，令k=k+l，執行步驟四；若否執行，步驟二十四；
[0114]步驟二十四、旋轉望遠鏡I，使該望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準 角度從當前位置順時針調整5 u rad,令k=k+l,執行步驟二十五；
[0115]步驟二十五、判斷望遠鏡I的入光口與平行光管13的出光口的對準角度是否為 Omrad，若是執行在軌修正階段，若否執行步驟四；
[0116]在軌修正階段時，空間光通信終端隨航天器15在軌運行，CMOS圖像傳感器11用 于采集信標光的數據，
[0117]在軌修正階段包括下述步驟:
[0118]步驟A、空間光通信終端通過通信通道將CMOS圖像傳感器11采集的信標光的數據 發送至地面主控中心18，執行步驟B ;
[0119]步驟B、地面主控中心根據在軌運行的空間光通信終端發送的數據，對地面測試 模擬階段存儲的所有數據進行查詢，選擇與當前在軌的空間光通信終端數據相似度范圍在 85%至100%中的一組成像測試結果，根據該組成像測試結果計算相應的像差修正參數，執 行步驟C ；
[0120]步驟C、地面主控中心通過通信通道將該像差修正參數發送至在軌的空間光通信 終端，實現對空間光通信終端的在軌運行修正。
[0121]在進行像差補償方法之前，需采用干涉儀和輔助CXD調整半導體激光器14的光纖 發射頭的位置，使半導體激光器14的光纖發射頭放置在平行光管13焦點上。
[0122]在本實施方式的步驟一中，通過平行光管13將半導體激光器14發射的光束整形 為平行光束，在實際應用中空間光通信終端接收的是來自遠場的平行光束，半導體激光器 14發出的光束散角較大，需要通過平行光管13整形后空間光通信終端才能接收。
[0123]【具體實施方式】二、本實施方式與【具體實施方式】一所述的在軌空間光通信終端像差 補償方法的區別在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器15將CMOS圖像傳感器 11采集的信標光的數據通過通信中繼衛星16和通信衛星地面遙測基站19發送至地面主控中心18。
[0124]【具體實施方式】三、本實施方式與【具體實施方式】一所述的在軌空間光通信終端像差 補償方法的區別在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器15將CMOS圖像傳感器 11采集的信標光的數據通過通信衛星地面遙測基站19發送至地面主控中心18。
[0125]【具體實施方式】四、本實施方式與【具體實施方式】一所述的在軌空間光通信終端像差 補償方法的區別在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器15將CMOS圖像傳感器 11采集的信標光的數據通過激光通信經光通信面基站17發送至地面主控中心18。
【權利要求】
1.在軌空間光通信終端像差補償方法，所述的空間光通信終端包括望遠鏡(I)、第一分光棱鏡(2)、整形透鏡組(10)和CMOS圖像傳感器(11)，入射至望遠鏡(I)的光束經壓縮后入射至第一分光棱鏡(2)，經第一分光棱鏡(2 )折射的基準光束經整形透鏡組(10 )入射至CMOS圖像傳感器(11)， 其特征在于:該方法包括地面測試模擬階段和在軌修正階段兩個階段；所述的地面測試模擬階段包括下述步驟:步驟一、采用主控計算機(5)向編碼器(12)發送編碼指令，同時控制半導體激光器(14)發光，編碼器(12)為半導體激光器(14)提供調制信號，所述的半導體激光器(14)的光纖發射頭位于平行光管(13)的焦點上，主控計算機(5)的圖像信號端連接CMOS圖像傳感器(11)的圖像信號端，執行步驟二 ；步驟二、將波前傳感器(9)放置于平行光管(13)的出光口，使經平行光管(13)的原始光束入射至波前傳感器(9)表面的探測區域，主控計算機(5)根據波前傳感器(9)采集的波形信號進行測量，獲得原始光束波前像差的澤尼克多項式系數A，并存儲該澤尼克多項式系數A，執行步驟三；步驟三、將空間光通信終端的望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度為Orad，使經平行光管(13)的激光入射至望遠鏡(I)的入光口，執行步驟四；步驟四、采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集的基準光圖像信號，將所述的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak，并存儲該光·斑質心坐標作為坐標ak， 執行步驟五；其中，k表示望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度調整的次數，k 的初值為l，k=l，2，……，120 ;ak為第k次調整望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度時的基準光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標，步驟五、將二維微動平臺(3)放置在望遠鏡(I)的出光口，使經望遠鏡(I)出光口的光束入射至二維微動平臺(3)，經空間光調制器(7)入射至第二分光棱鏡(8)，經第二分光棱鏡(8)透射的光束入射至波前傳感器(9)，經第二分光棱鏡(8)折射的測試光束入射至整形透鏡組(10)，經整形透鏡組(10)整形的測試光束入射至CMOS圖像傳感器(11)，采用主控計算機(5)的微動平臺驅動信號輸出端連接二維微動平臺驅動器(4)， 二維微動平臺驅動器(4)的控制信號輸出端連接二維微動平臺(3)的控制信號輸入端;采用主控計算機(5)·的光調制驅動信號輸出端連接空間光調制器驅動器(6)的光調制驅動信號輸入端，空間光調制器驅動器(6)的控制信號輸出端連接空間光調制器(7)的控制信號輸入端，執行步驟六；步驟六、采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集的測試光束圖像信號，將所述的測試光束圖像信號的光斑質心坐標作為坐標ak’，調整二維微動平臺(3)、空間光調制器(7)、第二分光棱鏡(8)和整形透鏡組(10)的位置，使測試光圖像信號的光斑質心坐標 ak’與基準光圖像信號的光斑質心坐標ak相同，執行步驟七；其中，ak’表示第k次調整望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度時的測試光圖像信號的光斑質心坐標，步驟七、采用主控計算機(5)通過控制二維微動平臺驅動器(4)調整二維微動平臺(3)，使二維微動平臺(3)的工作范圍處于初始位置，采用主控計算機(5)通過控制空間光調制器驅動器(6)調整空間光調制器(7)，使空間光調制器(7)的工作范圍處于初始位置，采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集的測試光束的模擬圖像信號，并存儲該光束模擬圖像信號包含的信息，所述的光束模擬圖像信號包含的信息包括光斑成像圖像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，采用主控計算機(5)通過波前傳感器(9)采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤尼克多項式系數Bkji，將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信終端的真實澤尼克多項式系數CWi，并儲存該澤尼克多項式系數Ckji，執行步驟八； 其中，Bwi表示在第k次調整望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器(7)或第i次調節二維微動平臺(3)時的光束質量數據，該光束質量數據作為澤尼克多項式系數；CWi表示在第k次調整望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器(7)或第i次調節二維微動平臺(3)時的真實澤尼克多項式系數；i的初始值為0 ;j的初始值為0 ;二維微動平臺(3)的工作范圍在X軸和Y軸圍成的范圍內，X軸和Y軸的范圍均為0 ii m-2 ii m ;二維微動平臺(3)以IOnm 為步進單位進行200次調節，二維微動平臺(3)的初始位置為X軸一直保持I U m位置，Y軸處于0 ii m處開始掃描,二維微動平臺(3)掃描的范圍為:X軸一直保持I ii m, Y軸從0 y m 至2 ii m ;空間光調制器(7)的工作范圍為0灰度值-255灰度值，空間光調制器(7)以8灰度值為單位步進量進行32次調節，空間光調制器(7)的初始位置為0灰度值，步驟八、調整二維微動平臺(3)的傾角，并同時調整空間光調制器(7)的相位和灰度， 使CMOS圖像傳感器(11)采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器(7)和二維微動平臺(3)補償波前像差，執行步驟九；步驟九、采用主控計算機(5)讀取波前傳感器(9)采集的波形信號，獲得新的澤尼克多項式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤尼克多項式系數Cwi’，執行步驟十；步驟十、判斷步驟九所述的新的澤尼克多項式系數Ck/的系統整體誤差是否大于或等于1/20 A，若是則執行步驟七；若否則執行步驟十一；其中，、代表測試過程中使用的激光波長，即為光通信終端信標光的波長，步驟十一、采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集新的光斑質心坐標 bkji’，并存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟十二 ；其中，bkJ, ’表示在第k次調整望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13 )的出光口在對準角度、第j次調節空間光調制器(7)或第i次調節二維微動平臺(3)時的新的光斑質心坐標， 步驟十二、采用主控計算機(5)經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟十一存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的坐標偏移量，所述的坐標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟十三；步驟十三、使二維微動平臺(3)從當前位置向后調整一個步進單位，令i=i+l，執行步驟十四；步驟十四、判斷i是否等于201，若是步驟十六，若否執行步驟十五；步驟十五、采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集的測試光束的模擬像差成像圖像，并存儲該光束模擬圖像包含的信息，所述的光束模擬圖像包含的信息包括光斑成像圖像、光斑質心位置坐標、灰度值、像素和光強最大值，采用主控計算機(5)通過波前傳感器(9)采集光束質量數據，所述的光束質量數據作為澤尼克多項式系數BWi，并存儲該澤尼克多項式系數Bkji，將澤尼克多項式系數A與澤尼克多項式系數Bwi的相同項做差，獲得空間光通信終端的真實澤尼克多項式系數CWi，并儲存該澤尼克多項式系數Ckji，執行步驟十六；步驟十六、調整二維微動平臺(3)的傾角，并同時調整空間光調制器(7)的相位和灰度，使CMOS圖像傳感器(11)采集的測試光的光束產生微擾，即通過空間光調制器(7)和二維微動平臺(3)補償波前像差，執行步驟十七；步驟十七、采用主控計算機(5)讀取波前傳感器(9)采集的波形信號，獲得新的澤尼克多項式系數Bk/，將澤尼克多項式系數A與新的澤尼克多項式系數Bk/做差，獲得新的澤尼克多項式系數Cwi’，執行步驟十八；步驟十八、判斷步驟十七所述的新的澤尼克多項式系數Ck/的系統整體誤差是否大于或等于1/20 X，若是則執行步驟十五；若否則執行步驟十九；步驟十九、采用主控計算機(5)讀取CMOS圖像傳感器(11)采集新的光斑質心坐標 bkji’，并存儲該光斑質心坐標bWi’，執行步驟二十；步驟二十、采用主控計算機(5)經基準光圖像信號的光斑質心坐標ak坐標量與步驟十九存儲的新的光斑質心坐標bkji’的坐標量做差，獲得像差產生的 坐標偏移量，所述的坐標偏移量即為像差修正參數，存儲該像差修正參數，執行步驟二十一；步驟二十一、判斷j是否等于32，若是執行步驟二十三，若否執行步驟二十二 ；步驟二十二、使空間光調制器(7)從當前位置向后調整一個步進單位，令j=j+l，i=0, 執行步驟十五；步驟二十三、判斷空間光通信終端的望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度是否為3mrad，若是將旋轉望遠鏡(I )，使該望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13) 的出光口的對準角度為-3mrad，令k=k+l，執行步驟四；若否執行，步驟二十四；步驟二十四、旋轉望遠鏡(I )，使該望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度從當前位置順時針調整5 ii rad,令k=k+l,執行步驟二十五；步驟二十五、判斷望遠鏡(I)的入光口與平行光管(13)的出光口的對準角度是否為 Omrad，若是執行在軌修正階段，若否執行步驟四；在軌修正階段時，空間光通信終端隨航天器(15)在軌運行，CMOS圖像傳感器(11)用于采集信標光的數據，在軌修正階段包括下述步驟:步驟A、空間光通信終端通過通信通道將CMOS圖像傳感器(11)采集的信標光的數據發送至地面主控中心(18)，執行步驟B ;步驟B、地面主控中心根據在軌運行的空間光通信終端發送的數據，對地面測試模擬階段存儲的所有數據進行查詢，選擇與當前在軌的空間光通信終端數據相似度范圍在85%至 100%中的一組成像測試結果，根據該組成像測試結果計算相應的像差修正參數，執行步驟 C ；步驟C、地面主控中心通過通信通道將該像差修正參數發送至在軌的空間光通信終端， 實現對空間光通信終端的在軌運行修正。
2.根據權利要求1所述的在軌空間光通信終端像差補償方法，其特征在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器(15)將CMOS圖像傳感器(11)采集的信標光的數據通過通信中繼衛星(16)和通信衛星地面遙測基站(19)發送至地面主控中心(18)。
3.根據權利要求1所述的在軌空間光通信終端像差補償方法，其特征在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器(15)將CMOS圖像傳感器(11)采集的信標光的數據通過通信衛星地面遙測基站(19)發送至地面主控中心(18)。
4.根據權利要求1所述的在軌空間光通信終端像差補償方法，其特征在于，所述的通信通道為:攜帶光通信終端的航天器(15)將CMOS圖像傳感器(11)采集的`信標光的數據通過激光通信經光通信面基站(17)發送至地面主控中心(18)。
【文檔編號】H04B10/118GK103441798SQ201310381838
【公開日】2013年12月11日 申請日期:2013年8月28日 優先權日:2013年8月28日
【發明者】于思源, 劉永凱, 胥全春, 趙生, 馬晶, 譚麗英, 俞建杰, 楊清波, 柳青峰, 周彥平 申請人:哈爾濱工業大學