專利名稱：一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種基于四象限探測器的光學精密傾斜跟蹤探測器，特別是^種可以應用在 星-地光通信中具有大動態(tài)范圍、高探測精度和高幀頻特點的一種基于雙四象限探測器的光 學精密跟蹤探測器。
技術背景星-地光通信是指利用激光束為載體，建立衛(wèi)星與地面間的光通信鏈路。與目前普遍采 用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系統(tǒng)尺寸和重量小、保密性強、電磁干 擾少和頻帶寬等優(yōu)點。因此，許多國家都投入了巨大的財力、人力和物力進行星-地光通信 的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系統(tǒng)成功地完成星-地間激光通信試驗， 證明了星-地間激光通信的可行性。美國的噴氣動力實驗室JPL (Jet Propulsion Lab)研制 的星-地光通信演示機0CD (Optical Communications Demonstrator)數(shù)據(jù)傳輸率可達 250Mbps，美國彈道導彈防御組織于空間和導彈防御司令部共同資助的STRV2星-地激光通信 計劃預計在低軌道衛(wèi)星與固定地面站之間建立距離為2000km，數(shù)據(jù)傳輸率為1Gbps的光通信 鏈路。歐洲的歐空局ESA研制的GEO衛(wèi)星AREMIS于2000年發(fā)射，其中的一條光鏈路可以實 現(xiàn)衛(wèi)星與位于Canary島的地面站間之間的通信。ATP (Acquisition, Tracking, Pointing)技術是星-地光通信中需要突破的核心技術 之一，ATP系統(tǒng)由傾斜跟蹤器、控制單元和驅動單元組成。系統(tǒng)在工作時，傾斜跟蹤探測器 能夠實時地為控制單元提供目標波前的傾斜量，控制單元根據(jù)目標波前的傾斜量計算出需要 加載到驅動單元上的電壓量，驅動單元在電壓的作用下旋轉一定的角度和方向，從而使系統(tǒng) 的入瞳能夠實時地對準移動中的被測目標(參見"光學瞄準及自動跟蹤系統(tǒng)設計"，夏江濤， 電光與控制，第16巻5期，第74頁-77頁，2009年5月)。在星-地光通信的ATP系統(tǒng)中，由于光傳輸需要經(jīng)過大氣這一隨機信道，受大氣湍流低 階相差和衛(wèi)星運動的影響，到達系統(tǒng)的光斑會大范圍地隨機抖動(參見"背景光及大氣湍流 對空地激光通信接收光斑產生的影響"，李曉峰，胡渝，無線光通信，第22頁-24頁，2004 年10期)，同時，在星-地光通信中，受到航天器載重的影響，衛(wèi)星上激光信號的發(fā)射功率 有限，經(jīng)長距離的大氣傳輸后，大氣會散射和吸收掉大部分光能量(參見"空-地光通信系 統(tǒng)的方案設計和關鍵技術分解及信道仿真"，劉淑華，電子科技大學碩士學位論文，2002年)， 為了保證星-地光通信鏈路的暢通，ATP系統(tǒng)中目標波前傾斜量的提供單元一傾斜跟蹤探測器必須具有大動態(tài)范圍、高探測精度、高靈敏度和高幀頻等特點。傾斜跟蹤探測器一般由成像透鏡、光電轉換器件和波前傾斜處理機組成。來自目標的光 信號經(jīng)成像透鏡匯集后投射在光電轉換器件的光敏面上形成目標光斑，當目標波前傾斜量改 變時，目標光斑在光電轉換器件的光敏面上移動，光敏面上光能量分布改變，這時，波前傾 斜處理機可以根據(jù)光電轉換器件輸出的光電信號來計算出目標光斑的質心位置，從而解算出 目標波前的傾斜量。光電轉換器件目前多采用CCD相機、CMOS相機或四象限探測器，其中 CCD相機的低讀出幀頻的缺點限制了其在高幀頻探測中的應用；CMOS相機的大噪聲和低光敏 感度等缺點限制了其在弱光探測中的應用；而四象限探測器光敏面僅有四個象限，受死區(qū)的 影響，無法同時實現(xiàn)大動態(tài)范圍和高精度的探測(參見"光子計數(shù)式光電倍增管四象限型和 弱光像增強CCD跟蹤系統(tǒng)的性能比較"，饒長輝，張學軍，姜文漢，湯國茂，光學學報，第 22巻1期，第67頁-73頁，2002年l期)。為了保證星-地光通信中ATP系統(tǒng)的傾斜跟蹤探測器系統(tǒng)的大動態(tài)范圍、高探測精度、 高靈敏度和高幀頻等要求，目前多采用建立兩套獨立的基于四象限探測器的傾斜跟蹤探測器 的方案 一套傾斜跟蹤探測器用于保證傾斜跟蹤探測的動態(tài)范圍，適用于粗跟蹤；另一套傾 斜跟蹤探測器用于保證傾斜跟蹤探測的精度，適用于粗跟蹤定位后的精細跟蹤。然而，兩套 獨立的傾斜跟蹤探測器需要輸入兩路光信號，降低了單套傾斜跟蹤探測器的信噪比；并且當 將兩套獨立的傾斜跟蹤探測器用于ATP系統(tǒng)時，控制單元的波前傾斜信號需要在兩套傾斜跟 蹤探測器中切換，增加了ATP系統(tǒng)控制單元的復雜度(參見"空間光通信鏈路光束捕獲、對 準、跟蹤技術及數(shù)字化仿真"，劉淑華，電子科技大學碩士學位論文，2002年)。為了提高星-地光通信中ATP系統(tǒng)的靈敏度、降低ATP系統(tǒng)控制單元的復雜度，如何將 兩套獨立的基于四象限探測器的傾斜跟蹤探測器整合到一起，僅輸入單路光信號，就能實現(xiàn) 大動態(tài)范圍、高探測精度、高靈敏度和高幀頻地檢測目標波前的傾斜量，為星-地光通信中 ATP系統(tǒng)的傾斜跟蹤探測器提供核心解決方案，就成了一個很重要的研究課題。 發(fā)明內容本發(fā)明要解決的技術問題是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種具有大動態(tài)范圍、高探測 精度的光學精密跟蹤探測器。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是 一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器，其特征在于包括成像透鏡、中心開孔的全反射鏡、動態(tài)范圍匹配透鏡、精度匹配 透鏡、動態(tài)范圍四象限探測器和精度四象限探測器，成像透鏡、動態(tài)范圍匹配透鏡和動態(tài)范 圍四象限探測器構成了動態(tài)范圍波面傾斜探測單元成像透鏡、精度匹配透鏡和精度四象限探 測器構成了精度波面傾斜探測單元，動態(tài)范圍波面傾斜探測單元和高精度波面傾斜探測單元通過中心開孔的全反射鏡結合在一起，當目標波前的傾斜角大于精度四象限探測器的動態(tài)范 圍時，目標波前通過成像透鏡形成的光斑會被中心開孔的全反射鏡反射后經(jīng)動態(tài)范圍匹配透 鏡耦合進入動態(tài)范圍四象限探測器中探測波面傾斜的方向，當目標波前的傾斜角小于精度四 象限探測器的動態(tài)范圍時，目標波前通過成像透鏡形成的光斑通過中心開孔的全反射鏡的中 心小孔后經(jīng)精度匹配透鏡耦合進入精度四象限探測器中探測波面傾斜的精確角度，傾斜跟蹤 探測器處理機利用嵌套四象限光斑質心算法將動態(tài)范圍四象限探測器和精度四象限探測器 的輸出信號復原為目標波前的傾斜方向或傾斜角度。所述的中心開孔的全反射鏡的中心與成像透鏡的焦點重合；反射面與成像透鏡的焦面 成45。夾角。所述的嵌套四象限光斑質心(&,凡)算法的計算公式為-x — "+z、+^+0 — (^+4+^+0). — (W+VO-(A+"A + 0,艾卞v"々和cA+/, +/4+Z'4+/2+/2+/3+/3 cA+/4+/4+/2+~+/3+Z'3 ,，'1pH!、分別是動態(tài)范圍四象限探測器和精度四象限探測器各個象限的輸出信號，目標波前 在,方向的傾斜角度或傾斜方向^和y方向上的傾斜角度或傾斜方向A的計算公式分別為<formula>formula see original document page 5</formula>，其中/是成像透鏡的焦距，當^e.(-l,+0時，a表示目標波前在x軸方向上的傾斜角度，當氣=±1時，^的正負對應于目標波前在x軸上的傾 斜方向的正負；同理，當凡e(-l，+l)時，^的表示目標波前在y軸方向上的傾斜角度，當 乂=±1時， 的正負對應于目標波前在y軸方向上的傾斜方向的正負。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比有如下優(yōu)點(1) 傳統(tǒng)的傾斜跟蹤探測器受光電轉換器件的限制，無法滿足星-地光通信中波前傾斜 探測器必須具有大動態(tài)范圍、高探測精度、高靈敏度和高幀頻等特點，如果采用兩套獨立的 傾斜跟蹤探測器，需要輸入兩路光信號，降低了每套傾斜跟蹤探測器的信噪比，并且增加了 傾斜跟蹤探測計算的復雜度，本發(fā)明利用一中心開孔的全反射鏡將大動態(tài)范圍的傾斜跟蹤探 測單元和高精度傾斜跟蹤探測單元結合在一起，僅輸入單路光信號，就能實現(xiàn)當目標波前的傾斜較大時，大動態(tài)范圍地探測目標波前的傾斜方向；當目標波前的傾斜較小時，高精度地 探測目標波前的傾斜角度，同時四象限探測器保證了傾斜跟蹤探測器的高靈敏度和高精度的 特點。(2) 本發(fā)明利用嵌套的四象限探測器模擬裝置中兩個四象限探測器的輸出結果，嵌套的 四象限探測器的每個象限的輸出為兩個四象限探測器相對應象限的輸出之和，與建立兩套傾斜跟蹤探測器的波前傾斜算法相比，本發(fā)明的波前傾斜算法簡單，所以當該傾斜跟蹤探測器 用于ATP系統(tǒng)時，可以降低系統(tǒng)的復雜度，有利于進一步提高ATP系統(tǒng)跟蹤的頻率和精度。


圖l為本發(fā)明示意圖；圖2為本發(fā)明中利用嵌套四象限探測器模擬兩個四象限探測器輸出示意閣; 圖3為焦面處光斑位置示意圖；圖4為本發(fā)明實施例中傾斜跟蹤探測器的探測誤差曲線圖(四象限探測器的量子效率是 15%)。圖中1:成像透鏡，2:動態(tài)范圍四象限探測器，3:動態(tài)范圍匹配透鏡，4:中心開 孔的全反射鏡，5:精度匹配透鏡，6:精度四象限探測器，7:目標波前傾斜角小于精度四 象限探測器的動態(tài)范圍時經(jīng)成像透鏡后形成的光斑，8:成像透鏡的焦平面，9:目標波前傾 斜角大于精度四象限探測器的動態(tài)范圍時經(jīng)成像透鏡后形成的光斑，10:反射光束形成的光 斑，11:目標波前，12:傾斜跟蹤探測器處理機，13:精度四象限探測器光敏面上的光斑， 14:動態(tài)范圍四象限探測器光敏面上的光斑。
具體實施方式
本發(fā)明包括成像透鏡1、動態(tài)范圍四象限探測器2、動態(tài)范圍匹配透鏡3、中心開孔的 全反射鏡4、精度匹配透鏡5、精度四象限探測器6。其中，動態(tài)范圍四象限探測器2和精度 四象限探測器6可以釆用靶面與死區(qū)寬度較大.的基于APD的四象限探測器，以提高對弱光的 響應能力；而中心開孔的全反射鏡4的制作方法是先利用超聲波打孔技術在玻璃基板上打好 符合要求的小孔，再對玻璃基板鍍反射膜。成像透鏡1、動態(tài)范圍四象限探測器2、動態(tài)范 圍匹配透鏡3組成動態(tài)范圍波面傾斜探測單元；成像透鏡1、精度匹配透鏡5、精度四象限 探測器6組成精度波面傾斜探測單元。當目標波前11在透過成像透鏡1后，其成像光斑會偏離焦點。本發(fā)明正是利用當目標波前11傾斜角大于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時經(jīng)成像透鏡1后形成的光斑9會比當目標波前傾斜角小于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時經(jīng)成像透鏡后形成的光斑7更加遠離焦點的特性，在成像透鏡1的焦點處放置一中心開孔的全反射鏡4，中心開孔的全反射鏡4的中心與成像透鏡1的焦點重合，中心開孔的全反射鏡4的反射面與成像透鏡的焦平面8成45°夾角。當目標波前11傾斜角大于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時，匯聚到成像光斑9的光束就會被中心開孔的全反射鏡4的反射面反射，形成實光斑或虛光斑IO，光斑10由動態(tài)范圍匹配透鏡3耦合進入動態(tài)范圍四象限探測器2中探測目標波前11傾斜的方向目標波前11傾斜角小于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時，匯聚到成像光斑7的光束會通過中心開孔的全反射鏡4的中心小孔，光斑7由精度匹配透鏡5耦合進入精度四象限探測器6中精 確地探測目標波前11的傾斜角度。精度匹配透鏡5的作用是將目標波前傾斜角小于精度四象限探測器的動態(tài)范圍時經(jīng)成 像透鏡后形成的光斑7放大，以減少精度四象限探測器6的死區(qū)對探測精度的影響，保證精 度四象限探測器6對目標波前11的高精度探測。動態(tài)范圍匹配透鏡3的作用是將中心開孔的全反射鏡4的反射光束耦合進入動態(tài)范圍四 象限探測器2的光敏面內，動態(tài)范圍四象限探測器2可以稍微離開動態(tài)范圍匹配透鏡3的成 像面，從而增大動態(tài)范圍四象限探測器2光敏面上的光斑14的直徑，減少動態(tài)范圍四象限 探測器2的死區(qū)對探測精度的影響。由于該傾斜跟蹤探測器的光路參數(shù)在x和y方向上完全相同，所以本實施例只討論波前 傾斜在x方向上的情況，y方向的情況于此類似。由于是基于四象限探測器的傾斜跟蹤探測，當把兩個單獨的四象限探測器看作嵌套四象 限探測器時(如圖2所示)，在x方向上光斑質心;c。的計算公式為<formula>formula see original document page 7</formula> (1)
/i,/2，/3,人和/一、，/^4分別是動態(tài)范圍四象限探測器2和精度四象限探測器各個象限6 的輸出信號(如圖2所示)。在X軸方向上目標波前.11的傾系4角度或傾斜方向《的計算公式為<formula>formula see original document page 7</formula>(2)其中/是成像透鏡的焦距。注意，當目標波前11傾斜角大于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時，成像光斑會集中 在x軸的正半軸或負半軸，則Xe-l或A--1，所以此時^的值只能指出目標波前11的傾 斜方向；當目標波前11傾斜角大于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時，成像光斑會橫跨x軸的正半軸和負半軸，此時可以得出帶有探測誤差的目標波前l(fā)l的傾斜角A。由于精度四象限探測器6的光敏面存在著死區(qū)，為了保證質心探測的精度，在精度四象限探測器光敏面上的光斑13的高斯寬度必須大于死區(qū)寬度，高斯寬度的計算公式為<formula>formula see original document page 7</formula>(3)其中，it是一個正常數(shù)，當成像透鏡1光瞳為圓孔時& = 0.431，當成像透鏡l光瞳為方孔時* = 0.353; d是成像透鏡l的通光口徑；/l是進入系統(tǒng)光波的平均波長。動態(tài)范圍四象限探測器2可以稍微離開動態(tài)范圍匹配透鏡3的成像面，從而加大動態(tài)范圍四象限探測器光敏面上的光斑14的直徑，減少死區(qū)對探測精度的影響。當目標波前11傾斜角小于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時；成像光斑相對干焦點的位移由精度四象限探測器6探測，此時的波前傾斜角探測誤差五,的計算公式為五,1^丄1 (4) e 16 5TW ^其中，SA^y表示系統(tǒng)的信噪比，當系統(tǒng)只存在光子噪聲時，SV7 V=7^; c/是成像透鏡l的通光口徑；I是進入系統(tǒng)光波的平均波長。當目標波前11傾斜角大于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時經(jīng)成像透鏡1后形成的光 斑9相對于焦點的位移的方向由動態(tài)范圍四象限探測器2探測，此時成像光斑完全處于x軸 的正半軸或負半軸(如圖3所示)，波前傾斜的探測誤差為0。當精度四象限探測器6和動態(tài)范圍四象限探測器2的光敏面邊長都是18ram、成像透鏡1 的通光口徑是50mm、成像透鏡1的焦距是3000mm、精度匹配透鏡5的放大率是12倍、動態(tài) 范圍匹配透鏡3的縮小率是22倍和精度四象限探測器6處光斑的高斯寬度為0. 5mm時，該 傾斜跟蹤探測器的動態(tài)范圍為[-4°,44°]。圖4是當目標波前11傾斜角小于精度四象限探測器6的動態(tài)范圍時，該波面傾斜探測器的探測誤差曲線，可以看出，當?shù)竭_光子數(shù)為10000， 精度四象限探測器6的量子效率為15%時，波面傾斜的探測誤差約0. 035角秒。從本實施例可以看出，本發(fā)明傾斜跟蹤探測器的確實能夠在保證大動態(tài)范圍地探測目標 波前傾斜方向的條件下高精度地探測接近平面波的弱光波前的傾斜角度。本發(fā)明未詳細闡述的內容為本領域技術人員的公知常識。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說， 在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發(fā) 明的保護范圍。
權利要求
1、一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器，其特征在于包括成像透鏡(1)、中心開孔的全反射鏡(4)、動態(tài)范圍匹配透鏡(3)、精度匹配透鏡(5)、動態(tài)范圍四象限探測器(2)和精度四象限探測器(6)，成像透鏡(1)、動態(tài)范圍匹配透鏡(3)和動態(tài)范圍四象限探測器(2)構成了動態(tài)范圍波面傾斜探測單元，成像透鏡(1)、精度匹配透鏡(5)和精度四象限探測器(6)構成了精度波面傾斜探測單元，動態(tài)范圍波面傾斜探測單元和精度波面傾斜探測單元通過中心開孔的全反射鏡(4)結合在一起，當目標波前(11)的傾斜角大于精度四象限探測器(6)的動態(tài)范圍時，目標波前(11)通過成像透鏡(1)形成的光斑(9)被中心開孔的全反射鏡(4)反射后經(jīng)動態(tài)范圍匹配透鏡(3)耦合進入動態(tài)范圍四象限探測器(2)中探測波面傾斜的方向，當目標波前(11)的傾斜角小于精度四象限探測器(6)的動態(tài)范圍時，目標波前(11)通過成像透鏡(1)形成的光斑(7)通過中心開孔的全反射鏡(4)的中心小孔后經(jīng)精度匹配透鏡(5)耦合進入精度四象限探測器(6)中探測波面傾斜的精確角度，傾斜跟蹤探測器處理機(12)利用嵌套四象限光斑質心算法將動態(tài)范圍四象限探測器(2)和精度四象限探測器(6)的輸出信號復原為目標波前(11)的傾斜方向或傾斜角度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器，其特征在于所述的中心開孔的全反射鏡(4)的中心與成像透鏡(1)的焦點重合；中心開孔的全反射鏡(4)的反射面與成像透鏡(1)的焦面(8)成45°夾角。
3、 根據(jù)權利要求1所述的一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器，其特征在于所述的嵌套四象限光斑質心(x"K)算法的計算公式為-<formula>formula see original document page 2</formula>和Zp^/^;分別是動態(tài)范圍四象限探測器(2)和精度四象限探測器(6)各個象限的輸出信號，目標波前(11)在7方向的傾斜角度或傾斜方向A和y方向上的傾斜角度或傾斜方向 的計算公式分別為<formula>formula see original document page 2</formula>，其中/是成像透鏡(i)的焦距，當^e(-l,+l)時，",表示目標波前(ll)在x軸方向上的傾斜角度，當&=±1時，"工的正負對應于目標波前(ll)在x軸上的傾斜方向的正負；同理，當義e(-1,+1)吋，^的表示目標波前(ll)在y軸方向上的傾斜角度，當義=±1時， 的正負對應于目標波前(11)在y軸方向上的傾斜方向的正負。
全文摘要
一種基于雙四象限探測器的光學精密跟蹤探測器，包括成像透鏡、中心開孔的全反射鏡、動態(tài)范圍匹配透鏡、精度匹配透鏡、動態(tài)范圍四象限探測器和精度四象限探測器，其特征在于通過中心開孔的全反射鏡將大動態(tài)范圍波面傾斜探測單元和高精度波面傾斜探測單元結合在一起，傾斜跟蹤探測器處理機利用嵌套四象限光斑質心算法直接復原出目標波前的傾斜角度或傾斜方向。本發(fā)明只需要一路光輸入就能實現(xiàn)大動態(tài)范圍和高精度地探測目標波前，與傳統(tǒng)的采用兩套傾斜跟蹤探測器的方案相比，提高了信噪比、簡化了系統(tǒng)結構，并且波前傾斜復原算法簡單，工藝上容易實現(xiàn)，為高精度、高幀頻地探測弱目標波前傾斜提供了條件。
文檔編號G01C9/00GK101672641SQ20091009336
公開日2010年3月17日 申請日期2009年9月18日 優(yōu)先權日2009年9月18日
發(fā)明者樊志華, 軼 鄭, 饒長輝, 馬曉燠 申請人:中國科學院光電技術研究所