机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法.pdf

本发明涉及一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，属于空间激光通信领域，利用光学天线对机载激光通信系统的激光光束进行缩束；经过液体透镜后，由离焦探测光学模块会聚到图像探测器上，图像探测器判读激光光斑直径，并将激光光斑直径信息传递给系统控制器；系统控制器计算得出激光通信光学系统环境离焦量，进而获得需要液体透镜的补偿量，并将液体透镜的补偿量转化为电控信号，传递给液体透镜，液体透镜接收电控信号，改变曲率半径，进而改变焦距对离焦自适应补偿。相比现有技术，本发明利用系统控制器控制液体透镜动态补偿环境离焦，不需要移动任何光学部件，不仅响应速度快，而且结构易于实现轻小型化。

权利要求书1.  一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，其特征如下：包括以下步骤，步骤一、利用光学天线(1)对机载激光通信系统的激光光束进行缩束，缩束后的激光光束进入光学天线(1)后部沿光轴方向设置的液体透镜(2)，液体透镜(2)通过电控信号控制，连续改变焦距；步骤二、激光光束经过液体透镜(2)后，经第一分光片(6)分光，一路激光光束由离焦探测光学模块(3)会聚到图像探测器(4)上，一路激光光束进入收发子光学系统(7)中的第二分光片(8)，图像探测器(4)判读激光光斑直径，并将激光光斑直径信息传递给系统控制器(5)；步骤三、系统控制器(5)根据激光光斑直径，计算得出激光通信系统环境离焦量，进而获得需要液体透镜(2)的补偿量，并将液体透镜(2)的补偿量转化为电控信号，传递给液体透镜(2)，液体透镜(2)接收电控信号后，改变曲率半径，进而改变焦距对离焦自适应补偿；步骤四、步骤二中所述的收发子光学系统(7)内设有通信发射单元(9)、通信接收单元(10)、信标发射单元(13)、信标接收单元(14)，通信发射单元(9)用于通信激光光束发射，通信接收单元(10)用于通信激光光束接收，信标发射单元(13)用于信标激光光束发射，信标接收单元(14)用于信标激光光束接收，通信激光光束发射与接收、信标激光光束发射与接收均通过液体透镜(2)，并共用光学天线(1)。2.  根据权利要求1所述的机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，其特征在于：所述的离焦探测光学模块(3)和图像探测器(4)位于收发子光学系统(7)中，具体设置于激光光束经分光后的一路子光路中。3.  根据权利要求1所述的机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，其特征在于：所述的离焦探测光学模块(3)和图像探测器(4)位于收发子光学系统(7)中，具体设置于激光光束经第一分光片(6)分光后的信标跟踪子光路中，图像探测器(4)采用信标接收单元(14)中的信标跟踪探测器 。4.  根据权利要求1或3所述的机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，其特征在于：所述的图像探测器(4)采用CCD或CMOS探测器。

说明书机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法
技术领域
本发明属于空间激光通信领域，特别是涉及一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法。
背景技术
对于机载平台的激光通信终端来说，温度引起的材料胀缩、气压引起的空气密度变化、高速飞行引起的气动光学效应，都将导致通信终端中光学系统离焦。在文献“机载激光通信中气动光学的影响及补偿”以及“The aero optics effect on near space laser communication optical system”中提到，可采用固定光学镜组对温度或附面层引起的离焦进行补偿。但该方法仅对某一量级的离焦进行补偿，不能全面的对气压、气动光学效应等其他环境引起的离焦进行实时的动态补偿。申请号为201210445099.7，名称为“基于楔形棱镜补偿光学焦平面的装置”的专利，采用棱镜和透镜组的移动作为执行机构对离焦进行补偿，但这种方法的执行机构体积大、结构复杂，且响应速度较慢。目前还有一种通行方法，即控制移动探测器与光学系统之间的相对位置进行离焦补偿，但该方法结构复杂、精度不易控制。为此需要设计一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，可以对各种环境因素造成的光学系统离焦进行综合动态补偿，提高通信系统响应速度，利于结构轻小型化。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种响应速度快、能够动态补偿各种环境离焦的机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，包括以下步骤，
步骤一、利用光学天线对机载激光通信系统的激光光束进行缩束，缩束后的激光光束进入光学天线后部沿光轴方向设置的液体透镜，液体透镜通过电控信号控制，连续改变焦距；
步骤二、激光光束经过液体透镜后，经第一分光片分光，一路激光光束由离焦探测光学模块会聚到图像探测器上，一路激光光束进入收发子光学系统中 的第二分光片，图像探测器判读激光光斑直径，并将激光光斑直径信息传递给系统控制器；
步骤三、系统控制器根据激光光斑直径，计算得出激光通信系统环境离焦量，进而获得需要液体透镜的补偿量，并将液体透镜的补偿量转化为电控信号，传递给液体透镜，液体透镜接收电控信号后，改变曲率半径，进而改变焦距对离焦自适应补偿；
步骤四、步骤二中所述的收发子光学系统内设有通信发射单元、通信接收单元、信标发射单元、信标接收单元，通信发射单元用于通信激光光束发射，通信接收单元用于通信激光光束接收，信标发射单元用于信标激光光束发射，信标接收单元用于信标激光光束接收，通信激光光束发射与接收、信标激光光束发射与接收均通过液体透镜，并共用光学天线。
所述的离焦探测光学模块和图像探测器位于收发子光学系统中，具体设置于激光光束经分光后的一路子光路中。
所述的离焦探测光学模块和图像探测器位于收发子光学系统中，具体设置于激光光束经第一分光片分光后的信标跟踪子光路中，图像探测器采用信标接收单元中的信标跟踪探测器
所述的图像探测器采用CCD或CMOS探测器。
本发明的有益效果是：
1.本发明利用液体透镜作为离焦补偿执行机构，不需要移动任何光学部件，不仅响应速度快，功耗低，而且结构也易于实现轻小型化，适合机载平台等对终端体积及功耗有较严格要求的应用领域；
2.实现了环境离焦自适应补偿，液体透镜、离焦探测光学模块、图像探测器、系统控制器、液体透镜依次连接，形成一个闭环，整个离焦补偿过程是一个闭环的自适应补偿过程，适合复杂动态环境变化；
3.液体透镜通过电控信号控制，连续改变焦距，误差积累少，因此补偿精度高且易于控制。
附图说明
图1是本发明机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法的原理示意图；
图2是本发明机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法的离焦探测光学 模块位于收发子光学系统中时的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
由图1-图2可知，本发明的一种机载激光通信系统环境离焦自适应补偿方法，包括以下步骤，
步骤一、利用光学天线1对机载激光通信系统的激光光束进行缩束，缩束后的激光光束进入光学天线1后部沿光轴方向设置的液体透镜2，液体透镜2通过电控信号控制，连续改变焦距；
步骤二、激光光束经过液体透镜2后，经第一分光片6分光，一路激光光束由离焦探测光学模块3会聚到图像探测器4上，一路激光光束进入收发子光学系统7中的第二分光片8，图像探测器4判读激光光斑直径，并将激光光斑直径信息传递给系统控制器5；
步骤三、系统控制器5根据激光光斑直径，计算得出激光通信系统环境离焦量，进而获得需要液体透镜2的补偿量，并将液体透镜2的补偿量转化为电控信号，传递给液体透镜2，液体透镜2接收电控信号后，改变曲率半径，进而改变焦距对离焦自适应补偿；
步骤四、步骤二中所述的收发子光学系统7内设有通信发射单元9、通信接收单元10、信标发射单元13、信标接收单元14，通信发射单元9用于通信激光光束发射，通信接收单元10用于通信激光光束接收，信标发射单元13用于信标激光光束发射，信标接收单元14用于信标激光光束接收，通信激光光束发射与接收、信标激光光束发射与接收均通过液体透镜2，并共用光学天线1。
所述的离焦探测光学模块3和图像探测器4位于收发子光学系统7中，具体设置于激光光束经分光后的一路子光路中。
所述的离焦探测光学模块3和图像探测器4位于收发子光学系统7中，具体设置于激光光束经第一分光片6分光后的信标跟踪子光路中，图像探测器4采用信标接收单元14中的信标跟踪探测器
所述的图像探测器4采用CCD或CMOS探测器。
当机载平台的工作环境，如温度、气压、气动光学效应等变化，会引起通信系统环境离焦，此时离焦探测光学模块3会聚到图像探测器4上的激光光斑 就会发生弥散，激光光斑直径会发生变化，图像探测器4将激光光斑直径信息传递给系统控制器5，系统控制器5会根据激光光斑直径信息，计算得出激光通信光学系统环境离焦量，进而获得需要液体透镜2的补偿量，补偿量以电控信号的形式传递给液体透镜2，液体透镜2改变焦距对环境离焦进行补偿，进而又影响激光光斑直径，图像探测器4接着将激光光斑直径信息传递给系统控制器5，由此整个过程构成一个闭环的自适应补偿过程。通信激光光束发射与接收、信标激光光束发射与接收均通过液体透镜2，并共用光学天线1，由于液体透镜对高阶像差的校正效果好，因此能够有效的提高系统的激光信号分辨率，进而提高补偿精度。
如图1所示，对于典型空间激光通信的收发子光学系统7包括通信发射单元9、通信接收单元10、信标发射单元13、信标接收单元14、第二分光片8、第三分光片11和第四分光片12。其中通信发射单元9和通信接收单元10分别位于第三分光片11的两个分光子光路中；信标发射单元13和信标接收单元14分别位于第四分光片12的两个分光子光路中；第三分光片11和第四分光片12又分别位于第二分光片8的两个分光子光路中。在两个通信终端进行激光通信的整个过程中，终端首先进行信标激光光束的发射同时接收对方的信标激光光束，用于指引彼此的位置。在精确确定对方位置并保证稳定跟踪的情况下，通信终端发射通信激光光束，同时接收对方的通信激光光束，进行双工通信。信标发射单元13用于整个通信过程中的信标激光光束的发射，信标接收单元14用于信标激光光束的接收探测，通信发射单元9用于通信激光光束发射，通信接收单元10用于通信激光光束接收。
离焦探测光学模块3及图像探测器4可以是单独的一个模块，如图1所示，也可以置于收发子光学系统7中，如图2所示，离焦探测光学模块3位于收发子光学系统7中，收发子光学系统7包含很多具有不同作用的子光路，如第四分光片12分光后的信标发射子光路和信标跟踪子光路，而信标发射单元13位于信标发射子光路中，信标接收单元14位于信标跟踪子光路中，信标跟踪子光路中，作为优选，离焦探测光学模块3及图像探测器4可以设置于激光光束经分光后的信标跟踪子光路中，此时采用信标接收单元14中的信标跟踪探测器作为图像探测器4，这样信标跟踪子光路在对激光光斑脱靶量进行记录、实现信标 探测的同时，可判读激光光斑直径，实现离焦量的探测，二者兼顾，使得系统总体的结构简化，同时信标跟踪子光路和收发子光学系统7的其他子光路相比，往往焦距较长，因此对离焦变化较为敏感，实现离焦量探测的灵敏度较高。