星间激光通信终端高精度动静态测量装置 【技术领域】
本发明涉及星间激光通信，特别是一种星间激光通信终端高精度动静态测量装置，主要用来进行星间激光通信终端精密跟踪性能的模拟测量。
背景技术
星间激光通信中，光束的发散角非常小，通常在微弧度量级，传输距离又长，星间激光通信终端的对准、捕获和跟踪的技术变得日益突出，不精确的光束跟瞄系统将导致接收端信号大量丢失和整个系统性能的严重衰退，因此跟踪瞄准是整个卫星光通信系统设计的关键技术。在进行飞行测试之前，一个非常重要的环节就是在地面对通信终端的动态性能进行精密测量。
同时由于星间激光通信的两个终端之间的距离非常远，为了减少能量在通信链路中的损失，都尽量使光束的发散角小，这就使通信终端的通光口径都比较大。因此需要设计出大通光口径地检测设备来检验星间光通信中的通信终端。在先技术(参见云茂金等专利，申请号：200310108487.7，申请日2003年10月)中提出了利用两个棱镜同轴旋转来实现光束在一个特定的圆锥内的连续两维扫描。其原理见图1，主要的部件包括：01-计算机；02-PID控制器；03-驱动电路；04、05-电机；06-传动机构；07、08-圆形棱镜；09-数据库；010、011-角度传感器。
在先技术解决了光束在较大角度范围内的扫描问题，但由于自身结构固有的机械设计的困难，其传动机构采用了蜗轮蜗杆转动。由于星间光通信的要求，设备的通光口径比较大，这就使该在先技术一般只能够满足毫弧度量级精度的角度标定，要达到微弧度量级精度的难度非常大，即使能够达到也需要很大的代价。
【发明内容】
本发明要解决的问题在于克服上述在先技术的困难，提供一种星间激光通信终端高精度动静态测量装置，它可以对空间光通信终端的动静态性能进行微弧度量级的精密测量，具有精度高、结构简单、加工便利、易于控制的特点。
本发明的设计思想如下：
本发明旋转双棱镜的结构见图3，并且为了加工的方便，所使用两个棱镜的顶角相同。为了分析的方便，首先应该建立坐标系，以第一棱镜的主截面为坐标系的YOZ平面，并且其薄端指向Y轴的负方向；第二棱镜的主截面在XOZ平面内，薄端指向X轴的正方向。第一棱镜绕X轴旋转，第二棱镜绕Y轴旋转，规定逆时针方向为旋转的正方向，转动的角度分别为θ1，θ2。并假设入射光束的单位矢量为：
其中，为入射光线矢量和X轴正方向(即第一棱镜的棱方向)之间的夹角，θ为入射光线矢量在主截面内的分量和Y轴正方向的夹角。根据矢量折射定理，可以推导出入射光束经过第一棱镜和经过第二棱镜后出射光线的单位矢量和两个棱镜旋转角度之间的关系为：
δ1=i1+sin-1(sinαn‾12-sin2i1-cosαsini1)-α;---(3)]]>
δ2=i2+sin-1(sinαn‾22-sin2i2-cosαsini2)-α;---(5)]]>
n12＝n2+(n2-1)ctg2； n22＝n2+(n2-1)ctg2′； (6)
′＝cos-1(sincosθ11)； (7)
θ12＝tg-1(ctg/sinθ11)； (8)
i1=θ-π2-θ1;---(9)]]>
θ11＝θ-δ1； (10)
i2＝θ12+α-θ2； (11)
f＝cos-1(sincos(θ12-δ2))； (12)
θf＝tg-1(ctg′/sin(θ12-δ2))。 (13)
其中，，分别为入射光束经第一棱镜和第二棱镜后的光线矢量，δ1为入射光线在第一棱镜主截面内分量的偏折角，δ2为从第一棱镜的出射光线在第二棱镜主截面内分量的偏折角； n1和 n2为等效折射率。′为入射光线矢量和Y轴正方向(即第二棱镜的棱方向)之间的夹角，θ12为入射光线矢量在主截面内分量和Z轴正方向的夹角，f和θf分别对应出射光束的俯仰角(和坐标系z轴正方向的夹角)和方位角(在yoz平面内的投影和x轴正方向之间的夹角)。
本发明解决问题的技术方案如下：
一种星间激光通信终端高精度动静态测量装置，包括平行光管、光学棱镜以及驱动传动装置，其特征在于所述的光学棱镜以及驱动传动装置的构成是：一计算机内设有第一数据转换程序和第二数据转换程序，该计算机一方面依次通过第一驱动电路、第一步进电机、第一转动机构带动第一光学棱镜旋转；另一方面依次通过第二驱动电路、第二步进电机、第二转动机构带动第二光学棱镜旋转，所述的第一光学棱镜和第二光学棱镜的项角相等，其配置关系是：当第一光学棱镜的主截面为直角坐标系的YOZ平面，薄端指向Y轴的负方向，被第一步进电机驱动绕X轴旋转；第二光学棱镜的主截面在XOZ平面内，薄端指向X轴的正方向，被第二步进电机绕Y轴旋转。
所述的步进电机和转动机构是直接耦合的，
所述的第一光学棱镜和第二光学棱镜均为正方形，边长为500mm，镜顶角均为2°。
利用所述的星间激光通信终端高精度动静态测量装置对星间激光通信终端静态测量的方法，其特征在于包括下列步骤：
第一步，安装并调整待测终端，使平行光管光轴和待测终端的视轴相互对准，这时待测终端跟踪探测器上读出的脱靶信号电压为零；
第二步，固定待测终端不动；
第三步，控制第一光学棱镜和第二光学棱镜旋转，使待测终端的接收光束产生一定的偏转，这时入射光轴和终端的视轴就发生了偏差，达到规定的脱靶量(Δx，Δy)，同时记录跟踪探测器在水平和垂直方向的脱靶信号电压(Ex和Ey)；
第四步，根据第三步得到的结果绘制出跟踪探测器的响应曲线(Δx-Ex，Δy-Ey)，以确定跟踪探测器的响应曲线的线性区域，进而可以选择跟踪探测器的工作范围。
利用所述的星间激光通信终端高精度动静态测量装置对星间激光通信终端动态测量的方法，其特征在于包括下列步骤：
①将所要求的轨迹信息，即出射光线的方位角θf和俯仰角f输入计算机，由计算机根据下列算式进行计算：
δ1=i1+sin-1(sinαn‾12-sin2i1-cosαsini1)-α;---(3)]]>
δ2=i2+sin-1(sinαn‾22-sin2i2-cosαsini2)-α;---(5)]]>
n12＝n2+(n2-1)ctg2； n22＝n2+(n2-1)ctg2′； (6)
′＝cos-1(sincosθ11)； (7)
θ12＝tg-1(ctg/sinθ11)； (8)
i1=θ-π2-θ1;---(9)]]>
θ11＝θ-δ1； (10)
i2＝θ12+α-θ2； (11)
f＝cos-1(sin′cos(θ12-δ2))； (12)
θf＝tg-1(ctg′/sin(θ12-δ2))。 (13)
求得第一光学棱镜需要旋转的角度θ1和第二光学棱镜需要旋转的角度θ2；
②再根据步进电机的步进角α，计算出第一步进电机需要旋转的步数n1＝θ1/α和第二步进电机需要旋转的步数n2＝θ2/α；
③最后由第一、第二驱动电路分别驱动第一、第二步进电机旋转n1，n2步，通过转动机构带动第一光学棱镜和第二光学棱镜旋转，产生所要求的扫描轨迹；
④当被测终端的终端跟踪探测器检测到入射光信号后，开始对入射光束进行闭环跟踪，使光束的光轴和终端的视轴相互对准，由计算机记录跟踪探测器输出的脱靶信号电压，这样就可以检测出终端的动态性能。
根据上述的结果可知当入射光线确定后，通过旋转两个棱镜就可以实现出射光束在一定范围内的扫描。
本发明的特点是：
对棱镜旋转的精度要求相对较低，当棱镜旋转1角分时，光束的偏转角变化在微弧度量级，能够满足星间激光通信终端的静、动态性能的精度要求。实验证明：当步进电机的步长确定后，棱镜的顶角越小，所能实现的定位精度就越高。如当步长为1角分，转动范围为±2°，顶角为2度时，棱镜转角引起光束偏转的最大角度变化率为0.21μrad/arc min，平均角度变化率为0.1μrad/arc min。转动范围为±6°，顶角为6度时，棱镜转角引起光束偏转的最大角度变化率为1.95μrad/arc min，平均角度变化率为0.97μrad/arcmin。在实际应用中，应该根据要求，如角度变化范围、测量精度以及生产成本等各方面综合考虑来确定棱镜的顶角大小，选择合适步长的步进电机和棱镜的旋转范围。
本发明可对空间光通信终端的动静态性能进行微弧度量级的精密测量，具有精度高、结构简单、加工便利、易于控制的特点。
附图说明：
图1为在先技术的旋转双棱镜光束扫描器的原理图。
图2为在先技术的旋转双棱镜光束扫描器中两个旋转棱镜放置的示意图。
图3为本发明星间激光通信终端高精度动静态测量装置中两个旋转棱镜放置的示意图。
图4为本发明装置测量星间激光通信终端高精度动静态的光路结构示意图，图中：1平行光管；2两个光学棱镜以及驱动和传动装置；3待检测的星间光通信终端，4为待检测终端的跟踪探测器。
图5为两棱镜旋转角和光束偏转角之间的关系图。
图6为本发明两个光学棱镜以及驱动和传动装置的数字式控制机构框图，图中：21—第一数据转换程序；22—第二数据转换程序；23—第一驱动电路；24—第二驱动电路；25—第一步进电机；26—第二步进电机；27—第一转动机构；28—第二转动机构；29—第一光学棱镜；210—第二光学棱镜；211—计算机。
图7、图8、图9分别为本发明两个光学棱镜以及驱动和传动装置的机械结构示意图正视图、右视图和俯视图。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图3、图4，图3为本发明星间激光通信终端高精度动静态测量装置中两个旋转棱镜放置的示意图，图4是本发装置对明星间激光通信终端高精度动静态测试的光路示意图，由图中可知，本发明星间激光通信终端高精度动静态测试仪主要包括：平行光管1；两个光学棱镜以及驱动和传动装置2，而3是待检测的星间激光通信终端，4是待检测终端的跟踪探测器。所使用的光学棱镜均为正方形，边长为500mm，棱镜顶角均为2°，驱动机构采用步进电机，因此可以采用数字式开环控制，这就降低了自动控制环节的难度。图6为本发明两个光学棱镜以及驱动和传动装置的数字式控制机构框图。
向计算机211输入要求位置的坐标(x，y)，通过计算机211即可根据方程(1)-(11)式得到第一第二两个棱镜需要旋转的角度θ1和θ2，再计算出第一步进电机25、第二26需要旋转的步数n1和n2，然后由第一驱动电路23、第二驱动电路24驱动相应步进电机转动，直到转动完规定的步数，使棱镜转动到要求位置。
图7、图8、图9分别为本发明两个光学棱镜以及驱动和传动装置的机械结构示意图正视图、右视图和俯视图。本发明采用步进电机和棱镜转动轴之间直接耦合的结构，大大的降低了机械传动误差。为了使本装置的结构更加紧凑，并且保证经过棱镜的出射光束能够照亮整个终端，在安装时应该使平行光管和双棱镜尽可能靠近，根据待测终端的尺寸和转动范围的大小，调整终端和双棱镜之间的距离。
利用本发明可以实现星间激光通信终端高精度静态测试，终端的静态测试主要是当终端保持不动时对测试跟踪探测器的脱靶量对脱靶信号电压响应性能。
利用本发明星间激光通信终端高精度动静态测量装置对星间激光通信终端静态测量的方法，包括下列步骤：
第一步，安装并调整待测终端3，实现平行光管1光轴和待测终端3的视轴相互对准，这时待测终端跟踪探测器4上读出的脱靶信号电压为零；
第二步，固定待测终端3不动；
第三步，控制第一光学棱镜29和第二光学棱镜210旋转，使待测终端3的接收光束产生一定的偏转，这时入射光轴和终端3的视轴就发生了偏差，达到规定的脱靶量(Δx，Δy)，同时记录跟踪探测器4在水平和垂直方向的脱靶信号电压(Ex和Ey)；
第四步，根据第三步得到的结果绘制出跟踪探测器4的响应曲线(Δx-Ex，Δy-Ey)，以确定跟踪探测器4的响应曲线的线性区域，进而可以选择跟踪探测器4的工作范围。
跟踪探测器4的响应曲线反映了脱靶量和跟踪探测器4输出电压信号之间的关系。通过跟踪探测器的响应曲线可以确定它的线性区域，进而可以选择跟踪探测器的工作范围，可为终端的跟踪系统的进一步设计提供依据。
除了能够进行静态测试外，本发明还可用来检测终端的动态性能，即要检测待测终端3在跟踪状态下的剩余偏差，这个偏差信号可以通过跟踪探测器4的剩余脱靶量来表示。平行光管1产生平行光，经过双棱镜系统折射后，由被测终端3的跟踪探测器4接收。
本发明星间激光通信终端高精度动静态测量装置对星间激光通信终端动态测量的方法，包括下列步骤：
①将所要求的轨迹信息，即出射光线的方位角θf和俯仰角f输入计算机211，然后由计算机211根据上述算式1-12式进行计算，求得第一光学棱镜29需要旋转的角度θ1和第二光学棱镜210需要旋转的角度θ2；
②再根据步进电机的步进角α，计算出第一步进电机25需要旋转的步数n1＝θ1/α和第二步进电机26需要旋转的步数n2＝θ2/α；
③最后由第一驱动电路23、第二驱动电路24分别驱动第一、第二步进电机25、26)旋转n1，n2步，通过第一、第二转动机构27、28带动第一光学棱镜29和第二光学棱镜210旋转，产生所要求的扫描轨迹；
④当被测终端3的终端跟踪探测器4检测到入射光信号后，开始对入射光束进行闭环跟踪，使光束的光轴和终端的视轴相互对准，由计算机211记录跟踪探测器4输出的脱靶信号电压，这样就可以检测出终端3的动态性能。
利用本发明可以很方便的设定终端不同的工作方式，并可检测出不同模式下终端的动态性能。
实验证明，本发明对棱镜旋转的精度要求相对较低，当棱镜旋转1角分时，光束的偏转角变化在微弧度量级，能够满足星间激光通信终端的静、动态性能的精度要求。表1列出了对应不同棱镜顶角和旋转范围时棱镜转角的变化率，
表1棱镜顶角(α) 2° 3° 4° 5° 6°棱镜转角引起光束偏转的最大角度变化率0.21μrad/arcmin0.47μrad/arcmin 0.86μrad/arc min 1.21μrad/arc min 1.95μrad/arc min棱镜转角引起光束偏转的平均角度变化率0.1μrad/arcmin0.22μrad/arcmin 0.43μrad/arc min 0.54μrad/arc min 0.97μrad/arc min棱镜转角范围(±θ)2°3° 4° 5° 6°
图5给出了出射光束和棱镜旋转之间的关系。从表中可以看出，当步进电机的步长确定后，棱镜的顶角越小，所能实现的定位精度就越高。如当步长为1角分，转动范围为±2°，顶角为2度时，棱镜转角引起光束偏转的最大角度变化率为0.21μrad/arc min，平均角度变化率为0.1μrad/arc min。转动范围为±6°，顶角为6度时，棱镜转角引起光束偏转的最大角度变化率为1.95μrad/arc min，平均角度变化率为0.97μrad/arc min。在实际应用中，可根据要求，如角度变化范围、测量精度以及生产成本等各方面综合考虑来确定棱镜的顶角大小，选择合适步长的步进电机和棱镜的旋转范围。
本发明能对空间光通信终端的动静态性进行微弧度量级的精密测量，与已有技术相比，具有精度高、结构简单、加工便利、易于控制的特点。