高轨卫星星地激光远场分布测试方法技术领域
本发明涉及星地激光通信领域。
背景技术
空间光通信系统中，光束的远场传输特性是一个重要的问题。尤其当光束经过大气等介
质信道时，受到了空间条件的约束，对其远场分布将会产生严重影响。对于星地激光通信等
链路，光束将在自由空间(真空)与约束空间之间进行超长距离的传输，其远场分布特性的
研究非常重要。对高轨卫星星地激光远场分布测试十分重要，目前尚没有十分有效的测试手
段，本方法主要是解决星地激光通信光信号传输四万两千公里后的光场分布测试难题。
发明内容
本发明针对空间激光通信光场分布特点，目的是完成对孔径受限系统极远光场分布特性
测试和微畸变光场的极远距离传输及分布特性测试，提出了高轨卫星星地激光远场分布测试
方法。
该方法主要解决以下两方面问题：
1)孔径受限系统极远光场分布特性测试。实际的空间光通信中的发射系统都是孔径受限
系统。经过孔径受限系统的发射光束传输到极远距离后的光场分布特性，是卫星光通信以及
深空光通信中必须要深入掌握的数据。
2)微畸变光场的极远距离传输及分布特性测试。空间光通信系统中，光学系统和光源等
的缺陷都会导致发射光场产生微小畸变。微畸变的光场在极远距离传输过程中的传输特性和
分布特性，对空间光通信系统优化设计具有重要意义。
高轨卫星星地激光远场分布测试方法，该方法是基于高轨卫星星地激光远场分布测试装
置实现的，该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4；
望远镜1安装在转台3上，且随转台3移动；相机2安装在望远镜1的物镜上；转台3
的转动信号输入输出端连接计算机4的转动信号输出输入端；相机2的拍照信号输入输出端
连接计算机4的拍照信号输出输入端；该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4；
该方法包括下述步骤：
步骤一、计算机4向转台3发送控制指令，使控制转台3移动到指定方位、指定俯仰角
度，对高轨卫星进行提前预瞄准；
步骤二、计算机4持续读取相机2中的光斑信息，并根据光斑信息计算过阈像素数和光
斑信息的灰度质心坐标；
步骤二中计算机4根据光斑信息计算过阈像素数的具体过程如下；
设定光斑信息的光斑像素指定阈值d，将光斑信息的光斑像素灰度值与光斑信息的光斑
像素指定阈值d进行比较；
若光斑信息的光斑像素灰度值>光斑信息的光斑像素指定阈值d，则计数一次；
若光斑信息的光斑像素灰度值≤光斑信息的光斑像素指定阈值d，则不计数；
对光斑信息的光斑像素灰度值>光斑信息的光斑像素指定阈值d的计数数目进行求和统计，
获得的总的计数数目，即为过域像素数；
步骤二中计算机4根据光斑信息计算光斑信息的灰度质心坐标的具体过程如下；
设定光斑信息的大小为M1×M2维图像，第m1行m2列像元坐标记为(xm1,ym2)；M1×M2
维图像由m1行m2列像元构成；m1和m2均为整数；
其中，I(xm1,ym2)表示像元的质量密度，即图像上x、y处像素点的灰度值；x、y值均为
整数；
则光斑总能量Wm的表达式为：
W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
光斑信息的质心坐标的表达式(xc，yc)为：
x c = Σ x I W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 x m 1 I ( x m 1 , y m 2 ) Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) y c = Σ y I W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 y m 2 I ( x m 1 , y m 2 ) Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) - - - ( 2 ) ; ]]>
步骤三、计算机4读取转台3的当前方位和俯仰角度，并且计算机4控制转台3采用螺
旋扫描方式扫描高轨卫星，并计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫星，若
是，则执行步骤四；若否，则返回步骤一；
步骤三中的计算机4控制转台3采用螺旋扫描方式扫描高轨卫星，即采用等线速的方式
从初始瞄准点开始螺旋向外侧进行扫描，具体过程如下：
步骤三一、以初始瞄准点作为坐标原点(0,0)建立极坐标系；螺旋扫描曲线可表示为：
r = I θ 2 π θ - - - ( 3 ) ]]>
式中，r——极坐标半径变量；θ——极坐标角变量；Iθ——扫描步长；
步骤三二、从初始瞄准点(0,0)到任意点(r,θ)的扫描时间近似表达为：
T ( r ) = πr 2 I θ 2 Δ t - - - ( 4 ) ]]>
式中，△t——每步停留时间，其大小取决于扫描模式，任意点(r,θ)即为高轨卫星的坐标；
步骤三中计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫星，若是，则执行步骤
四；若否，则返回步骤一；
若过阈像素数﹥4，表示转台3捕获到高轨卫星；
若过阈像素数≤3，表示转台3未捕获到高轨卫星；
步骤四、计算机4根据步骤二获得的光斑信息的灰度质心坐标持续反馈控制转台3移动，
完成高轨卫星闭环跟踪，即获得高轨卫星星地激光远场分布测试。
本发明所述的方法及所使用的装置，完成高轨卫星的捕捉，实时积累实测数据，为空间
光通信系统的设计提供依据。
有益效果：高轨卫星星地激光远场分布测试方法基于高轨卫星星地激光远场分布测试装
置实现，该装置的特点是光端机并不需要信号发射单元，只需要信号接收单元即可。为使结
构简便零巧，接收单元仅有信标组件，这将大大降低空间激光通信光端机系统的性能要求，
且装置具有轻小型化、便携性，可研制多套装置在不同地点进行测试。
高轨卫星星地激光远场分布测试方法，首先计算机控制转台使转台上的望远镜对高轨卫
星进行预瞄准，然后望远镜上的相机实时记录高轨卫星星地激光远场分布的光斑信息，计算
机实时读取相机中的光斑信息，并根据光斑信息计算过域像素数和光斑信息的灰度质心坐标，
计算机采用螺旋扫描方定位高轨卫星的位置，然后计算机根据过阈像素数判断转台是否捕获
到高轨卫星，若转台捕获到高轨卫星，则通过计算机控制转台移动，实现准确捕获，完成高
轨卫星的闭环实时跟踪。
本发明适用于星地激光分布测试。
附图说明
图1为高轨卫星星地激光远场分布测试方法的流程图；
图2为高轨卫星星地激光远场分布测试装置的结构示意图；
图3为螺旋扫描方式示意图；
图4为高轨卫星星地激光远场分布测试装置结合高轨星地激光链路系统进行激光远场分
布的数据采集试验分析原理图。
具体实施方式
具体实施方式一、参照图1和图2具体说明本实施方式，本实施方式所述的高轨卫星星
地激光远场分布测试方法，该方法是基于高轨卫星星地激光远场分布测试装置实现的，高轨
卫星星地激光远场分布测试装置，该装置包括望远镜1、相机2、转台3和计算机4；
望远镜1安装在转台3上，且随转台3移动；相机2安装在望远镜1的物镜上；转台3
的转动信号输入输出端连接计算机4的转动信号输出输入端；相机2的拍照信号输入输出端
连接计算机4的拍照信号输出输入端；
该方法包括下述步骤：
步骤一、计算机4向转台3发送控制指令，使控制转台3移动到指定方位、指定俯仰角
度，对高轨卫星进行提前预瞄准；
步骤二、计算机4持续读取相机2中的光斑信息，并根据光斑信息计算过阈像素数和光
斑信息的灰度质心坐标；
步骤三、计算机4读取转台3的当前方位和俯仰角度，并且计算机4控制转台3采用螺
旋扫描方式捕获高轨卫星；同时，计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到高轨卫星，
若是，则执行步骤四；若否，则返回步骤一；
步骤四、计算机4根据步骤二获得的光斑信息的灰度质心坐标持续反馈控制转台3移动，
完成高轨卫星闭环跟踪，即获得高轨卫星星地激光远场分布测试。
本实施方式中，地面设置多个高轨卫星星地激光远场分布测试装置，并按照设定的位置
排列，获取高轨卫星的具体位置。高轨卫星在完成星地激光传输的过程中，受到大气条件、
气候因素等多个因素的限制，使得高轨卫星的跟踪非常困难，不利于对高轨卫星星地激光远
场分布的测试。本发明中的计算机4控制相机2记录望远镜1拍摄图片，计算机控制转台3
的移动，转台3转动的角度，仰俯角度等。
计算机控制望远镜1转动，使望远镜1的位置为观察星地激光信号的最佳位置，即预瞄
准。然后望远镜1及相机2获得高轨卫星星地激光的远场分布图，计算机4控制相机2每隔
0.001s拍摄一次远场分布图，然后将拍摄的图片实时发送至计算机4，然后计算机4进行分
析处理。
工作过程：计算机控制转台使转台上的望远镜对高轨卫星进行预瞄准，然后望远镜上的
相机实时记录高轨卫星星地激光远场分布的光斑信息，计算机实时读取相机中的光斑信息，
并根据光斑信息计算过域像素数和光斑信息的灰度质心坐标，计算机采用螺旋扫描方定位高
轨卫星的位置，然后计算机根据过阈像素数判断转台是否捕获到高轨卫星，若转台捕获到高
轨卫星，则通过计算机控制转台移动，实现准确捕获，完成高轨卫星的闭环实时跟踪，即获
得高轨卫星星地激光远场分布情况，实现了获得高轨卫星星地激光远场分布测试。
后续工作人员根据高轨卫星星地激光远场分布测试方法获得的高轨卫星的具体数据，进
行后续分析及处理。
相机2由光电雪崩二极管(APD)及配套电路即可将功能由搜索信号源扩展为光通信接
收。或者，转台3携带两个望远镜1，其中一个望远镜与相机2机械硬连接，另一个望远镜
与光电雪崩二极管(APD)及配套电路机械硬连接，该装置能够允许瞄准、捕获、跟踪以及
光通信接收同时实现。
具体实施方式二、本实施方式是对实施方式一所述的高轨卫星星地激光远场分布测试方
法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中计算机4根据光斑信息计算过阈像素数和光斑信
息的灰度质心坐标，根据光斑信息计算过阈像素数的具体过程如下；
设定光斑信息的光斑像素指定阈值d，将光斑信息的光斑像素灰度值与光斑信息的光斑
像素指定阈值d进行比较；
若光斑信息的光斑像素灰度值>光斑信息的光斑像素指定阈值d，则计数一次；
若光斑信息的光斑像素灰度值≤光斑信息的光斑像素指定阈值d，则不计数；
对光斑信息的光斑像素灰度值>光斑信息的光斑像素指定阈值d的计数数目进行求和统
计，获得的总的计数数目，即为过域像素数。
本实施方式中，计算机根据相机记录的光斑信息，获取光斑信息的光斑像素灰度值，并
在计算机中设定光斑信息的光斑像素指定阈值d，若计算机中获得的光斑信息的光斑像素灰
度值>光斑信息的光斑像素指定阈值d，则计算机计数一次，所有光斑信息的光斑像素灰度值
>光斑信息的光斑像素指定阈值d的总的光斑数目即为过域像素数。
具体实施方式三、本实施方式是对实施方式一所述的高轨卫星星地激光远场分布测试方
法的进一步说明，本实施方式中，步骤二中计算机4根据光斑信息计算过阈像素数和光斑信
息的灰度质心坐标，根据光斑信息计算光斑信息的灰度质心坐标的具体过程如下；
设定光斑信息的大小为M1×M2维图像，第m1行m2列像元坐标记为(xm1,ym2)；M1×M2
维图像由m1行m2列像元构成；m1和m2均为整数；
I(xm1,ym2)表示像元的质量密度，即图像上x、y处像素点的灰度值；x、y值均为整数；
则光斑总能量Wm的表达式为：
W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) - - - ( 1 ) ]]>
光斑信息的质心坐标的表达式(xc，yc)为：
x c = Σ x I W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 x m 1 I ( x m 1 , y m 2 ) Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) y c = Σ y I W m = Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 y m 2 I ( x m 1 , y m 2 ) Σ m 1 = 1 M 1 Σ m 2 = 1 M 2 I ( x m 1 , y m 2 ) - - - ( 2 ) . ]]>
具体实施方式四、本实施方式是对实施方式一所述的高轨卫星星地激光远场分布测试方
法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中的计算机4控制转台3采用螺旋扫描方式扫描高
轨卫星，即采用等线速的方式从初始瞄准点开始螺旋向外侧进行扫描，具体过程如下：
步骤三一、以初始瞄准点作为坐标原点(0,0)建立极坐标系；螺旋扫描曲线可表示为：
r = I θ 2 π θ - - - ( 3 ) ]]>
式中，r——极坐标半径变量；θ——极坐标角变量；Iθ——扫描步长；
步骤三二、从初始瞄准点(0,0)到任意点(r,θ)的扫描时间近似表达为：
T ( r ) = πr 2 I θ 2 Δ t - - - ( 4 ) ]]>
式中，△t——每步停留时间，其大小取决于扫描模式，任意点(r,θ)即为高轨卫星的坐
标。
本实施方式中，扫描方式有很多，其中最常见的有矩形扫描、螺旋扫描以及矩形螺旋扫
描。其中螺旋扫描以有效覆盖和工程易实现等优点而被广泛采用。本发明选用螺旋扫描，采
用等线速的方式从瞄准初始位置开始螺旋向外侧进行扫描，螺旋扫描在捕获视场中的扫描轨
迹如图4所示。图中虚线代表设定扫描的不确定域的边界，实线代表螺旋扫描轨迹，其中的
圆点代表扫描过程中每步停留的地方。图4中5表示激光通信地面终端；6表示星地激光通
信链路下行接收光场。
对于单场扫描捕获，每步停留时间△tI取决于发射端控制系统带宽FT，即
具体实施方式五、本实施方式是对实施方式一所述的高轨卫星星地激光远场分布测试方
法的进一步说明，本实施方式中，步骤三中计算机4根据过阈像素数判断转台3是否捕获到
高轨卫星，若是，则执行步骤四；若否，则返回步骤一；
若过阈像素数﹥4，表示转台3捕获到高轨卫星；
若过阈像素数≤3，表示转台3未捕获到高轨卫星。
本发明提出了高轨卫星星地激光远场分布测试方法及装置。与现有空间激光通信光端机
相比，该装置的设计思路简洁、模块单元成熟，价格低廉、性能稳定、功耗低、质量轻、体
积小、方便、灵活、隐蔽性强、可机载、舰载和车载。
该高轨卫星星地激光远场分布测试方法中的装置可以实时记录瞄准、捕获、跟踪过程的
高轨卫星的相关参数，包括时间、日期、经度、纬度、方位、俯仰、赤经、赤纬、过域像素
数、灰度质心坐标等。
具体实施方式六、本实施方式为一个实施例：
(1)望远镜
采用INTANE80mmAPO型号望远镜，宽波段复消色差设计，其主要参数特点为，通光
口径为φ80mm；焦距为560mm。
(2)相机
采用AVTMarlinF131BNIR型号相机来接收800nm通信激光(对于1550nm等其他波段通
信激光，采用对应光谱范围的其他型号相机即可)，其主要参数特点如表1：
表1参数
光谱范围
400nm-1000nm
接口
IEEE 1394a
分辨率
1280×1024
像元尺寸
6.7μm
位深
8位
(3)转台
采用iOptronMiniTowerPro型号转台用于系统提前量补偿瞄准、捕获和跟踪。其主要特
点如下，USB接口，内置32通道GPS接收机，俯仰、方位全周手动/电动微调，计算机控制
自动寻星、自动跟踪经纬仪。其他硬件包括：800nm窄带滤光片、计算机、1394转接卡及数
据线、USB连接线、USB转串口驱动。
(4)扫描参数设置
扫瞄范围3mrad(全角)，扫描步长Iθ＝1mrad，扫瞄每步停留时间△t＝50ms。
(5)空间光场分布测试
利用高轨卫星星地激光远场分布测试装置，结合高轨星地激光链路系统可进行激光远场
分布的数据采集试验分析，其原理图如图4所示。
星上光通信终端的发散角为30μrad，到达地面站后的远场光束直径为1200m，因此远
场光场分布接收探测测试端机的分布应涵盖上述范围。一般来说，远场光场分布接收探测测
试端机(高轨卫星星地激光远场分布测试装置)的数量越多，则分布测试的精度越高。考虑
到试验成本问题，一般至少需要6套远场光场分布装置(高轨卫星星地激光远场分布测试装
置)进行测试。每次测试涵盖光束远场的某一方向半径，最后通过累加给出光束远场二维分
布测试结果。