在轨空间光通信终端像差补偿方法

摘要

在轨空间光通信终端像差补偿方法，涉及在轨空间光通信终端像差补偿方法。它为了解决现有的空间光通信终在轨运行期间产生新的像差导致通信链路的中断的问题。在地面测试模拟阶段对空间光通信终端中各种可能产生的像差及其对应的光斑质心定位的影响进行模拟测量，在轨修正阶段通过比较地面主控中心接收到的数据与地面测试模拟阶段存储的所有数据，选择与在轨的空间光通信终端数据相似的数据作为成像测试结果，根据该结果计算相应的像差修正参数，实现对空间光通信终端的在轨运行修正，本发明提高了终端角探测精度，达到了保证了空间光通信终在轨运行期间通信链路正常运行的目的。本发明适用于航空、航天和通信领域。

主权项

在轨空间光通信终端像差补偿方法，所述的空间光通信终端包括望远镜（1）、第一分光棱镜（2）、整形透镜组（10）和CMOS图像传感器（11），入射至望远镜（1）的光束经压缩后入射至第一分光棱镜（2），经第一分光棱镜（2）折射的基准光束经整形透镜组（10）入射至CMOS图像传感器（11），其特征在于：该方法包括地面测试模拟阶段和在轨修正阶段两个阶段；所述的地面测试模拟阶段包括下述步骤：步骤一、采用主控计算机（5）向编码器（12）发送编码指令，同时控制半导体激光器（14）发光，编码器（12）为半导体激光器（14）提供调制信号，所述的半导体激光器（14）的光纤发射头位于平行光管（13）的焦点上，主控计算机（5）的图像信号端连接CMOS图像传感器（11）的图像信号端，执行步骤二；步骤二、将波前传感器（9）放置于平行光管（13）的出光口，使经平行光管（13）的原始光束入射至波前传感器（9）表面的探测区域，主控计算机（5）根据波前传感器（9）采集的波形信号进行测量，获得原始光束波前像差的泽尼克多项式系数A，并存储该泽尼克多项式系数A，执行步骤三；步骤三、将空间光通信终端的望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度为0rad，使经平行光管（13）的激光入射至望远镜（1）的入光口，执行步骤四；步骤四、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的基准光图像信号，将所述的基准光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标ak，并存储该光斑质心坐标作为坐标ak，执行步骤五；其中，k表示望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度调整的次数，k的初值为1，k=1，2，……，120；ak为第k次调整望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度时的基准光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标，步骤五、将二维微动平台（3）放置在望远镜（1）的出光口，使经望远镜（1）出光口的光束入射至二维微动平台（3），经空间光调制器（7）入射至第二分光棱镜（8），经第二分光棱镜（8）透射的光束入射至波前传感器（9），经第二分光棱镜（8）折射的测试光束入射至整形透镜组（10），经整形透镜组（10）整形的测试光束入射至CMOS图像传感器（11），采用主控计算机（5）的微动平台驱动信号输出端连接二维微动平台驱动器（4），二维微动平台驱动器（4）的控制信号输出端连接二维微动平台（3）的控制信号输入 端；采用主控计算机（5）的光调制驱动信号输出端连接空间光调制器驱动器（6）的光调制驱动信号输入端，空间光调制器驱动器（6）的控制信号输出端连接空间光调制器（7）的控制信号输入端，执行步骤六；步骤六、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的测试光束图像信号，将所述的测试光束图像信号的光斑质心坐标作为坐标ak’，调整二维微动平台（3）、空间光调制器（7）、第二分光棱镜（8）和整形透镜组（10）的位置，使测试光图像信号的光斑质心坐标ak’与基准光图像信号的光斑质心坐标ak相同，执行步骤七；其中，ak’表示第k次调整望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度时的测试光图像信号的光斑质心坐标，步骤七、采用主控计算机（5）通过控制二维微动平台驱动器（4）调整二维微动平台（3），使二维微动平台（3）的工作范围处于初始位置，采用主控计算机（5）通过控制空间光调制器驱动器（6）调整空间光调制器（7），使空间光调制器（7）的工作范围处于初始位置，采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的测试光束的模拟图像信号，并存储该光束模拟图像信号包含的信息，所述的光束模拟图像信号包含的信息包括光斑成像图像、光斑质心位置坐标、灰度值、像素和光强最大值，采用主控计算机（5）通过波前传感器（9）采集光束质量数据，所述的光束质量数据作为泽尼克多项式系数Bkji，将泽尼克多项式系数A与泽尼克多项式系数Bkji的相同项做差，获得空间光通信终端的真实泽尼克多项式系数Ckji，并储存该泽尼克多项式系数Ckji，执行步骤八；其中，Bkji表示在第k次调整望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器（7）或第i次调节二维微动平台（3）时的光束质量数据，该光束质量数据作为泽尼克多项式系数；Ckji表示在第k次调整望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器（7）或第i次调节二维微动平台（3）时的真实泽尼克多项式系数；i的初始值为0；j的初始值为0；二维微动平台（3）的工作范围在X轴和Y轴围成的范围内，X轴和Y轴的范围均为0μm‑2μm；二维微动平 台（3）以10nm为步进单位进行200次调节，二维微动平台（3）的初始位置为X轴一直保持1μm位置，Y轴处于0μm处开始扫描，二维微动平台（3）扫描的范围为：X轴一直保持1μm，Y轴从0μm至2μm；空间光调制器（7）的工作范围为0灰度值‑255灰度值，空间光调制器（7）以8灰度值为单位步进量进行32次调节，空间光调制器（7）的初始位置为0灰度值，步骤八、调整二维微动平台（3）的倾角，并同时调整空间光调制器（7）的相位和灰度，使CMOS图像传感器（11）采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器（7）和二维微动平台（3）补偿波前像差，执行步骤九；步骤九、采用主控计算机（5）读取波前传感器（9）采集的波形信号，获得新的泽尼克多项式系数Bkji’，将泽尼克多项式系数A与新的泽尼克多项式系数Bkji’做差，获得新的泽尼克多项式系数Ckji’，执行步骤十；步骤十、判断步骤九所述的新的泽尼克多项式系数Ckji’的系统整体误差是否大于或等于1/20λ，若是则执行步骤七；若否则执行步骤十一；其中，λ代表测试过程中使用的激光波长，即为光通信终端信标光的波长，步骤十一、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集新的光斑质心坐标bkji’，并存储该光斑质心坐标bkji’，执行步骤十二；其中，bkji’表示在第k次调整望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器（7）或第i次调节二维微动平台（3）时的新的光斑质心坐标，步骤十二、采用主控计算机（5）经基准光图像信号的光斑质心坐标ak坐标量与步骤十一存储的新的光斑质心坐标bkji’的坐标量做差，获得像差产生的坐标偏移量，所述的坐标偏移量即为像差修正参数，存储该像差修正参数，执行步骤十三；步骤十三、使二维微动平台（3）从当前位置向后调整一个步进单位，令i=i+1，执行步骤十四；步骤十四、判断i是否等于201，若是步骤十六，若否执行步骤十五；步骤十五、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集的测试光束的模拟像差成像图像，并存储该光束模拟图像包含的信息，所述的光束模拟图像包含的信息包括光斑成像图像、光斑质心位置坐标、灰度值、像素和光强最大值，采用主控计算机（5）通过波前传感器（9）采集光束质量数据，所述的光束质量数据作为泽尼克多项式系数Bkji，并存储该泽尼克多项式系数Bkji，将泽尼克多项式系数A与泽尼克多项式系数Bkji的相同项做差，获得空间光通信终端 的真实泽尼克多项式系数Ckji，并储存该泽尼克多项式系数Ckji，执行步骤十六；步骤十六、调整二维微动平台（3）的倾角，并同时调整空间光调制器（7）的相位和灰度，使CMOS图像传感器（11）采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器（7）和二维微动平台（3）补偿波前像差，执行步骤十七；步骤十七、采用主控计算机（5）读取波前传感器（9）采集的波形信号，获得新的泽尼克多项式系数Bkji’，将泽尼克多项式系数A与新的泽尼克多项式系数Bkji’做差，获得新的泽尼克多项式系数Ckji’，执行步骤十八；步骤十八、判断步骤十七所述的新的泽尼克多项式系数Ckji’的系统整体误差是否大于或等于1/20λ，若是则执行步骤十五；若否则执行步骤十九；步骤十九、采用主控计算机（5）读取CMOS图像传感器（11）采集新的光斑质心坐标bkji’，并存储该光斑质心坐标bkji’，执行步骤二十；步骤二十、采用主控计算机（5）经基准光图像信号的光斑质心坐标ak坐标量与步骤十九存储的新的光斑质心坐标bkji’的坐标量做差，获得像差产生的坐标偏移量，所述的坐标偏移量即为像差修正参数，存储该像差修正参数，执行步骤二十一；步骤二十一、判断j是否等于32，若是执行步骤二十三，若否执行步骤二十二；步骤二十二、使空间光调制器（7）从当前位置向后调整一个步进单位，令j=j+1，i=0，执行步骤十五；步骤二十三、判断空间光通信终端的望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度是否为3mrad，若是将旋转望远镜（1），使该望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度为‑3mrad，令k=k+1，执行步骤四；若否执行，步骤二十四；步骤二十四、旋转望远镜（1），使该望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度从当前位置顺时针调整5μrad，令k=k+1，执行步骤二十五；步骤二十五、判断望远镜（1）的入光口与平行光管（13）的出光口的对准角度是否为0mrad，若是执行在轨修正阶段，若否执行步骤四；在轨修正阶段时，空间光通信终端随航天器（15）在轨运行，CMOS图像传感器（11）用于采集信标光的数据，在轨修正阶段包括下述步骤：步骤A、空间光通信终端通过通信通道将CMOS图像传感器（11）采集的信标光的数据发送至地面主控中心（18），执行步骤B；步骤B、地面主控中心根据在轨运行的空间光通信终端发送的数据，对地面测试模拟阶段存储的所有数据进行查询，选择与当前在轨的空间光通信终端数据相似度范围在85%至100%中的一组成像测试结果，根据该组成像测试结果计算相应的像差修正参数，执行步骤C；步骤C、地面主控中心通过通信通道将该像差修正参数发送至在轨的空间光通信终端，实现对空间光通信终端的在轨运行修正。