一种基于信号光的捕获系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于信号光的捕获方法和基于信号光的捕获系统。本发明专利技术使用信号光捕获技术，根据星历表预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域，设定扫描路径，使用精跟踪快速反射镜，扫描不确定区域中的每个区域，并使用灰度增强方法进行图像处理，提高信噪比，降低信号捕获难度并缩短捕获时间。本发明专利技术利用通信光束即信号光作为对准光束，省去了现有主动通信终端的信标光发射系统、信标光接收系统，省去了逆向调制终端的靶标或指示灯，有效简化了系统结构，降低了系统体积、重量和功耗，提高了自由空间激光通信系统在小平台和动平台的适用性。

A Capture System Based on Signal Light

The invention discloses a signal light based acquisition method and a signal light based acquisition system. The invention uses signal light acquisition technology, initializes aiming according to ephemeris prediction position, determines the optimal uncertain area, sets scanning path, uses precise tracking fast mirror to scan every area in the uncertain area, and uses gray enhancement method to process image, improves signal-to-noise ratio, reduces the difficulty of signal acquisition and shortens acquisition time. The invention uses the communication beam, i.e. signal light, as the alignment beam, eliminates the beacon light transmitting system and receiving system of the existing active communication terminal, eliminates the target or indicator lamp of the reverse modulation terminal, effectively simplifies the system structure, reduces the volume, weight and power consumption of the system, and improves the applicability of the free space laser communication system on the small platform and the moving platform.

【技术实现步骤摘要】
一种基于信号光的捕获系统
本专利技术涉及激光捕获扫描
，尤其涉及一种基于信号光的捕获系统。
技术介绍
卫星激光通信和现有的射频通信相比具有传输速率高、通信容量大、功耗低、体积小、重量轻、抗干扰和高保密性等诸多的优势，被认为是实现星间高码率通信的最佳方案，在军用与民用领域获得广泛的重视。在卫星激光通信终端中光跟瞄系统扮演着极为重要的角色，光跟瞄系统决定了一个卫星通信终端的基本架构，同时也是星间激光通信成败的关键之一。目前，航空通信主要通过微波卫星实现。在通过该微波无线电进行通信时，由于无线电频率是空间系统得以正常运转的基础，是信息传输的通道，为了防止卫星间电磁干扰，需要保持通信频率的一定间隔进行频率隔离，因此无线电频谱的利用将受到极大限制。现有的航空互联技术一般分为三大类，分别是以陆地电信基站为基础的对空通信技术(AirToGround，ATG)、静止轨道(GEO)卫星、低轨道(LEO)星座。ATG，是一种地对空的通信系统，它利用成熟的陆地移动通信技术，如3G、4G技术，针对航空高速移动、广覆盖等特性进行定制化开发，在地面建设部分天线指向天空的专用、复用基站，构建出一张地对空的专用网络，解决地对空数据双向传输的问题。ATG系统主要包括机载小翼天线和由基站组成的地面核心网，系统复杂度较低，对飞机的影响较小。但是，由于其为无线电通信，仍然存在频谱饱和以及带宽有限的问题。GEO卫星，目前是卫星在航空领域内应用的主流。根据频谱主要分为SBB、Ku(包括2Ku和KuHTS)、Ka等三种。静止轨道卫星通过卫星、地面站和机顶天线实现通信。与ATG相比，静止轨道卫星频谱资源丰富，三颗卫星就能覆盖全球，能覆盖全球航路，支持跨洋飞行。但是，由于其为无线电通信，使用的波段频率有限，通信带宽无法满足大量数据互联需求。LEO低轨道星座，由于轨位稀缺，最近几年异军突起，成为卫星互联网的新生力量。相比GEO，低轨道卫星轨位在1500公里以内，相比GEO3.6万公里的轨道，其天线复杂度低、通信延迟小、整体容量大。由于其是无线电通信，低轨道星座首要解决的还是频谱受限以及带宽有限的问题。因此，现有技术中的航空通信网络技术，都具有频谱、带宽受限的问题，无法做到大数据高速率的传输，也无法实现飞机本身数据的实时传输和监测。星间激光链路主要通过链路终端的捕获扫描来建立，主要技术指标包括捕获概率和捕获时间。一般要求在满足一定捕获概率要求的条件下，捕获时间尽可能短。由于中继星与用户星(GEO-LEO)间传输距离较远(45000km左右)，在进行捕获扫描时，光信号传输时间(时延，单向传输时延约0.15s)对捕获时间的影响较大。现有的扫描捕获方法为：GEO终端发出信标光信号，发射到LEO终端可能存在的范围(定义为捕获不确定角度)。由于GEO终端信标光信号发散角小于捕获不确定角度，GEO终端需要进行跳扫以覆盖捕获不确定角度。捕获不确定角度与GEO和LEO卫星的姿轨控精度有关，通常为8mrad。现有的激光链路终端捕获信标光在0.7mrad左右，考虑无缝隙覆盖后，设置扫描间隔为0.4mrad，则在整个8mrad捕获不确定角度范围内，需要进行至少400次跳扫：对于GEO终端的每步跳扫，若没有覆盖LEO终端，则进行下一步跳扫。GEO终端为了确认LEO终端无回光信号，每次跳扫的时间间隔应考虑光信号往返传输的时延(0.15s×2)和终端响应时间、控制及时间同步误差(0.05s)。也就是说，GEO终端的每步跳扫之间的时间间隔为0.35s；若LEO终端恰在信标光覆盖范围内并且收到信标光信号，回应并发出信标光。若GEO终端也收到信标光信号，则认为捕获成功。上述方法在捕获不确定范围内单场最大捕获时间为400×0.35s＝140s。这种捕获方法捕获时间较长，造成激光星间链路的有效通信时间缩短，数传能力受到制约。复合轴控制是提高卫星激光通信跟踪系统的跟踪精度和控制带宽的一种有效手段。欧洲空间局SILEX(SemiconductorLaserIntersatelliteLinkExperiment)计划的复合轴光跟瞄控制系统采用了独特的复合轴闭环回路(在先技术[1]：T.T.Nielsen,"Pointing,acquisitionandtrackingsystemforthefreespacelasercommunicationsystem,SILEX,"Proc.SPIE,Vol.2381,pp.l94-205,1995.)，在闭环跟踪状态，探测器的光点探测信号并不直接导入粗跟瞄控制环，而是通过检测精跟瞄的位置探测器，当精跟瞄偏离角较大时对粗跟瞄系统发出卸载命令以使精跟瞄系统归零。这种粗跟瞄卸载精跟瞄方式的复合轴结构有利于高精度稳定跟踪，特别是平台存在扰动时可以有效地实现光束的瞄准、捕获和跟踪。但是，粗瞄准机构是一个L型臂经纬仪结构，步进电机控制其旋转，进而实现整个终端移动部分的转动，其运行力矩较大，容易扰动卫星，并且扫描精度比较低，体积大；而捕获跟踪传感器采用了两种CCD元件，捕获过程中随时需要在两个CCD间切换，并且开窗式的CCD系统需要采用专用控制与信号处理电路，以致控制系统较为复杂。美国OCD(OpticalCommunicationsDemonstrator)光通信终端的光跟瞄系统(在先技术[2]：C.RachoandA.Portillo,"Characterizationanddesignofdigitalpointingsubsystemforopticalcommunicationdemonstrator,"Proc.SPIE,Vol.3615,pp.250-261,1999.)中采用了高速单探测器二开窗结构，只在发射光路中采用精跟瞄系统，省略了提前量光机械系统，不适用于高精度光跟瞄系统的远距双向光通信。采用潜望镜式粗跟瞄系统造成转动惯量过大，导致卫星平台不稳。其复合轴控制系统采用了传统的精跟瞄补偿粗跟瞄残差的结构，缺乏平滑的视场切换，在太空复杂环境下小型平台上的动态扰动抑制能力差。随着光纤通信技术的相对成熟和无线激光通信关键技术的突破，面对日益增长的高保密性及大容量通信需求，近地面的复杂背景下的无线光通信的链路实现及小型化、轻量化和低功耗样机研究己成为国内外研究热潮。在无线激光通信系统中，通信终端一般采用CCD或CMOS传感器作为探测器来探测对方信标光光束。但由于收发端机距离相距较远且存在的大气信道干扰，导致信标光斑信号强度重新分布且衰减严重，最终造成CCD/CMOS探测器焦平面上的成像光斑表现为"微"目标，通常仅为几个至数十个像素大小。在近地面无线激光通信中，尤其是空-地，地-地间通信，通信终端所处的地面环境及背景复杂，对"微"目标的探测及捕获影响严重，易造成目标探测虚警(即误判通信目标)，最终导致目标捕获失败。主要表现为：①当目标光亮度与背景亮度相似时，探测器无法判断目标在视场内的成像光斑，进而无法有效检出目标。②探测器视场内存在干扰目标时(如一个真实目标，其它伪目标(伪目标可由敌方释放)或无线光通信组网时存在的多个通信目标(其它目标对当前的通信目标存在干扰))，特别是通信目标及干扰目标在探测器视场内的成像光斑亮度、大小和形状类似时，极本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于信号光的捕获方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角A1凝视逆向调制终端，主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光；主动端按照时间间隔T向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光，当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角B1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描；主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束；主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构CPA调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为A2圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构CPA调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为B2圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为A3圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为B3圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为A4圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为B4圆域内的螺旋扫描。...

【技术特征摘要】
1.一种基于信号光的捕获方法，其特征在于，所述方法至少包括以下步骤：主动端根据先验知识预测位置初始化瞄准，确定最优不确定区域以视场角A1凝视逆向调制终端，主动端向待扫描区域中的一个扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光；主动端按照时间间隔T向待扫描区域中的下一扫描点发出方向为主动端光轴方向的信号光，当上述步骤中的信号光到达待扫描区域中的扫描点的同时，逆向调制中单开启未调制信号光作为回光光束，以视场角B1在主动端出现的不确定区域内进行螺旋扫描；主动端判断是否接收到逆向调制终端发出的回光光束；主动端探测到逆向调制终端发出的回光光束，即逆向调制终端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据主动端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动主动端粗跟踪执行机构CPA调整主动端光学天线指向，使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，主动端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为A2圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端探测到主动端发射的用于扫描的未调制信号光后，根据逆向调制终端捕获探测器上的光斑位置，通过驱动逆向调制终端粗跟踪机构CPA调整逆向调制终端光学天线指向，使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，逆向调制终端从当前位置开始通过驱动捕获与跟踪机构实现半径为B2圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为A3圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为B3圆域内的螺旋扫描；主动端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使主动端探测到的光斑中心与主动端捕获探测器中心重合后，通过驱动主动端捕获与跟踪机构实现半径为A4圆域内的螺旋扫描；逆向调制终端依据自身捕获探测器探测到的光斑位置信息使逆向调制终端探测到的光斑中心与逆向调制终端捕跟探测器中心重合后，通过驱动逆向调制终端捕获与跟踪机构实现半径为B4圆域内的螺旋扫描。2.如权利要求1所述的捕获方法，其特征在于，所述方法还包括重复上述步骤，使得主动端和逆向调制终端的捕获探测器上均探测到对方光斑且光斑位置稳定保持在双方捕获探测器中心，且跟踪探测器也探测到光斑，由跟踪转向通信，其中，主动端的视场角A1的范围能够保证前一扫描点的回光信号在主动端捕获范围之内，时间间隔T大于逆向调制终端回光光束的传输时延。3.如权利要求1或2所述的捕获方法，其特征在于，逆向调制终端采用猫眼光学系统对主动端发射的激光光束进行接收并逆向反射，其中，主动端根据先验知识控制其内部的主动端伺服系统指向逆向调制终端所在区域，同时逆向调制终端根据先验知识指向主动端。主动端发射激光光束，主动端伺服系统按照设定的扫描策略对逆向调制终端所在区域进行扫描，在主动端扫描过程中实时获取图像，并获取主动端伺服系统的方位俯仰角信息，针对得到的每一帧图像，判断该图像中是否存在可能的逆向反射终端。4.如上述权利要求之一所述的捕获方法，其特征在于，如果第n帧图像中发现可能的逆向反射终端，计算第n帧图像中包括可能的逆向反射终端在内的各个疑似目标的方位俯仰角，然后再根据设定的扫描策略预测各个疑似目标在第n+1帧图像中的位置；根据设定的扫描策略，改变主动端下一次对逆向调制终端所在区域进行扫描的方位俯仰角，扫描获得第n+1帧图像；对第n+1帧图像中的疑似目标进行探测和定位，并结合主动端伺服系统此时的方位俯仰角信息计算图像中的各个疑似目标位置；找到疑似目标在本帧区域图像中的位置与预测的位置一致的疑似目标，则该疑似目标即为逆向调制终端，定位目标成功。5.如上述权利要求之一所述的捕获方法，其特征在于，所述方法还包括，使用灰度增强方法进行图像处理，所述图像处理包括以下步骤：对图像进行去噪；计算图像的全局均值图像和局部均值图像；计算灰度权值；计算全局灰度增强图和局部灰度增强图，最终获得灰度增强图。6.如上述权利要求之一所述的捕获方法，其特征在于，所述方法还包括所述灰度权值与像素值的变换成单调关系，其中，Ii,j：表示去噪后的图像中点(i,j)的灰度值，Avgi,j：表示均值图像中点(i,j)的灰度值，即当前像素点附近一定大小窗口中像素点灰度值的平均值，Ii,j'：表示点(i,j)增强后的灰度值，wi,j：表示点(i,j)的灰度值的加权系数；其中，wi,j是根据图像局部灰度值，利用特殊函数获得，该特殊函数与当前灰度值Ii,j和该位置周围的灰度平均值Avgi,j有关系。根据指数函数和...

【专利技术属性】
技术研发人员：任维佳，杨峰，杜志贵，陈险峰，
申请(专利权)人：长沙天仪空间科技研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：湖南,43