自由空间光通信系统中的激光瞄准器技术方案

一种自由空间光通信系统中的激光瞄准器由调制信标光源（１）、接收光学天线（２）、位置敏感器（３）、信号处理器（４）、接口电路（５）和计算机（６）组成，其特征在于从一对自由空间光通信系统所构成的通信链的一端的调制信标光源（１）发出的激光束照射到另一端的另一个自由空间光通信系统，通过由窄带滤光片和成像透镜组成的该系统接收光学天线（２）聚焦在位置敏感器（３）的光敏面上，产生包含自由空间光通信系统的两端的相对位置和空间姿态方位角信息的光斑，位置敏感器（３）将光斑的能量转换为电信号，输入到信号处理器（４）进行预处理，经接口电路（５）输入到计算机（６），计算出两端的精确位置和空间姿态角。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种利用激光的跟踪和瞄准装置。尤其涉及在自由空间激光通信(Free SpaceOptical，FSO)或无线光通信(Wireless Optical Communication，WOC)两端的激光收发系统相互对准和跟踪装置。
技术介绍
目前，已有多种的方法用于自由空间光通信或无线光通信两端的收发系统的瞄准和位置校准的，如射击用的阻击望远镜，但它的视场角和瞄准距离有限，不能自动操作，需要用人工。采用四象限光电器件跟踪，中心点存在盲区，误差较大。用线阵CCD摄像机，需要庞大复杂的光学扫描机构。通过面阵CCD摄像机对角反射器在CCD摄像机视场角内的成像位置计算出合作目标为质和空间方位，而CCD摄像机象素数目又限制测量的分辨率。计算机信息处理量较大，测量速度慢，不能满足的自由空间光通信系统通信链两端迅速对准和调整，保证通信质量的要求。体积和重量较大，使用不方便。目前，国内尚无用位置敏感器组成的激光瞄准器应用于自由空间光通信系统组成的通信链两端的报道、文章和专利。国外，最新的报道是有的位置，位置敏感器大部分用航天飞行器的交会对接技术文献。
技术实现思路
本专利技术的目的是克服上述缺点，提供一种满足自由空间光通信系统通信链两端的收发系统快速精密瞄准和跟踪的激光装置。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案是从一对自由空间光通信系统所构成的通信链的一端的调制信标光源发出的激光束照射到另一端的另一个自由空间光通信系统，通过由窄带滤光片和成像透镜组成的该系统接收光学天线聚焦在位置敏感器的光敏面上，产生包含自由空间光通信系统的两端的相对位置和空间姿态角信息的光斑，位置敏感器将光斑的能量转换为电信号，输入到电子信号处理器进行预处理，经接口电路输入到计算机，计算出两端的精确位置和空间姿态角。本专利技术的优点是 1、数据处理方便，是一种精度高、测量速度快的全自动化近程测距、测角装置。2、有均匀电阻的大面积的矩形或正方形位置敏感器四个边的四个电极，每个电极所流出的电流包含光点所在位置的精确信息。计算量小，计算速度快。3、光点位置几乎不受位置分辨率的限制，测量精度高。不存在四象限器件的中心盲点限制。4、可以测量物体位置变化率，可区分不同合作目标，能对几个合作目标的同时测量。5、提高了滤除背景光和散射光的能力，抗干扰能力强。6、结构简单、体积和重量较小。7、通过误差校正可精确修正温度引起的数据漂移，温度稳定好，不受环境温度影响。8、应用范围广，也可涉及航天飞行器的交会对接，机器人视觉系统，工业生产的在线监测，风洞的实验测量和CCD摄像机监控目标位置等一切需要精确测量位置的场所。附图说明图1是激光瞄准器整体的框2是调制信标光源的电路原理图及调制的时序波形图3是接收光学天线和位置敏感器组合的示意4是位置敏感器信号后处理的信号转换电路5是接口电路的口地址译码电路6是数模转换电路图具体实施例下面结合附图本专利技术的实施例，作进一步详细说明。由图1至图5可知，一种自由空间光通信系统中的激光瞄准器由调制信标光源1、接收光学天线2、位置敏感器3、信号处理器4、接口电路5和计算机6组成，其特征在于从一对自由空间光通信系统所构成的通信链的一端的调制信标光源1发出的激光束照射到另一端的另一个自由空间光通信系统的接收系统，通过由窄带滤光片和成像透镜组成的该系统接收光学天线2聚焦在位置敏感器3的光敏面上，产生包含自由空间光通信系统的两端的相对位置和空间姿态方位角信息的光斑，位置敏感器3将光斑的能量转换为电信号，输入到电子信号处理器4进行预处理，经接口电路5输入到计算机6，计算出两端的精确位置和空间姿态角。调制信标光源1是三个彼此成正三角形排列的激光器，按时序发出方波形的激光脉冲照射到位置敏感器3前的接收光学天线2上。调制信标光源1的驱动电路采用定时方波发生器作为激光器的驱动源，产生三个微秒级间隔顺序的发光控制的驱动信号。由窄带滤光片和成像透镜组成接收光学天线2将激光束聚焦成的激光光斑，光斑中心在位置敏感器3光敏面上，光敏面响应光斑中心的光强，实现光电转换，从位置敏感器3的四个管脚输出包含位置信息、空间姿态角和光强度信息的电流信号。信号处理器4对位置敏感器3输出的电流经过求和电路，输入到差分放大电路，再经反向器转换为-2.5V～+2.5V电压信号。接口电路5在0～5v输入电压范围内，将电子信号处理部分4输出的电压信号经过模数转换电路输出数字信号给计算机6处理。图1是自由空间光通信系统激光瞄准器的原理方框图，图中的调制信标光源1采用激光二极管(Laser Diode-LD)或发光二极管(Light Emitted Diode-LED)放置在角度盘上的三个成等边三角形排列，按传输距离决定激光二极管的发射功率。对光源的每一个光信号进行时序编码，在任何一个时刻，只有一个光源打开。测量和照明的顺序同步，为了消除背景光的影响，在收发天线2的干涉滤光片滤除背景光，成像透镜聚焦在位置敏感器3的光敏面上，产生光斑，光斑的位置包含了自由空间光通信系统的两端的相对位置和空间姿态方位角信息，光斑的能量转换为电信号，输入到信号处理器4进行预处理，经接口电路5输入到计算机6，计算出两端的精确位置和空间姿态角。图2是调制信标光源的电路原理图。调制信标光源1是三个彼此成正三角形排列的激光器，按时序发出的方波形激光脉冲照射到位置敏感器3前的光学收发天线2上。采用定时方波发生器作为激光器的驱动源，产生三个微秒级间隔顺序的发光控制信号给三个激光器。方波发生器7采用555或其他类型定时器，经输出端3产生一个方波，输入到触发三个74LS175或其他类型的D触发器8的CP端，输出信号输入到74LS11与门9，经过“与”和“非”的运算后，在74LS06反向驱动器10的1、2、3端可以产生三种所时序的方波波形去控制光源顺序发光。光源发光时序间隔为1微秒。图3是接收光学天线2和位置敏感器3的组合。照射的激光束经过窄带滤光片11和成像透镜12组成光学天线聚焦成的激光光斑，其中心在位置敏感器光敏面3上，光敏面所响应的是光斑中心的光强，实现信标光信号的光电转换，从位置敏感器的四个管脚输出包含位置信息、空间姿态方位角和光强度信息的电流信号。如果背景光比较强，可用与光源波长相匹配的干涉滤光片来降低背景光在位置敏感器上的强度，提高位置敏感瞄准器的信噪比。防止位置敏感器达到饱和。位置敏感器接收到光信号，实现光电转换后，从四个管脚输出电流信号。再经过转换器14转变为电压信号。这四个信号，其中两个为x方向，另两个为y方向。每个信号不仅包含了位置和姿态角的信息，而且包含着所接收到的光点的光强信息。图4是位置敏感器输出电流信号的信号转换电路图。电子信号处理部分4的转换器14对位置敏感器3输出的电流经过一系列的线性放大器15进行电流电压转换，求和后，输入到差分放大电路，再经反向转换为-2.5V～+2.5V电压信号。首先将位置敏感器上输出的四个光电流信号转换为电压信号(I/U转换)，然后对这些相应的电压信号进行求和及差分放大。由于受模数转换器(A/D转换)的限制，必须将转换器14的转换电压限制在0～5v之间。因此，四个电压U1，U2，U3，U4，应被限制在了-2.5v～+2.5v之间。这就需要进行转换。电路中对每个电压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：戴永江，唐英千，戴超，
申请(专利权)人：戴永江，唐英千，戴超，
类型：发明
国别省市：