大区域光信号快速捕获方法、系统、装置和存储介质与流程

1.本发明涉及星间激光通信捕获技术领域，具体为一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法、系统、装置和存储介质。


背景技术：

2.随着低轨卫星搭载轻小型低功耗小体积通信载荷以及卫星组网通信日益增长的技术需求，空间激光通信中以信号光束扫描覆盖不确定区域的无信标捕获与跟踪技术为代表的新型捕获跟踪策略应运而生。空间激光通信系统中常采用的扫描方式有光栅扫描、螺旋扫描、光栅螺旋扫描、玫瑰扫描、李萨如扫描。
3.光栅扫描的扫描轨迹像矩形一样，因此其又称矩形扫描，该扫描方式为从不确定区域四个顶角中的任意一个顶角开始对整个待扫描区域进行逐行扫描，并选取一定的覆盖角度，该行扫描完成后向上或向下(以扫描的位置决定方向)进行跳步后，开始反方向对此行进行扫描，以此往复，直至扫描轨迹覆盖整个不确定区域，光栅扫描的优点是工程上易于实现、执行过程简单且可以良好的覆盖整个不确定区域。缺点是不管从哪个顶角开始扫描，都是从捕获概率较低的点开始扫描，导致捕获效率较低，捕获时间较长。且扫描轨迹类似矩形，为了覆盖近似于圆形的捕获不确定区域，会浪费一些扫描时间在矩形的四个角的区域上，从而使整个扫描时间增加。
4.螺旋扫描就是跟据螺旋线的方式对整个不确定区域进行覆盖的扫描方式。因其扫描从目标出现概率最高的中心点开始，所以这种扫描的捕获效率最高。如申请公布号为cn115396020a的专利文献公开了一种星载激光通信终端的光斑快速捕获方法及系统缩短扫描捕获时间，增大扫描捕获概率，该方法为确定扫描不确定区域，将其划分为多个等步长的螺旋扫描子区域，每个扫描子区域的中心点为一个螺旋点；规划压电陶瓷偏摆镜(pzt)在扫描子区域内的扫描路径，控制pzt对该扫描子区域进行精扫描，如捕捉到光斑，则扫描结束；如该扫描子区域已扫描完毕，仍未捕捉到光斑，则控制电机按等步长螺旋扫描线走点至下一个扫描子区域的中心点，进行粗扫描，如电机走点后捕获到光斑，则扫描结束；如未捕捉到光斑，则规划pzt在当前扫描子区域内的扫描路径，控制pzt对该扫描子区域进行精扫描，如此反复，直至捕捉到光斑或电机完成全部螺旋走点。螺旋扫描的缺点是为了完全覆盖整个不确定区域需要增加相邻扫描点的重叠区域，重叠区域过大虽可以提高捕获成功率，但会增加扫描时间，同时随着扫描圈数增多，扫描死区也会越来越大，捕获概率也并不确定，如申请公布号为cn115396020a的专利文献就公开了一种针对螺旋扫描的针对螺旋扫描的粗精复合扫描的捕获概率获取方法来准确衡量捕获能力。
5.光栅螺旋扫描也称矩形螺旋扫描。该扫描兼顾了光栅扫描与螺旋扫描的优点，从捕获概率密度高的中心点开始扫描，覆盖均匀性好、扫描效率高且不存在死区。缺点因其拐点较多，转台在改变扫描方向的过程中需要多次的进行启停操作，存在突然加减速的现象，因此对驱动电机执行精度提出了很高的要求。工程上常采用的方法是将扫描过程离散化，在扫描算法中采用设计二维数组的方式完成光栅螺旋的跳步过程。
6.当然除了上述三种扫描外，还有玫瑰扫描、李萨如扫描。玫瑰扫描由于每组扫描都从中心处出发，因此受卫星平台振动影响相对较少更加适合星载平台应用；李萨如扫描能够十分有效地扫描整个不确定区域。但是这两种扫描方式在扫描过程中存在死区，且工程上难以实现。
7.由于无信标捕获系统束散角过小，如果采用带宽较低的伺服转台进行扫描覆盖，需要过长的时间，因此为了实现无信标的快速捕获采用伺服带宽高的振镜实现不确定区域的快速扫描。但受振镜执行范围的限制，如果不确定区域过大，仅采用振镜扫描便无法覆盖整个不确定区域，针对此问题提出采用潜望式粗伺服转台与精跟踪振镜相互配合的复合扫描方式，这种扫描方式可以看成采用若干个子区域覆盖不确定区域的过程。但是目前所用的所有激光建链方法都是基于稳定不变的光束传输大小。当目标距离较远，分布不确定的情况下，建链搜寻时间将极大的提高，不利于持续稳定建链。
8.并且当恒星定标失败，存在较大不确定区域的时候，通过传统方法已经无法实现快速捕获跟踪。现有30-50urad的信号光，在1mrad不确定区域的捕获效率为10s左右，一旦不确定区域大于10mrad，甚至更多时。将难以在卫星汇聚的较短时间内实现捕获。


技术实现要素：

9.针对现有技术的不足，本发明提供了一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法、系统、装置和存储介质，以解决上述现有技术中不确定区域较大时捕获时间和建链搜寻时间长的问题。
10.为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
11.一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，所述方法包括：
12.s1.利用地面观测和使用gps定位获取装置根据星历表获取预测主从端机的大致位置并确认光的跟踪距离；
13.s2.根据光的跟踪距离，通过采用空间光调制器的波前调制实现对光束的不同发散状态的激光扩散控制，实现确定的光斑形状的激光散射控制；
14.s3.利用空间光调制器的波前调制对激光光斑的扫描捷变实现覆盖卫星光学天线头散射范围内快速扫描；
15.s4.根据光栅式扫描布局使用二维转台的光栅式移动，移动二维转台到下一个移动点进行s3步骤；
16.s5.重复s4和s3步骤结合激光光斑的扫描捷变和二维转台的光栅式移动实现整个较大不确定区域的光信号复合扫描快速捕获跟踪。
17.优选的，所述激光参数波前调制，包括光的焦距、激光发散角、光的相位、光的偏转角、光的能量分布。
18.优选的，所述光的能量分布可以是方形分布、圆形分布或椭圆形分布。
19.优选的，所述较大不确定区域为捕获角度为大于10mrad的不确定区域。
20.优选的，所述光的跟踪距离为100～5000km。
21.优选的，所述扫描捷变方式，方形分布跟踪采用九宫格非叠加型矩形扫描，椭圆形分布跟踪采用叠加型矩形扫描，圆形分布跟踪采用花瓣式旋转扫描。
22.基于同一发明构思，本方案还提供一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获系
统，包括gps定位获取装置、激光快速建链装置，所述gps定位获取装置，用于获取主从端机的大致位置并确认光的跟踪距离，所述激光快速建链装置包括空间光调制器和二维转台，所述空间光调制器包括激光相位调制模块和固定焦距匹配透镜，通过激光相位调制模块构建变焦透镜，与固定焦距匹配透镜离焦配合，对激光参数进行波前调制，实现对激光束散角大小的控制和控制光束的整形偏转，所述二维转台通过移动实现复合跟踪并通过光栅式扫描布局实现较大不确定区域的快速全覆盖捕获跟踪，所述激光快速建链装置按以上任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法对光信号进行捕获。
23.基于同一发明构思，本方案还提供一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获装置，包括存储器和处理器，所述储存器，用于存储计算机程序，所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上述任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。
24.基于同一发明构思，本方案还提供一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上述任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。
25.本方案相对于现有技术，有益效果在于：本方案基于激光波前调制技术运用于空间激光通信终端无信标捕获，采用激光整形偏转模组与二维转台相结合的复合扫描方式，对不确定区域进行扫描和全覆盖；受激光整形偏转模组执行范围的限制，一旦不确定区域超过激光整形偏转模组工作的最大执行范围，无论采用现有的哪种扫描方式都无法完全覆盖不确定区域。因此与现有扫描方式相比，任意大小的不确定区域都可以采用此种复合扫描方式，因此这种方式也具有普遍适用性；复合扫描方法虽看起来有点复杂，需要激光整形偏转模组与二维转台相互配合工作，其实在实际扫描过程中激光整形偏转模组与二维转台互相独立控制，互不干扰，且时序清晰，该方式在工程中软硬件等技术方面易于实现，工作方式简单；基于波前调制技术及粗伺服转台相配合的超大不确定区域星间激光指向方向搜寻策略，通过采用空间光调制器件对激光的波前分布，如发散角、能量分布等进行动态调制，利用空间光调制器百赫兹以上的捷变扫描速率，实现光斑在激光天线覆盖范围内的快速多形状扫描，并结合二维转台大范围搜索全部不确定区域，之后基于返回信号进行进一步的波前调制完成对目标载荷的精密捕获，实现快速的动态建链；基于激光波前调制方法的激光建链，同样还能用于激光的高质量动态传输，基于对激光各项参数的调节实现激光链路的优化，通过对光路的预聚焦和预补偿实现信噪比的提升。
附图说明
26.图1a为现有技术光栅扫描方式示意图；
27.图1b为现有技术螺旋扫描方式示意图；
28.图1c为现有技术光栅螺旋扫描方式示意图；
29.图2为采用圆形光斑花瓣式旋转扫描结合光栅移动矩形扫描形成的复合扫描示意图；
30.图3为采用方形光斑矩形扫描结合光栅移动矩形扫描形成的复合扫描示意图；
31.图4为采用椭圆形光斑叠加型矩形扫描结合光栅移动矩形扫描形成的复合扫描示意图；
32.图5为主从捕获策略光信号捕获过程示意图；
33.图6为一实施例光信号快速捕获系统与其他结构一起组成光端机的逻辑结构示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
35.本实施例提供了一种技术方案：一种针对捕获角度为大于10mrad的较大不确定区域的光信号快速捕获方法，所述方法包括：
36.s1.利用地面观测和使用gps定位获取装置获取的星历表，根据星历表获取预测主从端机的大致位置并确认光的跟踪距离，该距离在100～5000km范围；
37.s2.根据光的跟踪距离，通过采用空间光调制器的波前调制实现对光束的不同发散状态的激光扩散控制，实现确定的光斑形状的激光散射控制；100～1000km采用方形分布跟踪，1000～3000km采用椭圆形分布跟踪，3000km以上采用圆形分布跟踪；
38.s3.利用空间光调制器的波前调制对激光光斑的扫描捷变实现覆盖卫星光学天线头散射范围内快速扫描；所述扫描捷变方式，方形分布跟踪采用九宫格非叠加型矩形扫描，椭圆形分布跟踪采用叠加型矩形扫描，圆形分布跟踪采用花瓣式旋转扫描；当采用花瓣式旋转扫描时，所述单步花瓣扫描步长i
θ
与发射光束束散角α关系表达式可以为
[0039][0040]
其中，x为补偿星上微振动设置的重叠量，θ为激光束散角变化值即前后束散角差值θ＝δα＝α
1-α2。
[0041]
s4.根据光栅式扫描布局使用二维转台的光栅式移动，移动二维转台到下一个移动点进行s3步骤；
[0042]
s5.重复s4和s3步骤结合激光光斑的扫描捷变和二维转台的光栅式移动实现整个较大不确定区域的光信号复合扫描快速捕获跟踪。
[0043]
结合图4，主从捕获策略通过激光整形偏转模组实现快速扫描和二维转台复合扫描，完成不确定区域的全覆盖。控制激光整形偏转模组使信号光以一定的重叠概率捷变扫描不确定区域，理想条件下，会出现对某一点扫描时，信号光束划过从光端机探测视场，从光端机依据进入视场的光束方向校正自身指向，待主光端机执行完预定的扫描轨迹后回到初始位置停止扫描，此时从光端机根据刚才接收到主光端机校正后的点作为扫描中心点开始对缩小后的不确定区域进行扫描，主光端机按照相同的方法完成向着从光端机方向的进一步对准。因为主从捕获策略没有等待响应的时间，所以扫描方无法得知探测方是否探测到了光信号，为了防止探测方没有探测到光信号的情况发生，每次扫描方都需扫描完整个不确定区域。重复执行双方光端机互扫的方式，经过不断地校正自身指向，主从光端机对准精度逐渐提高，捕获不确定区域逐渐变小。待对方光束进入探测器视场，跟踪传感器响应后停止捷变扫描并启动跟踪模式，成功实现空间激光通信的无信标捕获。本实施例中，探测器为四象限探测器，跟踪传感器采用ccd相机探测器。
[0044]
基于同一发明构思，本方案还提供一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获系统，包括gps定位获取装置、激光快速建链装置，所述gps定位获取装置，用于获取主从端机
的大致位置并确认光的跟踪距离，所述激光快速建链装置包括空间光调制器和二维转台，所述空间光调制器包括激光相位调制模块和固定焦距匹配透镜，通过激光相位调制模块构建变焦透镜，与固定焦距匹配透镜离焦配合，对激光参数进行波前调制，实现对激光束散角大小的控制和控制光束的整形偏转，所述二维转台通过移动实现复合跟踪并通过光栅式扫描布局实现较大不确定区域的快速全覆盖捕获跟踪，所述激光快速建链装置按以上任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法对光信号进行捕获。
[0045]
所述激光参数波前调制，包括光的焦距、激光发散角、光的相位、光的偏转角、光的能量分布。在高等学校电子信息类专业教材《激光原理及应用》第7章也描述了相关的激光调制技术和激光偏转技术，以及专利文献如申请公布号为cn111323985a的专利文献公开的一种用于液晶光束偏转系统的控制器整定方法等均可以实现本发明中相关的波前调制和偏转相关功能。
[0046]
基于同一发明构思，本方案还提供一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述储存器，用于存储计算机程序，所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如上任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。
[0047]
基于同一发明构思，本方案还提供一种计算机可读的存储设备，所述存储设备存储有计算机程序，所述计算机程序被执行时实现如上任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。
[0048]
以上所述，仅为本方案较佳的具体实施方式，但本方案要求的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本技术的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于，所述方法包括：s1.利用地面观测和使用gps定位获取装置根据星历表获取预测主从端机的大致位置并确认光的跟踪距离；s2.根据光的跟踪距离，通过采用空间光调制器的波前调制实现对光束的不同发散状态的激光扩散控制，实现确定的光斑形状的激光散射控制；s3.利用空间光调制器的波前调制对激光光斑的扫描捷变实现覆盖卫星光学天线头散射范围内快速扫描；s4.根据光栅式扫描布局使用二维转台的光栅式移动，移动二维转台到下一个移动点进行s3步骤；s5.重复s4和s3步骤结合激光光斑的扫描捷变和二维转台的光栅式移动实现整个较大不确定区域的光信号复合扫描快速捕获跟踪。2.根据权利要求1所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述激光参数波前调制，包括光的焦距、激光发散角、光的相位、光的偏转角、光的能量分布。3.根据权利要求2所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述光的能量分布可以是方形分布、圆形分布或椭圆形分布。4.根据权利要求1所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述较大不确定区域为捕获角度为大于10mrad的不确定区域。5.根据权利要求1所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述光的跟踪距离为100～5000km。6.根据权利要求1所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述根据光的跟踪距离光斑形状的确定方法为，100～1000km采用方形分布跟踪，1000～3000km采用椭圆形分布跟踪，3000km以上采用圆形分布跟踪。7.根据权利要求6所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法，其特征在于：所述扫描捷变方式，方形分布跟踪采用九宫格非叠加型矩形扫描，椭圆形分布跟踪采用叠加型矩形扫描，圆形分布跟踪采用花瓣式旋转扫描。8.一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获系统，其特征在于：包括gps定位获取装置、激光快速建链装置，所述gps定位获取装置，用于获取主从端机的大致位置并确认光的跟踪距离，所述激光快速建链装置包括空间光调制器和二维转台，所述空间光调制器包括激光相位调制模块和固定焦距匹配透镜，通过激光相位调制模块构建变焦透镜，与固定焦距匹配透镜离焦配合，对激光参数进行波前调制，实现对激光束散角大小的控制和控制光束的整形偏转，所述二维转台通过移动实现复合跟踪并通过光栅式扫描布局实现较大不确定区域的快速全覆盖捕获跟踪，所述激光快速建链装置按权利要求1-7任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法对光信号进行捕获。9.一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获装置，其特征在于，包括存储器和处理器，所述储存器，用于存储计算机程序，所述处理器，用于当执行所述计算机程序时，实现如权利要求1-7任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。10.一种计算机可读的存储介质，所述存储设备存储有计算机程序，其特征在于：所述计算机程序被执行时实现如权利要求1-7任一项所述的针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法。

技术总结
本申请公开了一种针对较大不确定区域的光信号快速捕获方法、系统、装置和存储介质，基于波前调制技术及粗伺服转台相配合的超大不确定区域星间激光指向方向搜寻策略，通过采用空间光调制器件对激光的波前分布进行动态调制，利用空间光调制器百赫兹以上的捷变扫描速率，实现光斑在激光天线覆盖范围内的快速多形状扫描，并结合二维转台大范围搜索全部不确定区域，之后基于返回信号进行进一步的波前调制完成对目标载荷的精密捕获，实现快速的动态建链，解决了现有技术当不确定区域较大时捕获时间和建链搜寻时间长的问题，同时达到了提高捕获概率、简化工作方式、提高信噪比的有益效果。提高信噪比的有益效果。提高信噪比的有益效果。


技术研发人员：赵瑞
受保护的技术使用者：星辰光电科技（苏州）有限公司
技术研发日：2023.08.02
技术公布日：2023/10/15