[实用新型]一种星载激光通信ATP系统光斑探测相机

说明书

技术领域：

本专利涉及一种光学跟踪、瞄准系统中的探测相机，具体涉及一种星载激光通信ATP系统的光斑探测相机。

背景技术：

在星地或者星间激光通信中，由于通信距离远、光束窄以及存在外界干扰（如大气影响、卫星振动等），必须采用捕获（Acquisition），跟踪(Tracking)和瞄准(Pointing)系统来建立维持光通信链路。该系统简称ATP系统。ATP系统中，通信链路的一方发出一束较宽的信标光进行扫描，另一方搜索该信标光。信标光进入该探测器视场并且被正确探测到，这个过程称为捕获；ATP系统将信标光捕获后，双方根据探测器提供的视轴偏差，控制跟踪机构，使其视轴跟随入射光的视轴变化，称为跟踪；在跟踪的基础上，双方的视轴正确地指向对方视轴，称为瞄准。双方视轴可靠瞄准后，发射端发射时间同步光使双方建立时间同步，此时光通信链路已经建立，可以打开光束较窄的信号激光进行通信。其中光斑探测相机用于探测激光通信链路的信标光方向，使系统得到通信链路光束指向的角度偏差，以此获得通信终端的位置信息，进而建立并维持通信链路。

通常空间激光通信系统采用的通信激光发散角非常小（几十μrad左右），这对ATP系统提出了很高的跟瞄精度要求（一般要小于20μrad）。因此，用于建立和维持通信链路的光斑探测相机必须有非常高的探测精度（一般需要小于1μrad）。在已经实现的欧空局SILEX计划、日本的ETS-VI计划和OICETS计划中，它们的ATP系统都达到了优于±2μrad的跟瞄精度，这些计划的粗跟踪系统都使用了CCD探测相机，SILEX计划的精跟踪系统使用了CCD相机，ETS-VI计划和OICETS计划的精跟踪相机则是四象限雪崩管探测器。但是由于这些探测器构造上的缺陷使得现有相机系统还存在诸多不足：四象限雪崩管探测器只有四个探测像元、探测阵面小、像元一致性不佳，这导致以它为基础设计的探测相机视场小、探测概率和精度都较低，而且不能灵活的改变跟踪中心；CCD探测器需要多种电压来转移信号电荷，功耗较高，又由于集成化程度低，需要多种配置电路配合才能使用，增加了相机的复杂性，而且还存在着帧转移时的拖尾现象。

而随着CMOS探测器的日渐成熟，利用CMOS探测器来实现星载ATP系统的光斑探测相机也成为了切实可行的方案，也能避免上述的诸多缺点。CMOS探测器集成化程度高功耗小，易于实现大规模面阵，其灵活的开窗功能还可进一步提高帧频，且易于修改光斑跟踪中心。这些优势使得CMOS探测器易于满足远距离激光通信ATP系统中粗跟踪探测相机大视场的需求，也易于实现精跟踪探测相机的高帧频。但是直至目前还未有基于CMOS探测器的光斑探测相机在空间激光通信ATP系统中应用。

发明内容：

本专利的目的在于针对星间或星地激光通信ATP系统，提供一种高精度的光斑探测相机，使激光通信系统在发射到太空轨道时，能够实现对通信目标的探测跟踪，建立并维持稳定的通信链路。本专利同样适用于地面端激光通信ATP系统。

本专利的方法是利用大口径的卡式望远镜接收外界光束，经过滤光片处理后只剩下信标光进入探测器阵面，这保证相机探测到得是信标光，排除了外界杂光干扰。具有抗辐照能力并内部集成模数转换（ADC）的CMOS探测器在现场可编程门阵列芯片（FPGA）控制下完成光电转换和模数转换，进而将图像数据输出给FPGA。FPGA芯片采用高精度、低延时的质心算法完成对信标光光斑质心位置的提取，并通过三个通信通道与外界完成信息交互。

其中FPGA通过RS-422接收通道获得相机的工作参数，完成对探测器的开窗大小、积分时间、阈值设置、坏点剔除等配置工作；通过RS-422发送通道向跟踪系统发送计算得到的质心信息，为整个ATP系统提供通信终端的位置信息；同时通过LVDS通信通道实时发送采集到的图像信息，可用于实时监测、分析相机的工作状态，在星地间通信时，由该通道得到的高帧频图像数据还可用于对大气的研究。

本专利采用探测器是CMOS探测器，它的像元是独立编址的。它是通过行地址和列地址进行直接寻址，然后将该地址所在像元积累的电荷经过放大器放大，再经过ADC转化为数字量被读取。利用这种可直接寻址到像元的特点，使得本专利可以根据需求灵活改变图像读出的开窗大小，在开小窗口时不但避免了大量的图像数据传输而且提高了帧频。这种像元独立读取的方式还避免了CCD探测器中因电荷转移引起的光晕现象。相机采用的探测器具有抗辐射能力，这使得本专利能够适应太空的高辐射环境。