CN103441798B - 在轨空间光通信终端像差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
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。
Description
技术领域
本发明涉及一种像差补偿方法，具体涉及在轨空间光通信终端像差补偿方法。
背景技术
自1960年激光器诞生以来，光电子事业开始蓬勃发展。光学已开始在医疗、工业加工、测量、通信、电力等诸多领域服务社会。随着现代社会对信息的需求日益增加，光通信技术已成为人们关注与研究的重点。
随着卫星技术的不断发展，卫星对通讯数据率的需求也不断提高。卫星光通信因其通信数据率高、保密性好、抗干扰能力强、终端体积小、功耗低等优点已成为美国、日本及欧洲等国家和地区研究的热点。光通信主要分为光纤通信与卫星光通信(无线光通信)。光纤通信技术现已比较成熟，并已经到投入到社会生产生活当中。而卫星光通信则仍在积极的探索与实践中。卫星光通信与普通卫星通信(微波通信)相比，有着其自身的特点。卫星光通信的优点在于：通信数据率高(可达2～5Gb/s)、抗干扰能力强、保密性好、通信终端体积、功耗与重量远远小于微波通信等。当然，卫星光通信也存在其自身的问题，即卫星与地面的激光通信链路受大气及降雨影响比较大。然而这些问题可以通过加设地面站及通过中继星通信等光通信组网技术来解决。
在卫星光通信***中，瞄准、捕获、跟踪(PAT)技术是关系到激光通信链路能否建立的关键技术。影响PAT技术的一个关键参量是通过跟踪传感器对对准角度的测量，其实质是通过图像传感器对信标光斑图像灰度质心的计算。
卫星激光通信***是工作在光学衍射极限、通信距离极限及光电探测极限条件下高灵敏度的通信***。为保证通信链路在如此苛刻的条件下具有良好的通信性能，***对卫星光通信终端的各项性能指标及光束的质量都有极高的要求。
由于在轨环境影响及发射后一些不可预知因素的原因，卫星光通信终端即使在随航天器15发射前进行过地面像差补偿，但在在轨运行期间仍然有可能产生新的像差，这些像差对信标光斑成像的影响会光斑灰度质心定位的精度。由于光斑灰度质心是影响角度探测的关键量，因此如果不对这些新产生的像差对光斑质心定位的影响进行及时的修正，光斑灰度质心的定位不准确将直接影响通信的瞄准捕获跟踪过程，严重时甚至可能导致通信链路的中断。
因此，为了实现高质量的空间光通信，需要在光通信终端在随航天器15发射之后仍然能够消除***中信产生的像差对光斑质心定位影响。通过在光通信终端光学***中加装自适应***来自动校正可以实现上述目的。但是由于自适应***不仅造价昂贵，而且在终端中加装该***还会带来额外的功耗，增加终端体积及重量的同时也增加了终端发射的成本。因此目前还没有空间光通信终端加装自适应***的案例。
发明内容
本发明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，从而提出了在轨空间光通信终端像差补偿方法。
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、第一分光棱镜、整形透镜组和CMOS图像传感器，
入射至望远镜的光束经压缩后入射至第一分光棱镜，
经第一分光棱镜折射的基准光束经整形透镜组入射至CMOS图像传感器，
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、采用主控计算机向编码器发送编码指令，同时控制半导体激光器发光，编码器为半导体激光器提供调制信号，所述的半导体激光器的光纤发射头位于平行光管的焦点上，主控计算机的图像信号端连接CMOS图像传感器的图像信号端，执行步骤二；
步骤二、将波前传感器放置于平行光管的出光口，使经平行光管的原始光束入射至波前传感器表面的探测区域，主控计算机根据波前传感器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的入光口与平行光管的出光口的对准角度为0rad，使经平行光管的激光入射至望远镜的入光口，执行步骤四；
步骤四、采用主控计算机读取CMOS图像传感器采集的基准光图像信号，将所述的基准光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表示望远镜的入光口与平行光管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次调整望远镜的入光口与平行光管的出光口的对准角度时的基准光图像信号的光斑质心坐标作为坐标，
步骤五、将二维微动平台放置在望远镜的出光口，使经望远镜出光口的光束入射至二维微动平台，经空间光调制器入射至第二分光棱镜，经第二分光棱镜透射的光束入射至波前传感器，经第二分光棱镜折射的测试光束入射至整形透镜组，经整形透镜组整形的测试光束入射至CMOS图像传感器，
采用主控计算机的微动平台驱动信号输出端连接二维微动平台驱动器，
二维微动平台驱动器的控制信号输出端连接二维微动平台的控制信号输入端；
采用主控计算机的光调制驱动信号输出端连接空间光调制器驱动器的光调制驱动信号输入端，
空间光调制器驱动器的控制信号输出端连接空间光调制器的控制信号输入端，
执行步骤六；
步骤六、采用主控计算机读取CMOS图像传感器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、空间光调制器、第二分光棱镜和整形透镜组的位置，使测试光束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次调整望远镜的入光口与平行光管的出光口的对准角度时的测试光束图像信号的光斑质心坐标，
步骤七、采用主控计算机通过控制二维微动平台驱动器调整二维微动平台，使二维微动平台的工作范围处于初始位置，
采用主控计算机通过控制空间光调制器驱动器调整空间光调制器，使空间光调制器的工作范围处于初始位置，
采用主控计算机读取CMOS图像传感器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，
采用主控计算机通过波前传感器采集光束质量数据，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次调整望远镜的入光口与平行光管的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器或第i次调节二维微动平台时的光束质量数据，该光束质量数据作为泽尼克多项式系数；Ckji表示在第k次调整望远镜的入光口与平行光管的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器或第i次调节二维微动平台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；二维微动平台以10nm为步进单位进行200次调节，二维微动平台的初始位置为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；空间光调制器的工作范围为0灰度值-255灰度值，空间光调制器以8灰度值为单位步进量进行32次调节，空间光调制器的初始位置为0灰度值，
步骤八、调整二维微动平台的倾角，并同时调整空间光调制器的相位和灰度，使CMOS图像传感器采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器和二维微动平台补偿波前像差，执行步骤九；
步骤九、采用主控计算机读取波前传感器采集的波形信号，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***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、采用主控计算机读取CMOS图像传感器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次调整望远镜的入光口与平行光管的出光口在对准角度、第j次调节空间光调制器或第i次调节二维微动平台时的新的光斑质心坐标，
步骤十二、采用主控计算机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，若是执行步骤十六，若否执行步骤十五；
步骤十五、采用主控计算机读取CMOS图像传感器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，
采用主控计算机通过波前传感器采集光束质量数据，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、调整二维微动平台的倾角，并同时调整空间光调制器的相位和灰度，使CMOS图像传感器采集的测试光的光束产生微扰，即通过空间光调制器和二维微动平台补偿波前像差，执行步骤十七；
步骤十七、采用主控计算机读取波前传感器采集的波形信号，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***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、采用主控计算机读取CMOS图像传感器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的入光口与平行光管的出光口的对准角度是否为3mrad，若是将旋转望远镜，使该望远镜的入光口与平行光管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，使该望远镜的入光口与平行光管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、判断望远镜的入光口与平行光管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在轨运行，CMOS图像传感器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图像传感器采集的信标光的数据发送至地面主控中心，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。
携带光通信终端的航天器将CMOS图像传感器采集的信标光的数据通过通信中继卫星和通信卫星地面遥测基站发送至地面主控中心。
携带光通信终端的航天器将CMOS图像传感器采集的信标光的数据通过通信卫星地面遥测基站发送至地面主控中心。
携带光通信终端的航天器将CMOS图像传感器采集的信标光的数据通过激光通信经光通信面基站发送至地面主控中心。
本发明所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法在地面测试模拟阶段通过辅助设备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，所述的辅助设备包括二维微动平台、二维微动平台驱动器、主控计算机、空间光调制器驱动器、空间光调制器、第二分光棱镜、波前传感器、编码器、平行光管和半导体激光器，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，由于角探测精度是靠光斑质心定位精度决定的，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。
附图说明
图1为在地面测试模拟阶段对空间光通信终端进行调整的结构示意图；
图2为空间光通信终端的结构示意图；
图3为对平行光管13进行调试的结构示意图；
图4为空间光通信终端在轨阶段与地面通信的结构示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图4具体说明本实施方式，本实施方式所述的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，
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***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***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。
在进行像差补偿方法之前，需采用干涉仪和辅助CCD调整半导体激光器14的光纤发射头的位置，使半导体激光器14的光纤发射头放置在平行光管13焦点上。
在本实施方式的步骤一中，通过平行光管13将半导体激光器14发射的光束整形为平行光束，在实际应用中空间光通信终端接收的是来自远场的平行光束，半导体激光器14发出的光束散角较大，需要通过平行光管13整形后空间光通信终端才能接收。
具体实施方式二、本实施方式与具体实施方式一所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法的区别在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器15将CMOS图像传感器11采集的信标光的数据通过通信中继卫星16和通信卫星地面遥测基站19发送至地面主控中心18。
具体实施方式三、本实施方式与具体实施方式一所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法的区别在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器15将CMOS图像传感器11采集的信标光的数据通过通信卫星地面遥测基站19发送至地面主控中心18。
具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法的区别在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器15将CMOS图像传感器11采集的信标光的数据通过激光通信经光通信面基站17发送至地面主控中心18。
Claims (4)
1.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，使测试光束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束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***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，若是执行步骤十六，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***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。
2.根据权利要求1所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法，其特征在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器(15)将CMOS图像传感器(11)采集的信标光的数据通过通信中继卫星(16)和通信卫星地面遥测基站(19)发送至地面主控中心(18)。
3.根据权利要求1所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法，其特征在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器(15)将CMOS图像传感器(11)采集的信标光的数据通过通信卫星地面遥测基站(19)发送至地面主控中心(18)。
4.根据权利要求1所述的在轨空间光通信终端像差补偿方法，其特征在于，所述的通信通道为：携带光通信终端的航天器(15)将CMOS图像传感器(11)采集的信标光的数据通过激光通信经光通信面基站(17)发送至地面主控中心(18)。
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