本專利涉及高精度光學(xué)探測(cè)，具體涉及一種光斑中心提取的裝置，可用于空間激光通信捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中信標(biāo)光光斑中心的提取。

背景技術(shù)：
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衛(wèi)星激光通信的核心技術(shù)是捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)技術(shù)，而微弧度量級(jí)的跟瞄技術(shù)為其中的難點(diǎn)。高精度的跟瞄需要準(zhǔn)確的獲得跟瞄參考源的中心信息，以此跟瞄參考源的中心信息來指導(dǎo)衛(wèi)星終端光束的精確指向，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星激光通信鏈路的建立和維持。然而由于存在以下問題導(dǎo)致難以精確地提取信標(biāo)光斑中心：

1.捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精跟蹤子系統(tǒng)探測(cè)器需要同時(shí)滿足一定的視場(chǎng)和較高的信標(biāo)光斑中心提取精度，傳統(tǒng)的探測(cè)器對(duì)信標(biāo)光斑的中心進(jìn)行提取，存在探測(cè)器像元非均勻、填充率低、量子效率低等問題。

2.捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精跟蹤子系統(tǒng)探測(cè)器需要滿足較高的探測(cè)幀頻以實(shí)現(xiàn)較高精度的干擾抑制帶寬，傳統(tǒng)的探測(cè)器為實(shí)現(xiàn)較高的探測(cè)幀頻需要進(jìn)行復(fù)雜的電路設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本專利采用了基于棱鏡分割的方法，由分束器對(duì)待測(cè)光斑所在的光束進(jìn)行分割，分成水平方向和垂直方向的兩束光，分別進(jìn)入水平探測(cè)單元和垂直探測(cè)單元，水平探測(cè)單元和垂直探測(cè)單元的組成和原理相同，但空間的放置方位不同，每個(gè)探測(cè)單元內(nèi)的屋脊棱鏡將進(jìn)入的光束分成處于同一直線上、方向相反的兩束光，再對(duì)每束光用聚焦透鏡進(jìn)行匯聚，用硅光電二極管對(duì)其光強(qiáng)信息進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)所得的四路光強(qiáng)信息輸入工作計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以得出待測(cè)光斑的中心。

本專利一種基于棱鏡分割的光斑中心提取裝置包括：分束器1，水平探測(cè)單元2，垂直探測(cè)單元3，工作計(jì)算機(jī)4，其中水平探測(cè)單元2和垂直探測(cè)單元3的組成和原理相同，在空間中相互正交放置，水平探測(cè)單元2和垂直探測(cè)單元3分別都包括一個(gè)屋脊棱鏡、第一聚焦透鏡和第二聚焦透鏡、第一硅光電二極管和第二硅光電二極管，整個(gè)光斑中心提取裝置的特征在于：

光斑中心提取裝置放置在穩(wěn)定平臺(tái)上，并與穩(wěn)定平臺(tái)剛性連接；待測(cè)光斑中心的光束經(jīng)過分束器1后，分成水平方向和垂直方向的兩束光，水平方向和垂直方向的光束分別由水平探測(cè)單元2和垂直探測(cè)單元3進(jìn)行探測(cè)。光束進(jìn)入各探測(cè)單元內(nèi)，先被屋脊棱鏡分成處于同一直線上、方向相反的兩束光，然后分別由第一聚焦透鏡和第二聚集透鏡對(duì)兩束光進(jìn)行匯聚，再由第一硅光電二極管和第二硅光電二極管對(duì)匯聚后的光進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)。最后將兩個(gè)探測(cè)單元探測(cè)所得的四路光強(qiáng)信息輸入工作計(jì)算機(jī)4進(jìn)行數(shù)據(jù)處理以得到待測(cè)光斑的中心。

光斑中心的提取方法，其特征在于包括以下步驟：

1.使用光學(xué)元件進(jìn)行光束分割：使用分束器1將入射光束分成相互正交的水平方向光束和垂直方向光束，分別進(jìn)入水平探測(cè)單元2和垂直探測(cè)單元3進(jìn)行探測(cè)，各探測(cè)單元內(nèi)的屋脊棱鏡將光束分割為處于同一直線上，方向相反的兩束光。

2.光斑中心提取裝置的數(shù)據(jù)處理：在工作計(jì)算機(jī)4中，由水平探測(cè)單元探測(cè)所得的能量X1、X2與垂直探測(cè)單元探測(cè)所得的能量Y1、Y2，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，得到光斑中心坐標(biāo)(X,Y),運(yùn)算公式為：

$X=K\frac{(X1+Y1)-(X2+Y2)}{X1+X2+Y1+Y2}$

$Y=K\frac{(X1+X2)-(Y1+Y2)}{X1+X2+Y1+Y2}$

其中K為比例系數(shù)，由定標(biāo)結(jié)果給出。

本專利有如下有益效果：

1.使用屋脊棱鏡的脊對(duì)光斑進(jìn)行分割：利用屋脊棱鏡光學(xué)特性將入射光分成處于同一直線上、方向相反的兩束光，棱鏡的加工精度和剛度可達(dá)到較高的水平，在捕獲、跟蹤和瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中使用時(shí)，可以提高系統(tǒng)的抗振動(dòng)抗干擾能力。

2.使用硅光電二極管進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)：硅光電二極管光敏面大、可實(shí)時(shí)輸出入射光的能量信息，滿足系統(tǒng)對(duì)高探測(cè)幀頻的需求，可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)較高的線性度和靈敏度。

3.使用四個(gè)獨(dú)立的硅光電二極管進(jìn)行光強(qiáng)探測(cè)，方便進(jìn)行不同硅光電二極管的一致性標(biāo)定，從而可以達(dá)到較高的光斑中心提取精度。

4.系統(tǒng)集成性較高，具有高性能，高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說明：

圖1是光斑中心提取方法的系統(tǒng)原理圖。圖中：分束器1；水平探測(cè)單元2；垂直探測(cè)單元3；工作計(jì)算機(jī)4。

圖2是水平探測(cè)單元或垂直探測(cè)單元的原理圖。圖中：屋脊棱鏡5；第一聚焦透鏡6；第二聚焦透鏡7；第一硅光電二極管8；第二硅光電二極管9。

具體實(shí)施方式：

下面結(jié)合附圖對(duì)本專利的具體實(shí)施方式作進(jìn)一步的說明：

本專利一種光斑中心提取方法的裝置如附圖1所示，使用分束器對(duì)入射光進(jìn)行分割，分成水平方向和垂直方向的兩束光，兩束光分別進(jìn)入水平探測(cè)單元和垂直探測(cè)單元內(nèi)，每個(gè)探測(cè)單元的組成如附圖2所示，進(jìn)入每個(gè)探測(cè)單元中的光束被屋脊棱鏡分成處于同一直線，方向相反的兩束光，每束光使用聚焦透鏡進(jìn)行匯聚，再使用硅光電二極管對(duì)匯聚后的光進(jìn)行能量探測(cè)。入射光選用670nm的激光器經(jīng)過平行光管模擬遠(yuǎn)距離的平行光，接收光學(xué)系統(tǒng)選用200mm口徑2m焦距的望遠(yuǎn)鏡。分束器選用THORLABS公司分束比為50:50的非偏振分束立方體BS031，其工作波長(zhǎng)最佳波長(zhǎng)在400nm到700nm之間；屋脊棱鏡選用THORLABS公司的刀鋒直角屋脊棱鏡MRAK25-E02，其工作波長(zhǎng)最佳波長(zhǎng)在400nm到750nm之間；硅光電二極管選用THORLABS公司的SM1PD1B已封裝的大面積硅光電二極管，陽(yáng)極接地，光敏面的直徑為9mm。水平探測(cè)單元和垂直探測(cè)單元探測(cè)所得共四路光的光強(qiáng)信息傳入工作計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而可得出待測(cè)光斑的中心位置信息。