专利名称：自由空间光通信系统中的激光瞄准器的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。

发明内容
本发明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。
为实现上述发明目的，本发明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。
本发明的优点是
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。


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发明的实施例，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。电路中对每个电压进行了加+2.5v电压，并衰减了一半，然后反向的处理。
图5是是模数转换接口的口地址译码电路图。A/D转换口地址的译码电路由译码器IC1(74LS00)和IC2(74LS30)及3～8线译码器IC3(74LS138)所组成。该译码电路受PC机IOW和IOP信号控制。只有在进行I/O读写操作时，该译码电路才起作用。
图6是模数转换的电路图。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。模数转换电路(A/D电路)采用带有8通道的ADC0809集成电路IC6，输入电压范围为0～5v，采用查询工作方式。该电路用IC7(74LS90)将PC机扩充槽的时钟信号CLK分频变成适合ADC0809工作的频率。采样保持由IC4(74L123)完成。其触发脚经过非门IC5(74LS04)接到ADC0809的START脚。当计算机的CPU启动ADC0809时，START发生正电压跳变，同时触发74L123进入保持状态。ADC0809的EOC经非门IC8(74LS04)与计算机的CPU的INT1连接，保证系统以查询方式工作。ADC0809的START和OE脚经或，非门IC9与计算机的CPU的P2，7、WR、RD联结。使本电路用了三个口地址，口地址分配如下278H用于启动ADC0809开始转换。
279H用于检查A/D转换结束否。
27AH用于向ADC0809发送允许输出信号OE，以便将转换的数据取走。
用口地址278H作为ADC0809启动信号送入地址。启动信号由数据D7位产生，而通道信号由D0、D1和D2产生。当选中278H口地址，并且D7位是1时，则经由与非门U产生一负跳变，用此信号触发单稳态触发器，产生宽度约1微秒左右的启动脉冲，用于启动A/D进行转换。实现此过程可用如下指令序列，如对0通道启动采样，用D7位产生1～0的变化，以形成一个启动A/D转换的脉冲。而D2、D1和D0保持不变。
采用查询方式，对口地址279H不断进行读出操作，以确定转换是否结束，当D7位为1时，表示转换结束，可用口地址27AH将转换结果取走，可采用如下指令序列对其他三个位置敏感器的输出信号，也是由相同的口地址译码电路。经三个通道接入到ADC0809的A、B和C。
这样就可以通过计算机三个激光发射器传到位置敏感器的输出信号，用三光点法的计算相关的位置敏感器输出信号的差(包含着位置信息与强度信息)与和(只包含着强度信息)的商，就可以获得位置信息。即可以直接将目标的相对位置和姿态在计算机显示器上输出。
权利要求
1.一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。
2.按照权利要求1所述的自由空间光通信系统中的激光瞄准器，其特征是调制信标光源(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。
3.按照权利要求1所述的自由空间光通信系统中的激光瞄准器，其特征是调制信标光源(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。
4.按照权利要求1和2所述的自由空间光通信系统中的激光瞄准器，其特征是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。
5.按照权利要求1所述的自由空间光通信系统中的激光瞄准器，其特征是信号处理器(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。
6.按照权利要求1所述的自由空间光通信系统中的激光瞄准器，其特征是接口电路(5)在0～5v输入电压范围内，将信号处理器(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。
全文摘要
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、接收光学天线、位置敏感器、信号处理器、接口电路和计算机组成，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。本发明结构简单、体积重量小，精度高、速度快。可用于航天飞行器交会对接，机器人视觉，在线监测和监控目标等场所。
文档编号G01S7/48GK1624493SQ20031010773
公开日2005年6月8日 申请日期2003年12月4日 优先权日2003年12月4日
发明者戴永江, 唐英千, 戴超 申请人:戴永江, 唐英千, 戴超