[發明專利]一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器

有效

• 申請號: 201210288349.0
• 申請日: 2012-08-14
• 公開（公告）號: CN102879108A
• 公開（公告）日: 2013-01-16
• 發明（設計）人: 馬曉燠;饒長輝;郭友明;魏凱;魏凌;饒學軍
• 申請（專利權）人: 中國科學院光電技術研究所
• 主分類號: G01J9/00
• 分類號: G01J9/00;G01B11/00
• 代理公司: 北京科迪生專利代理有限責任公司 11251
• 代理人: 楊學明;顧煒

技術領域

本發明涉及傾斜跟蹤傳感器的技術領域，特別是一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，其為一種具有大動態范圍和高探測精度的光學精密跟蹤傳感器。?

背景技術

星-地光通信是指利用激光束為載體，建立衛星與地面間的光通信鏈路。與目前普遍采用的微波通信相比，星-地光通信具有通信容量大、系統尺寸和重量小、保密性強、電磁干擾少和頻帶寬等優點。因此，許多國家都投入了巨大的財力、人力和物力進行星-地光通信的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系統成功地完成星-地間激光通信試驗，證明了星-地間激光通信的可行性。美國的噴氣動力實驗室JPL（Jet?Propulsion?Lab）研制的星-地光通信演示機OCD（Optical?Communications?Demonstrator）數據傳輸率可達250Mbps，美國彈道導彈防御組織于空間和導彈防御司令部共同資助的STRV2星-地激光通信計劃預計在低軌道衛星與固定地面站之間建立距離為2000km，數據傳輸率為1Gbps的光通信鏈路。歐洲的歐空局ESA研制的GEO衛星AREMIS于2000年發射，其中的一條光鏈路可以實現衛星與位于Canary島的地面站間之間的通信。?

ATP（Acquisition，Tracking，Pointing）技術是星-地光通信中需要突破的核心技術之一，ATP系統由傾斜跟蹤器、控制單元和驅動單元組成。在星-地光通信的ATP系統中，由于光傳輸需要經過大氣這一隨機信道，受大氣湍流低階相差和衛星運動的影響，到達系統的光斑會大范圍地隨機抖動，為了保證星-地光通信鏈路的暢通，ATP系統中的傾斜跟蹤探測器必須具有大動態范圍、高探測精度、高靈敏度和高幀頻等特點。?

傾斜跟蹤探測器一般由成像透鏡、光電轉換器件和波前傾斜處理機組成。來自目標的光信號經成像透鏡匯集后投射在光電轉換器件的光敏面上形成目標光斑，當目標波前傾斜量改變時，目標光斑在光電轉換器件的光敏面上移動，光敏面上光能量分布改變，這時，波前傾斜處理機可以根據光電轉換器件輸出的光電信號來計算出目標光斑的質心位置從而解算出目標波前的傾斜量。光電轉換器件目前多采用CCD相機、CMOS相機或四象限探測器，其中CCD相機的低讀出幀頻的缺點限制了其在高幀頻探測中的應用；CMOS相機的大噪聲和低光敏感度等缺點限制了其在弱光探測中的應用。?

隨著多陽極光電倍增管的發展，基于多陽極光電倍增管的四象限探測器的四路信號可以并行輸出，并且單路信號具有光子靈敏度和僅暗計數噪聲的特點，因此具有高幀頻、高靈敏度和低噪聲的特點，是一種比較理想的光斑質心探測器件。受到加工工藝的限制，基于多陽極光電倍增管的四象限探測器的死區較大，受限于系統的動態范圍，成像透鏡的焦距不能無限制地增大以增大四象限探測器處光斑的高斯寬度，此時死區會大幅度地降低四象限跟蹤傳感器的精度（參見“受限于死區的四象限跟蹤傳感器的性能分析”，馬曉燠，母杰，饒長輝，物理學報，第22卷7期，第67頁-73頁，2012年7期）。?

為了保證星-地光通信中ATP系統動態范圍的同時提高系統的精度、減小四象限探測器死區對四象限跟蹤傳感器精度的影響，就成了一個很重要的研究課題。?

發明內容

本發明要解決的技術問題是：克服現有四象限探測器生產工藝技術的不足，減小死區對四象限跟蹤傳感器測量精度的影響，提供一種具有大動態范圍、高探測精度的光學精密跟蹤傳感器。?

本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種帶分光四棱錐的四象限跟蹤傳感器，包括成像透鏡、分光四棱錐和四象限探測器，在成像透鏡和四象限探測器之間放置一分光四棱錐，分光四棱錐的頂點與成像透鏡的焦點重合，分光四棱錐的中軸線與成像透鏡的光軸重合，四象限探測器的光敏面垂直于分?光四棱錐的中軸線，并且四象限探測器象限之間的分割線與分光四棱錐的四條棱在四象限探測器光敏面上的投影重合；分光四棱錐將入射波前經成像透鏡后形成的光斑分割并偏轉為四路出射光束，該四路光束分別由四象限探測器的四個光敏面接收，當入射波前發生傾斜時，入射波前經成像透鏡后形成的光斑在會偏離分光四棱錐的頂點，導致分光四棱錐四路出射光束的光強發生變化，由于四象限探測器的四路輸出信號正比于四路光束的光強，所以將四象限探測器的輸出信號通過質心計算公式計算后就可以得到焦平面處光斑的位置，從而反算出入射波前的傾斜量。?