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CN102798849B - 一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法 - Google Patents

一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法，该方法利用串扰矩阵来表征多像素光斑质心探测器的串扰特性，将多像素光斑质心探测器输出的受串扰影响的光强阵列信号左乘上串扰矩阵的逆矩阵，从而得到解串扰后光强分布信号，再利用解串扰后光强分布信号计算得到光斑质心，与传统的直接利用受串扰影响的信号计算光斑质心的方法相比，本发明可以去除由于串扰引起的光斑质心偏移，从而提高光斑质心的探测精度。

Description

一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法
技术领域
本发明涉及多像素光斑质心探测的技术领域，特别是一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法。
背景技术
星-地光通信是指利用激光束为载体，建立卫星与地面间的光通信链路。与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、系统尺寸和重量小、保密性强、电磁干扰少和频带宽等优点。因此，许多国家都投入了巨大的财力、人力和物力进行星-地光通信的研究。其中日本于1995年7月首次利用ETS-VI系统成功地完成星-地间激光通信试验，证明了星-地间激光通信的可行性。美国的喷气动力实验室JPL（Jet Propulsion Lab）研制的星-地光通信演示机OCD（Optical Communications Demonstrator）数据传输率可达250Mbps，美国弹道导弹防御组织于空间和导弹防御司令部共同资助的STRV2星-地激光通信计划预计在低轨道卫星与固定地面站之间建立距离为2000km，数据传输率为1Gbps的光通信链路。欧洲的欧空局ESA研制的GEO卫星AREMIS于2000年发射，其中的一条光链路可以实现卫星与位于Canary岛的地面站间之间的通信。
ATP（Acquisition，Tracking，Pointing）技术是星-地光通信中需要突破的核心技术之一，ATP系统由倾斜跟踪器、控制单元和驱动单元组成。系统在工作时，倾斜跟踪探测器能够实时地为控制单元提供目标波前的倾斜量，控制单元根据目标波前的倾斜量计算出需要加载到驱动单元上的电压量，驱动单元在电压的作用下旋转一定的角度和方向，从而使系统的入瞳能够实时地对准移动中的被测目标（参见“光学瞄准及自动跟踪系统设计”，夏江涛，电光与控制，第16卷5期，第74页-77页，2009年5月）。
在星-地光通信的ATP系统中，由于光传输需要经过大气这一随机信道，受大气湍流低阶相差和卫星运动的影响，到达系统的光斑会大范围地随机抖动（参见“背景光及大气湍流对空地激光通信接收光斑产生的影响”，李晓峰，胡渝，无线光通信，第22页-24页，2004年10期），同时，在星-地光通信中，受到航天器载重的影响，卫星上激光信号的发射功率有限，经长距离的大气传输后，大气会散射和吸收掉大部分光能量（参见“空-地光通信系统的方案设计和关键技术分解及信道仿真”，刘淑华，电子科技大学硕士学位论文，2002年），为了保证星-地光通信链路的畅通，ATP系统中目标波前倾斜量的提供单元—倾斜跟踪探测器必须具有大动态范围、高探测精度、高灵敏度和高帧频等特点。
倾斜跟踪探测器一般由成像透镜、光电转换器件和波前倾斜处理机组成。来自目标的光信号经成像透镜汇集后投射在光电转换器件的光敏面上形成目标光斑，当目标波前倾斜量改变时，目标光斑在光电转换器件的光敏面上移动，光敏面上光能量分布改变，这时，波前倾斜处理机可以根据光电转换器件输出的光电信号来计算出目标光斑的质心位置，从而解算出目标波前的倾斜量。光电转换器件目前多采用CCD相机、CMOS相机或多阳极PMT，其中CCD相机的低读出帧频的缺点限制了其在高帧频探测中的应用；CMOS相机的大噪声和低光敏感度等缺点限制了其在弱光探测中的应用；多阳极PMT是通过在空间上的特殊设计，将多个PMT集成在一个封装内，不同引脚的输出信号与光阴极的空间位置对应.所以多阳极PMT可以用做多像素光斑质心探测器。
然而，由于制作工艺的原因，在多阳极光电倍增管的阳极处没有做屏蔽，因此，当多阳极光电倍增管工作在光子计数状态时，由于极间电容的耦合作用，当一个像素产生一个光-电脉冲时，其余像素也会产生一个较小的电脉冲，当串扰产生的小脉冲高于阈值电平后，后端电路会认为是一个光-电脉冲，从而产生一次伪光子计数，伪光子计数会严重影响输出信号的准确度，从而影响光斑质心探测的精度。
为了保证星-地光通信中ATP系统的倾斜跟踪探测器系统具有高探测精度、高灵敏度和高帧频等要求，如何降低多像素光斑质心探测器中像素间的串扰对光斑质心探测精度的影响，为星-地光通信中ATP系统的倾斜跟踪探测器提供核心解决方案，就成了一个很重要的研究课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法，克服现有加工工艺引起的多像素光斑质心探测器中，像素之间由于串扰引起的输出信号误差导致光斑质心测量偏移误差。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法，其特征在于：首先通过串扰率的测试装置测量得到像素间的串扰率，然后将像素间的串扰率排列成表征探测器的串扰特性的串扰矩阵，最后在计算光斑质心前，先将探测器输出的信号左乘上串扰矩阵的逆矩阵，从而还原出不受串扰影响的光强分布信号，再利用不受串扰影响的光强分布信息计算光斑质心，则可以去除由于串扰引起的光斑质心偏移，提高光斑质心的探测精度。
所述的串扰矩阵是到达的真实信号与探测输出信号之间的桥梁，首先按照图3所示给每个像素编号，当探测器上有m×n个像素时，像素的编号为1~l,l＝m×n；然后测量每两个像素之间的串扰率cij；最后将测量得到的串扰率排列成如下矩阵形式：
C = 1 c 12 c 13 . . . c 1 l c 21 1 c 23 . . . c 2 l c 31 c 32 1 . . . c 3 l . . . . . . . . . . . . . . . c l 1 c l 2 c l 3 . . . 1
串扰矩阵C中的元素cij的物理意义为：当第j号像素上真实的信号为Pj时，第i号像素上由于串扰而产生的信号为cij·Pj。
所述的每两个像素之间的串扰率cij的测试装置如图2所示，平行光管出射的平行光通过经过二维可调反射镜反射后，再经过反射镜反射及成像透镜汇聚在多像素光斑质心探测器上形成光斑；通过调整二维可调反射镜的反射角度来调整光斑在多像素光斑质心探测器上的位置；当光斑完全落在编号为j号像素处时，记录多像素光斑质心探测器第1~l号像素的输出信号P1~Pl，并根据公式cij＝Pi/Pj计算串扰矩阵C中第j列的元素cij,i∈[1~l]；依次测量多像素光斑质心探测器中每个像素的串扰率，从而得到串扰矩阵C。
本发明与现有技术相比有如下优点：
（1）、本发明采用串扰矩阵表征多像素光斑质心探测器像素间的串扰特性，并通过对质心探测器的输出信号左乘串扰矩阵逆矩阵的方法还原出不受串扰影响的光强分布信号，再利用不受串扰影响的光强分布信息计算光斑质心，则可以去除由于串扰引起的光斑质心偏移，提高光斑质心的探测精度。
（2）、本发明提出了一种测量多像素光斑质心探测器像素间串扰率的装置和方法，可以简单快速和准确地测量多像素光斑质心探测器像素间串扰率，从而得到表征多像素光斑质心探测器像素间的串扰特性的串扰矩阵。
附图说明
图1为本发明中消除由于串扰引起光斑质心偏移的流程图；
图2为本发明中测量多像素光斑质心探测器像素间串扰的装置图；
图3为本发明中像素位置及编号示意图；
图4为本实施例中的串扰矩阵图；
图5为本实施例中解串扰前的光斑图（左）和解串扰后的光斑图（右）；
图6为本实施例中解串扰前和解串扰后的光斑质心位置曲线（左）及解串扰前和解串扰后的光斑质心误差曲线（右）。
图中：1：平行光管，2：二维可调反射镜，3：反射镜，4：成像透镜，5：多像素光斑质心探测器，6：计算机。
具体实施方式
受到目前加工工艺的影响，多像素光斑质心探测器5的像素之间会产生串扰，因此，直接利用多像素光斑质心探测器5的输出信号计算光斑质心会产生很大的偏移误差。本发明采用串扰矩阵表征多像素光斑质心探测器5像素之间的串扰特性，先利用像素间的串扰率测量装置测量多像素光斑质心探测器5像素间的串扰率；再将不同像素间的串扰率排列成串扰矩阵；然后将多像素光斑质心探测器5的输出信号左乘上串扰矩阵的逆矩阵，得到解串扰后的输出信号；最后利用解串扰后的输出信号计算光斑质心位置。
在本实施例中，多像素光斑质心探测器5的像素阵列数为20X20。具体实施过程如下：
（1）将多像素光斑质心探测器5的像素按图3的方式从1到400编号；
（2）调整二维可调反射镜2的反射角度，使成像透镜4的汇聚光斑完全集中在像素编号为1的像素内（汇聚光斑的高斯宽度<像素尺寸的1/3倍）；
（3）通过计算机6记录多像素光斑质心探测器5的20X20输出信号，并将信号按照多像素光斑质心探测器5的像素编号的方式从1到400号排列得到向量a1＝k1·[s(1,1),s(1，2),s(1，3)...s(1，400)]，其中，s(i，j)表示表示光斑位于第i号像素上时，第j号像素的输出值，k1＝1/s(1，1)；
（4）重复步骤2和步骤3，调整二维可调反射镜2的反射角度，使成像透镜4的汇聚光斑从像素编号1到400依次扫描，计算机6依次记录多像素光斑质心探测器5的输出信号，ki的取值为1/s(i，i)，得到向量a1到a400；
（5）得到多像素光斑质心探测器5的串扰矩阵为：C＝[a′1 a′2...a′400]，其中：“′”表示矩阵的转置，串扰矩阵的大小为400×400，串扰矩阵图如图4所示，通过串扰矩阵图可知，像素间的空间距离越近，串扰越明显，因此串扰率越大；
（6）计算串扰矩阵C的逆矩阵D；
（7）将多像素光斑质心探测器5用于光斑质心探测中，得到受到串扰影响的输出阵列信号（如图5左所示），将输出阵列信号按照按图3的方式从1到400编号，得到向量E＝[e1,e2,...e400]'，其中，ei表示第i号像素的输出值，“′”表示矩阵的转置；
（8）将向量E左乘串扰矩阵的逆矩阵D，得到解串扰后的信号向量Ea，即：Ea＝D*E；
（9）将解串扰后的信号向量按照Ed图3的方式重新排列为m×n的光斑信号阵列形式，得到如图5右所示的解串扰后的光斑信号阵列Em；
（10）将解串扰后的光斑信号阵列用于光斑质心计算，光斑质心计算的公式为： x c = &Sigma; j = 1 n &Sigma; i = 1 m [ j &CenterDot; E m ( i , j ) ] &Sigma; i = 1 m &Sigma; j = 1 n E m ( i , j ) , y c = &Sigma; i = 1 m &Sigma; j = 1 n [ i &CenterDot; E m ( i , j ) ] &Sigma; i = 1 m &Sigma; j = 1 n E m ( i , j ) .
图6左为解串扰前和解串扰后的光斑质心位置曲线，显然，解串扰前光斑的位置曲线较为平缓，表示串扰严重影响了多像素光斑质心探测器5的位移灵敏度从而造成了光斑质心偏移；图6左为解串扰前和解串扰后的光斑质心测量误差曲线，显然，解串扰前的光斑质心测量误差随着光斑质心位置相对于多像素光斑质心探测器5中心位置偏移量的增大而增大，而解串扰后消除了光斑质心测量误差中的光斑质心整体偏移误差，仅剩下噪声引起的光斑质心测量起伏。
由图6可知，本发明解串扰的方法去除了多像素光斑质心探测器5像素间的串扰引起的光斑质心偏移误差，提高了光斑质心测量的精度。
本发明未详细阐述的内容为本领域技术人员的公知常识。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法，其特征在于：首先通过串扰率的测试装置测量得到像素间的串扰率，然后将像素间的串扰率排列成表征探测器的串扰特性的串扰矩阵，最后在计算光斑质心前，先将探测器输出的信号左乘上串扰矩阵的逆矩阵，从而还原出不受串扰影响的光强分布信号，再利用不受串扰影响的光强分布信息计算光斑质心，则可以去除由于串扰引起的光斑质心偏移，提高光斑质心的探测精度；
所述的串扰矩阵是到达的真实信号与探测输出信号之间的桥梁，首先给每个像素编号，当探测器上有m×n个像素时，像素的编号为1～l,l＝m×n；然后测量每两个像素之间的串扰率cij；最后将测量得到的串扰率排列成如下矩阵形式：
C = 1 c 12 c 13 . . . c 1 l c 21 1 c 23 . . . c 2 l c 31 c 32 1 . . . c 3 l . . . . . . . . . . . . . . . c l 1 c l 2 c l 3 . . . 1
串扰矩阵C中的元素cij的物理意义为：当第j号像素上真实的信号为Pj时，第i号像素上由于串扰而产生的信号为cij·Pj。
2.根据权利要求1所述的一种消除由于串扰引起光斑质心偏移的方法，其特征在于：所述的每两个像素之间的串扰率cij的测试装置包括平行光管（1），二维可调反射镜（2），反射镜（3），成像透镜（4），多像素光斑质心探测器（5）和计算机（6）；其中，平行光管（1）出射的平行光通过经过二维可调反射镜（2）反射后，再经过反射镜（3）反射及成像透镜（4）汇聚在多像素光斑质心探测器（5）上形成光斑；通过调整二维可调反射镜（2）的反射角度来调整光斑在多像素光斑质心探测器（5）上的位置；当光斑完全落在编号为j号像素处时，记录多像素光斑质心探测器（5）第1～l号像素的输出信号P1～Pl，并根据公式cij＝Pi/Pj计算串扰矩阵C中第j列的元素cij,i∈[1～l]；依次测量多像素光斑质心探测器（5）中每个像素的串扰率，从而得到串扰矩阵C。
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