激光通信之信标光定位技术研究

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1、激光通信之信标光定位技术研究1引言1.1课题的背景及意义空间激光通信以激光作为信息传输介质，其工作载频的频率远远高于传统射频通信，因此激光通信拥有巨大的数据传输速率提升潜力。激光频率高、波数小使得激光的衍射效应较射频不明显，从而波束能量更加集中，使得激光通信具有很强的方向性特点，可以避免传统射频通信链路之间的干扰以及保密性弱等问题。激光的频率较高还可以使光学链路工作于较小的孔径尺寸，能够减小相关组件的尺寸与重量。由于激光通信系统所具有的独特优势，使得当对通信终端尺寸和重量有严格限制时的高速率数据

2、传输成为了可能，可以适用于卫星通信等应用[1-9]。但是激光强方向性特点引入了射频通信中不存在的问题，即在空间激光通信的过程中，通信终端需要准确地获得对方所处的位置信息，并实现两个通信终端间极为精准的相互对准，否则完全无法通信。因此，每一个通信终端都需要具备完整的捕获、跟踪、瞄准功能。作为通信终端的望远镜捕获来自通信对象的信标光信号，利用信标光在图像传感器上成像光斑的位置互相定位，实现跟踪定位，然后通过望远镜系统光路中的精调镜，基于信标光定位信号完成望远镜瞄准。因此，为了实现光通信终端间的精确对

3、准以保证通信效率，激光通信中的信标光定位技术具有重要研究意义。1.2激光通信系统简介一般的激光通信链路由光学信道和两个以上通信终端组成，每个通信终端包括接收终端和发送终端，接收终端需要提供合适的增益和灵敏度，足够的稳定指向精度、足够的空间分集能力，发射终端需要提供足够的光功率、足够的稳定瞄准精度、足够的空间分集能力。本课题中的激光通信光路可简化如图1.1所示，本课题激光通信系统中的通信接收终端为望远镜以及图像传感器，发射终端为激光器与望远镜，即望远镜系统同时作为收发系统的组成部分。系统通过捕获跟

4、踪瞄准（ATP）装置保证通信的可靠性，该装置接收欲接收对象的信标光信号，利用信标光的位置信息精确校正发射孔径的指向姿态，然后通过望远镜系统光路中的一个或多个精调镜，完成望远镜轴线误差校正。当图像传感器上的成像光斑质心位置由于终端间的相对位置变化而发生位移时，作为精调镜的快反镜（FSM）将会快速摆动，以调整光斑质心位于图像传感器中心位置，使得同样经过快反镜的发射激光能够互相对准对方。本文中把扰乱起成像定位信号的图像噪声记作成像定位误差。信标光成像定位误差是直接导致指向误差以及接收效率下降的原因。理

5、想的信标光成像信号为图像上的一个光点，但是由于各种原因，图像信号会发生畸变、弥撒和抖动，成为一个形态不断变化的不规则光斑，从而引起定位精度下降。图1.2(a)显示的是大气湍流效应引起的成像光斑弥散和抖动现象，图1.2(b)显示的是接收望远镜装调误差引起的成像光斑畸变。2静态成像误差校正2.1望远镜光学系统误差分配作为激光通信的地基接收端，大口径望远镜更能满足激光通信对分辨率和能量的需求，常见的RC望远镜系统简图如图2.1所示，然而，由于各方面条件的限制，经过加工和装调后的大口径望远镜成像所得到的

6、成像质量可能和最初光学设计时相差较大。为了保证望远镜系统达到设计要求，保证激光通信系统的性能，研究望远镜光学系统的误差分配、误差模型以及相对应的误差修正技术是很有必要的。望远镜光学系统误差包含加工误差和装调误差。加工误差包括各个光学元件的面形误差、厚度误差、曲率半径误差。装调误差是指各个元件之间的相对位置误差，包括平移、倾斜、间距误差。装调误差对像质的影响可以采用调制传递函数、波像差的标准差、弥散斑半径的标准差作为评价标准。其中为了精密测量，通常是选用波像差的标准差作为评价标准。望远镜光学系统误

7、差分配如图2.2所示[30,31]，各级误差平方等于下级误差的平方和。2.2静态成像误差分析实验平台为了分析主次镜相对位置变化引起的平移、倾斜误差对成像的影响，同时探索基于图像传感器的自动校正方法，在实验室搭建简化望远镜系统，以该系统作为实例进行分析。如图2.3所示，实验平台由光源、主镜、次镜、六自由度平台以及图像传感器组成，其中选用PI公司的六自由度微调平台C-887作为主次镜调整平台，用以调整主次镜相对位置。该实验系统原理图如图2.4所示。其中主镜、次镜组成缩束系统，主镜半径为120mm，曲

8、率半径为1000mm，次镜半径为16mm，曲率半径为133.4mm，主次镜间距433.3mm。实际系统中通常将六自由度平台作为次镜的支撑平台实现主镜、次镜相对装调位置的微调。与实际系统不同的是，为了便于实现，本实验中将六自由度平台作为主镜的支撑平台。六自由度平台示意图如图2.5所示，其具有6个可单独调整的控制量，分别是两个垂直于光轴的平移量X和Y、两个分别绕X方向轴和Y方向轴的转动量U和V、沿光轴的平移量Z、绕光轴转动的转动量W。由于光学系统的轴对称特性，绕光轴转动量W不影响成像，沿光轴平移量Z