大气激光通信中稳定跟踪器件及算法研究

在大气激光通信中捕获对准跟踪(APT)是通信成功的前提。对空间激光通信中的捕获对准跟踪系统常用的两种光束定位探测器件CCD和四象限光电探测器(QD)的特性进行了深入分析,研究了影响大气激光通信跟踪系统性能的5种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理及对应仿真结果。结合大气湍流和探测器,针对质心跟踪算法和形心跟踪算法进行深入分析,得到并实验验证了在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论。     

激光导引头四象限探测器偏差信号特性研究

为了分析四象限探测器偏差信号对激光导引头探测定位精度的影响,在激光导引头四象限探测器探测定位原理的基础上,采用计算机建模仿真的方法,研究了入射光斑大小、分划线宽度和背景光强度对四象限探测器偏差信号的影响。结果表明,入射光斑变大,四象限探测器的灵敏度会变低,动态跟踪范围变大;分划线宽度在探测器串扰允许的范围内越窄越好;背景光降低了四象限探测器的灵敏度。该研究结果有助于提高激光导引头四象限探测器探测定位精度。     

探测器条状噪声对精跟踪系统光斑定位的影响

捕获、跟踪、瞄准系统精跟踪探测器在不同噪声下对精跟踪系统进行光斑位置定位的影响不同。分析了探测器条状噪声的来源,理论推导了条状噪声对质心算法的影响。采用阈值质心算法对含有条状噪声和椒盐噪声的图像进行光斑定位,仿真分析了不同阈值、不同光斑图像信噪比下X轴和Y轴的光斑定位偏差,对比了X轴和Y轴的光斑定位精度。仿真结果表明,沿Y轴方向延伸的条状噪声使得X轴光斑定位精度优于Y轴。实验分别测试了不同系统配置、不同干扰幅度下精跟踪系统X轴和Y轴的跟踪精度。实验结果表明,对于两个正交轴对称的精跟踪系统,X轴的跟踪精度优于Y轴,从而验证了条状噪声的存在使得X轴的光斑定位精度优于Y轴的结论,实验结果和仿真分析结果相符。     

激光传输大气湍流效应复域仿真模拟方法研究

针对光场所受到的湍流畸变影响,提出了一种模拟激光传输大气湍流效应的新方法,利用大气湍流效应的统计学特性,实现了激光传输大气湍流效应在幅度域和相位域两个维度的联合模拟,且该方法适用于弱、中、强三种湍流情况。基于可描述不同湍流强度下光场幅度畸变的两种统计模型,采用随机微分方法得到光波幅度变化序列,光波幅度变化序列模拟结果与理论计算结果在不同湍流强度下均较好地吻合,拟合系数均大于09767;基于低频次谐波补偿的功率谱反演方法,采用三阶贝塞尔函数随机曲线设计生成时变相位屏对大气湍流效应中的相位畸变进行模拟。在不同湍流强度下,采用高斯光束作为光源,通过对时变相位屏移动过程中接收光斑强度进行归一化统计,模拟结果表明,所构建的大气湍流效应复域仿真模型模拟的效果与实际大气湍流畸变过程吻合。     

湍流大气折返路径成像光斑与光强起伏实验研究

利用红光激光器、3M微晶棱镜阵列反光膜和长焦高速CCD相机构建的折返路径激光成像探测系统,进行了湍流大气中1 km传输路径上的激光光斑回波成像探测实验,同时使用激光闪烁仪实时监测湍流强度变化。首先对获得的激光回波光斑图像的强度分布进行了直观分析,比较了在不同湍流强度下折返路径激光光斑形态的差异,接着统计计算了不同湍流强度下,光斑光强概率密度分布与光斑图像位置和区域面积大小的关系。结果表明：折返路径下的激光传输光强起伏概率密度函数在光斑上的各处基本都符合对数正态分布,但在质心处附近的区域符合程度更高,且符合程度与接收面积大小呈负相关。同时湍流强度对回波光斑平面上不同位置之间、不同接收区域大小之间符合正态分布程度的差异有一定影响。     

基于单目视觉的移动光斑跟踪定位方法

针对移动光斑跟踪定位中目标快速运动、严重遮挡导致光斑位置难以长时间跟踪的问题,提出了一种基于光斑跟踪模块、光斑中心定位模块和光斑轨迹预测模块三部分组成的单目视觉的移动光斑跟踪定位方法。其中,光斑跟踪模块是通过图像分割出目标光斑区域并以该区域初始化相关滤波器CN算法;光斑中心定位模块在跟踪框内通过灰度质心法求取光斑中心;光斑轨迹预测模块是通过自适应无迹卡尔曼滤波器(UKF)结合轨迹线性拟合来估计目标位置,在受干扰情况下校正CN跟踪器的搜索区域,提高系统抗干扰能力;利用实际移动光斑视频图像序列进行实验研究,对比试验结果表明所提方法的有效性。     

环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

PSD安装倾斜误差对光斑定位影响的研究

针对入射光能量为高斯分布时,位置敏感探测器(PSD)安装倾斜影响光斑定位的问题,建立了光斑定位畸变误差数学模型,并进行了仿真。仿真结果表明,光斑定位畸变误差随着PSD倾斜角度、高斯光束的束腰半径和与光束束腰之间的距离的增加而增加,其中前两项的变化对PSD光斑定位精度的影响在小范围内可以忽略,最后一项影响较大。所建立的光斑定位畸变误差模型及仿真结果为PSD的实际工程应用提供了有效的理论依据。     

激光大气传输远场光斑仿真

从衍射、大气湍流对光束漂移和扩展以及激光发射系统的跟瞄精度等方面分析了激光大气传输的远场瞬时光斑分布。用蒙特卡罗方法仿真计算了远场光斑瞬时质心分布,根据光斑的质心分布和瞬时光斑分布计算了长曝光光斑。     

大气湍流对象限探测器光斑检测的影响

大气湍流运动频率一般在几赫兹到几百赫兹之间变化,激光在大气中传输时将受到此种运动的调制,调制的结果将对接收到的光斑能量分布形式与光斑形状产生影响,光斑能量与形状的变化将对象限探测器(QD)的输出产生影响.设计了一种湍流环境下的光斑检测后续处理电路,该电路使用两级增益系统,初级增益主要抑制噪声,二级增益使用可变增益放大,实现对象限探测器输出信号的有效放大与处理.搭建实验系统来完成湍流环境下的器件性能测试,当测试距离为830 m时,完成不同信噪比、光宽大小、调制信号对探测器影响的测试;当测试距离为12.5 km时,象限探测器没有细分能力,噪声占据整个光敏面,失去光斑检测的能力,使用数字滤波可以提高其细分能力.     

激光大气传输倾斜校正系统

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位的起伏.为了能够精确地跟踪目标,首先必须消除大气湍流造成的光斑抖动.文中主要介绍了一种基于压电陶瓷(PZT)的激光大气传输倾斜校正系统,系统由两部分组成:探测系统和校正系统.探测系统使用可以直接探测光斑重心位置的位敏传感器(PSD);校正系统使用压电陶瓷驱动的高速倾...     

基于超磁致伸缩材料的高速倾斜镜的设计与应用

在目标跟踪系统中,由于大气湍流的影响导致光波振幅和相位起伏。为了提高跟踪性能,降低大气湍流造成的光斑倾斜成为了首要目标,而高速倾斜镜（FSM）则是达成这一目标的关键器件。文中介绍的高速倾斜镜利用超磁致伸缩材料（GMM）作为位移驱动元件,通过线圈的电流产生磁场控制材料的伸缩,从而驱动倾斜镜的偏转。该倾斜镜已经被应用于激光大气传输倾斜校正系统中,使湍流造成的倾斜减少了90%,光斑稳定度和光斑质量得到了明显提高。     

地面对卫星瞄准精度受大气湍流的影响分析

分析了地面对卫星激光瞄准精度受大气湍流效应的影响。首先,提出了大气湍流作用下地面对卫星激光瞄准精度的概念。其次,采用多层相位屏的数值方法求解激光大气传输满足的抛物型方程,仿真研究了不同发射参数下地面对卫星的激光瞄准精度,结果表明:地面对卫星的激光瞄准精度与激光束的发射口径成正比,发射口径越大,瞄准精度越高;而与激光束的发散角成反比,光束发散角越大,瞄准精度越低。最后,比较研究了不同瞄准精度下到达卫星入瞳处的功率以及功率密度。研究成果可为开展地面对抗卫星的试验提供理论依据和数据参考。     

四象限精跟踪光轴检测模型与误差分析

研究了四象限精跟踪光轴检测模型,推导出大气环境下系统固有分辨精度与细分精度的关系,在此基础上指出提升检测系统固有分辨率的方法,有效降低光强闪烁影响;同时,讨论了大气湍流误差、背景光学误差、电子干扰误差产生的原因以及与系统信噪比之间的关系,针对不同误差给出相应补偿办法并进行仿真。仿真结果表明,背景光误差与信标光信噪比、光轴偏差量直接相关;减小系统滤波器带宽,可抑制电子干扰误差;弱大气湍流条件下,增大接收光学口径,能有效抑制信号衰落。     

大气湍流对远红外激光主动探测影响的试验

远红外激光主动探测设备利用"猫眼"效应原理,能够快速、准确地发现红外热像仪,输出带有热像仪参数的信息.大气湍流是影响主动探测回波率的重要因素.在某沙漠地区的试验结果表明:日出、日落前后大气湍流的强度最小,对主动探测回波率的影响也最小.而中午前后、午夜前后湍流强度则相对较大,大气湍流对回波率的影响也较大.通过将试验结果和美国白沙试验基地(沙漠)一天内湍流变化数据进行对照,可以得出:上述现象是沙漠地区的普遍现象.总结出了大气湍流对激光主动探测影响的规律,为远红外激光主动探测设备能力评估提供了重要依据.     

一种基于超短基线干涉仪的大气湍流参数测量算法

目前，对流层大气湍流造成的随机变化的相位误差已严重影响了高频段深空测控通信系统的工作性能.为了量化湍流强度，基于超短基线干涉仪系统接收的地球同步卫星信号，统计信号干涉相位的标准偏差，结合经典的Kolmogorov-Obukhov"2/3"扰动理论和随机场理论建立了大气湍流参数计算模型，实时获取表征湍流强度的物理量:大气折射率结构常数C_n2.分别在郑州、杭州进行了连续多天的晴天、雨天相位观测试验，利用试验数据计算C_n2，并利用气象探空数据经验模型进行了验证.试验数据计算结果显示:C_n2在郑州晴天的正午前后要明显高于早晨和傍晚，而在杭州雨天则没有明显的规律性.C_n2在10-15~10-13的数量级范围变化，与经验模型计算的结果相吻合，验证了算法的合理性和准确性.     

末制导炮弹远距离激光光斑监视系统

文章介绍了一套由ICCD相机、光学预处理单元、图像采集卡和计算机构成的末制导炮弹激光光斑图像监视系统。此系统以CCD图像传感器作为光斑定位器件,并在VC＋＋中调用Matlab程序用重心法求光斑位置。在此基础上,根据人眼对不同灰度级的分辨能力非常有限而对色彩却相当敏感的视觉特性,利用伪彩色技术将激光光斑的256级灰度图像变换为连续变化的伪彩色图像,并通过空间灰度差值运算将离散的图像数据生成光斑的彩色三维模型,实现了激光光斑能量分布结构的三维可视化,以反映光斑不同区域能量分布的相对大小和位置,而且可以进行3D坐标变换,以进一步方便人们从各个角度观察激光能量分布结构。这为光束质量的评价提供了重要依据。     

空间交会激光雷达信息测量技术

为了测量目标飞行器的位置及速度等信息,提出采用模拟插入脉冲计数法测距,最小二乘曲线拟合微分法测速,四象限(QD)光斑定位法测角。并在MATLAB/SIMULINK环境下,对采用该方法的脉冲激光雷达信息测量系统进行了计算机仿真。结果表明,距离测量精度高,误差小于0.01m,速度精度也高,误差小于0.02m/s。采用该测量技术的脉冲激光雷达是可靠的。     

Pointing error effects on performance of free-space optical communication systems using SC-QAM signals over atmospheric turbulence channels

In this paper, we theoretically analyze pointing error effects on performance of free-space optical (FSO) communication systems using subcarrier intensity quadrature amplitude modulation (SC-QAM) signals over atmospheric turbulence channels. Unlike previous studies, we take into account both atmospheric turbulence channels and the pointing error effect. In order to model atmospheric turbulence channels, we employ a log-normal distribution for weak-to-moderate turbulent condition and a gamma–gamma distribution for strong turbulent condition. Moreover, we study the pointing error effect by taking into account the influence of beamwidth, aperture size and jitter variance. In addition, we use a combination of these models to analyze the combined effect of atmospheric turbulence and pointing error to FSO/SC-QAM systems. Finally, we derive analytical expressions to evaluate the average symbol error rate (ASER) performance of such systems. Numerical results present the impact of pointing error on the performance of FSO/SC-QAM systems and how we use proper values of aperture size and beamwidth to improve the performance of such systems. In addition, simulation results of FSO/SC-QAM performance over strong atmospheric turbulence and pointing errors show that the closed-form expression can provide a precision for evaluating ASER of such systems.     

基于Delphi的高斯光束发散角测量数据实时处理软件开发

在高斯光束参数测量实验中,实验数据的实时性处理是一个难题。文中开发的实验数据处理软件主要包括测量数据曲线的拟合、判断曲线是否符合高斯分布、光斑大小的计算、发散角和腰斑大小的计算。该软件操作方便、界面简单、精度高、运行结果直观易懂,很好地解决了实时处理问题,具有一定实用价值。