自由空间激光通信系统APT粗跟踪单元光斑检测优化设计

复合轴APT(Acquisition Pointing Tracking)控制子系统是自由空间激光通信系统中重要组成部分和关键技术,其中粗跟踪伺服单元主要完成高概率、快速捕获和高稳定、高精度跟踪。在简要介绍自由空间激光通信粗跟踪光斑检测的基础上,优化设计了APT粗跟踪光斑检测单元。以XILINX公司的Spartan-3E系列XC3S1200E型FPGA芯片为平台,完成了对光斑检测单元CCD相机图像进行模拟高斯分布的自适应滤波的实时处理,并对相机进行自适应光强控制,提高了粗跟踪光斑信号的检测精度。最后经过APT复合轴的实验系统测试得出:粗跟踪精度120μrad,可靠进入精跟踪视场。     

基于自校正控制的空间光通信精跟踪系统设计

针对空间光通信捕获、跟踪、对准(acquisition,tracking,pointing,ATP)系统的精跟踪单元高度复杂、被控对象参数模型难以精确获得、存在慢变化随机干扰的特点,提出采用自校正PID(proportional,integral and derivative)控制来设计精跟踪的控制器,改善了系统动态性能,增强了系统对不确定因素的适应性。采用遗忘因子递推最小二乘法来进行参数辨识,能在线调整适应对象参数的变化,增强了系统的适应性和鲁棒性。通过仿真验证了算法的控制性能和参数辨识效果,算法的实时性也满足系统设计的要求。给出了ATP精跟踪系统的设计框图,进行了2.3 km的精跟踪实验。实验结果表明精跟踪系统采用自校正PID控制有较好的跟踪精度。     

潜望镜式卫星光通信终端的CCD粗跟踪

由于轻小型卫星光通信系统中潜望镜的光学结构随粗瞄机构姿态变化而发生改变,使得相应的跟踪算法变得较为复杂,本文对潜望镜式星间激光通信终端粗跟踪算法进行研究以提高粗瞄机构的跟踪精度.利用矩阵光学方法,建立了潜望镜式光通信终端中光学器件的矩阵模型,在获得CCD测角模型后,推导了基于CCD测角的粗瞄装置自动跟踪算法模型,实现了潜望镜式光通信终端粗瞄装置对目标光束的快速跟踪,并对模型进行了相应的实验验证.实验结果表明,该CCD测角跟踪模型正确地反应了实际终端中的光学传递关系,能够正确地对CCD图像位置信号进行处理并获得稳定跟踪角度,平均跟踪精度优于10 μrad,满足卫星激光通信中稳定可靠、高精度粗跟踪的要求.本文提出的方法对类似的光学系统具有借鉴意义.     

高帧频CMOS相机对光通信精跟踪系统影响分析

分析了互补金属氧化物半导体(CMOS)相机作为机载光通信精跟踪系统的位置传感器的优势,采用基于CMOS相机与FPGA研制的精跟踪系统,可实现帧频8 800 Hz的图像采集、数据传输、实时图像处理、光斑质心计算以及伺服控制等功能,分析了CMOS相机的噪声、帧频以及光斑质心算法对精跟踪系统跟踪精度的影响,给出了对应的数值分析与实验结果。实验结果表明:CMOS相机噪声对光斑坐标x轴、y轴引起坐标的标准差分别为0.291 9像素,0.120 2像素;当相机帧频从2 200 Hz提高到8 800 Hz时跟踪标准差从1.8降低到0.5个像素;外场光斑质心算法偏差比理想高斯光斑计算结果大8.34-0.71像素。光斑中心算法对跟踪精度影响明显,设计更具针对性的自适应光斑中心算法可以大大改善精跟踪的效果。     

基于Ⅱ型模型的精跟瞄光闭环控制器设计

激光武器的跟瞄精度达到微弧度级,本文先建立了被控对象快速反射镜的控制模型,针对快速反射镜的直接位置控制和脱靶量延迟特性,提出并设计了基于Ⅱ型模型的光闭环控制器,结合工程经验,给出了控制器中主要参数初始值的计算方法,仿真分析结果显示,Ⅱ型控制器较传统Ⅰ型控制器具有更好的动态品质和稳定精度,可实现光束的快速稳定控制.     

强湍流下并行中继自由空间光通信的中断分析

在大气强湍流条件下,对并行中继自由空间光通信系统的中断概率进行了研究.考虑大气衰减、大气湍流和指向误差对自由空间光通信系统传输性能的影响,建立了自由空间光通信系统的复合信道模型.基于此信道模型,推导了并行中继自由空间光通信系统端到端中断概率的解析表达式.最后,通过计算机仿真分析了发送功率、指向误差及通信距离对通信系统中断概率的影响.仿真结果表明,并行中继传输技术可以有效提高自由空间光通信系统的中断性能.此外,所推导中断概率的解析表达式可准确地评估并行中继自由空间光通信系统的传输性能,为未来自由空间光通信系统的设计提供理论依据.     

大型跟瞄架方位轴系的研制

详细地叙述了大型跟瞄架方位轴系的研制过程,对轴系及关键大件的设计给出了定性及定量分析.     

X射线干涉光刻光束线偏转镜系统的设计与测试

介绍了上海光源X射线干涉光刻(XIL)光束线的基本情况。为实现光束线的光束偏转和光路切换,完成了其偏转镜系统的研制。分析了偏转镜系统的功能,设计了偏转镜的调节机构、切换机构和冷却结构。论述了调节机构的关键运动,即镜箱外直线运动转化为超高真空内旋转运动的实现过程;讨论了切换机构重复精度与承载能力之间的关系,并完成了精密丝杆的校核。采用镜子支撑方式和冷却方式集成的方案设计了冷却结构,并通过数值模拟分析了冷却结构和冷却效果。模拟结果表明镜子子午面形误差和弧矢面形误差分别约为6.5rad和7rad。应用激光干涉仪和光电自准直仪对调节机构和切换机构进行了测试,结果表明:调节机构的线性分辨力可达0.2μm,切换机构的重复精度满足设计要求。     

一种带跟瞄的机器人眼孔通信方法研究

提出一种机器人眼孔通信框架,建立通信跟瞄模型,开辟了机器人光通信的新阶段.进行了信标光捕获方法研究,计算了捕获时间;计算机模拟了二维瞄准误差正态、瑞利分布,提出了三维瞄准误差正态、瑞利分布,模拟了机器人目标瞄准抖动分布;给出了一般硬件通信协议、Internet通信协议,解决了眼孔光通信框架及跟瞄问题.     

混合毫米波射频/多输入多输出-自由空间光通信中继系统

为准确评价混合毫米波射频/多输入多输出-自由空间光通信(millimeter Wave Radio Frequency/Multiple Input Multiple Output-Free Space Optical,mmW RF/MIMO-FSO)中继系统的性能,利用Meijer-G函数推导出混合mmW RF/MI...     

自适应光学系统中倾斜镜的自适应逆控制

为了克服自适应光学系统中倾斜镜的迟滞响应,提高响应的线性度,改善倾斜镜的控制精度,研究了倾斜镜的迟滞非线性效应。提出了一个基于频率相关的Mutified-Prandtl-Ishlinskii(MPI)模型的补偿方法来在线自适应逆补偿倾斜镜的迟滞非线性。结合反馈PID控制构成了自适应逆前馈复合控制方案,其中自适应逆前馈克服了由于频率等因素引起的迟滞曲线变化,反馈PID则改善了整体的控制性能。建立了倾斜镜二阶系统模型来估计倾斜镜系统的输出,解决了MPI模型参考信号的问题,避免了增加额外前馈传感器,保证了光能量的利用率。实验结果表明,倾斜镜系统15 Hz非线性迟滞率由原来的24.28%降为1.17%,线性度提高了约95%,控制精度较传统PID方法提高了约60%。该方法能够有效补偿倾斜镜的迟滞非线性,提高了自适应光学系统中倾斜镜的校正精度。     

深空光通信中光束瞄准技术研究

研究了深空光通信中的光束精确瞄准技术。从航天器和天体的运动规律出发,建立了一种基于航天器和地球星历表的深空光通信的瞄准理论,导出了瞄准矢量在航天器星上坐标系中角度,角速度,角加速度的变化规律,对两终端的相对运动进行分析,导出提前瞄准角和接收光波长多普勒频移的变化规律,进行了计算机仿真。结果表明,瞄准角度、角速度、角加速度、提前瞄准角呈现出周期性变化,在当前的技术水平下,在深空距离下能实现光束的精确对准。接收光波长的多普勒频移也呈现周期性变化,其大小在0.07 nm以内,决定了深空光通信中窄带滤光片的带宽应在0.7 nm以上,也表明在深空光通信中,采用相干探测方法将面临严重挑战。     

空间成像与激光通信共口径光学系统设计

针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题,提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发,给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统,该系统口径为600mm,次镜遮拦比为0.225,成像系统的传递函数在50lp/mm时大于0.47,接近衍射极限;发射分系统波像差远小于λ/20,发射激光的最小束散角可达4μrad,出射光斑质量良好;接收系统达到衍射极限,光斑远小于探测端面,满足探测要求。最后,进行了公差分析,给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积,同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。     

液晶自适应光学系统中倾斜镜的建模与控制

为了提高液晶自适应光学系统的波前探测精度,研究了该系统中倾斜镜的校正方法。分析了液晶自适应光学系统中各环节的物理特性,利用拉格朗日方程给出了倾斜镜系统模型的基本结构;采用子空间辨识方法确定了模型参数,同时利用非线性最小二乘算法对子空间模型的频域特性进行了修正。修正后模型幅频特性均方根误差为0.024 5dB,相频特性均方根误差为1.9008°。引入Smith控制策略来解决倾斜镜校正波前整体倾斜过程中的时滞问题;利用子空间辨识出的模型分别进行Smith和PID的仿真和实验验证,得到的结果与仿真计算相吻合,即在相同稳定裕度的情况下,采用Smith补偿PID算法的误差抑制带宽比传统PID算法提高了23.97%。最后,用提出的方法对一组湍流整体倾斜信号进行了校正。结果显示:采用Smith补偿PID算法的控制精度比传统PID算法提高了21.03%,证实提出的方法优化了倾斜镜的校正精度,保证了开环液晶自适应光学系统的波前探测精度。     

提高中心球铰式快速反射镜指向精度的机构设计

为了提高快速反射镜的承载能力及其对振动、冲击等恶劣工作环境的适应性,一种中心采用球形铰链进行刚性连接、音圈电机驱动的快反系统应运而生.但该型快速反射镜运动部分绕中心轴回转的自由度无约束,直接限制了系统指向精度和动态稳定性的提高.为了克服此技术缺陷,设计了一种柔性防转机构.在明确中心球铰式快反系统结构特点和误差来源的基础上,对柔性防转机构中弹片的结构形式及尺寸进行了设计,对柔性弹片各方向的刚度进行了有限元分析、对比,最后,针对是否装有柔性防转机构的快反系统的指向精度进行了对比测试.结果表明:该柔性防转机构结构简单、易于实现,并能有效改善快反系统的指向精度(约提高3倍).在确保中心球铰式快反大的承载能力的前提下,使其具备了传统柔性无轴式快反的优点.     

空间光学遥感器扫描控制系统设计

研究了正弦波永磁同步电机驱动的空间光学遥感器扫描控制系统。采用复合控制与微分负反馈相结合的控制策略,实现了扫描镜的低速高精度往复运动。分析了扫描镜运动的数学模型,建立了d-q坐标系下的永磁同步电机数学模型;采用id=0矢量控制策略,在MATLAB/SIMULINK环境下搭建了基于空间矢量脉宽调制技术的控制系统仿真模型,设计了电流环、速度环和位置环调节器,给出了仿真结果。实验验证显示:采用复合控制后,仿真得到恒速运行的平均速度误差由1.27%优化到0.92%,扫描镜在恒速扫描过程中稳态平均角速度误差为2.06%,满足扫描镜系统速度精度优于5%的设计要求。理论分析、仿真和实验证明:该控制方法能够较好地改善控制系统的动态特性,具有调节时间短、超调小和动态响应准确等优点。     

空间长条形反射镜背部三支撑点的设置

采用背部三点支撑方式的空间光学遥感器长条形反射镜目前尚无普遍适用的支撑点设置方法,只能对某一确定尺寸和长宽比的反射镜进行专门设计。本文提出了基于规则模型的、以参数化模型为核心的集成参数化设计方法,并建立了长条形实体反射镜背部三点支撑集成参数化模型。在集成环境中通过试验设计、响应面分析等方法对设计参数进行了分析和优化,结果表明在轴向重力工况,镜面面形峰谷(PV)值优于λ/10(λ=632.5nm)的设计要求下,长条形碳化硅反射镜背部三点支撑的最大适用尺寸为1m。文中给出了最优支撑点布置,并确定了厚径比最优为1/10。最后,对集成参数化分析方法进行了精度分析,结果显示该方法整体误差为6.13%。提出的方法确定了空间长条镜背部三点支撑的适用范围,提供了支撑点最佳布置,为空间相机不同尺寸要求的长条镜设计打下了基础。     

基于相位相关的深空光通信扩展信标跟踪技术研究

提出了一种深空光通信扩展信标的跟踪方法。该方法的原理是在航天器上存储一幅信标图像作为参考,把实际信标图像看成参考信标图像和附加高斯白噪声和的形式,基于离散傅里叶变换和相位相关技术对信标的旋转因子和平移因子进行计算。理论分析与仿真结果都表明,该方法可以把跟踪误差控制在0.5个像素以内。针对不同的信噪比对该方法进行仿真,计算误差并没有显著的变化,表明该方法具有良好的抗干扰性,能满足光通信链路实时运行的要求,是一种可行的方案。