卫星激光通信复合轴光跟瞄技术及发展

卫星激光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学跟瞄系统的设计和控制是关键技术之一。由粗跟踪系统和精跟踪系统组成的复合轴系统能实现光跟瞄系统的大范围、高精度跟踪任务。对卫星激光通信光学跟瞄系统的特点和关键技术进行了讨论,介绍了光跟瞄技术中的扫描、捕获、指向、跟踪过程,综述了复合轴光跟瞄控制系统的国外研究进展。最后对卫星激光通信复合轴光跟瞄系统的应用前景进行了展望。     

基于空间激光通信组网四反射镜动态对准研究

空间激光通信全光链路组网具有较高的通信速率,决定了其在未来全球空间通信领域中的重要地位及发展方向。全光链路组网需解决一点对多点的光学链路问题,不同方法所涉及的结构和跟踪控制方式会有较大差异。基于全光链路组网光学原理,提出了一种轨面四反射镜光学天线结构。基于链路组网方案的光学动态跟踪原理进行数学建模,给出链路通信节点间动态对准时光学参量间的关系,并对数据进行分析,可用于空间激光通信终端捕获、跟踪、瞄准(ATP)控制系统。提出了一种低轨双链路列队卫星组网方案,将激光通信终端光学天线四跟踪平面反射镜的工作面置于卫星轨道平面链路节点处,可实现低轨全光链路空间激光通信组网。     

激光星间通信终端精瞄微定位系统研究现状

激光星间通信是未来通信的最佳解决方案之一,激光束的捕获、瞄准和跟踪技术(APT)是激光星间通信的关键技术。精瞄微定位系统是APT系统的重要组成部分,与粗瞄系统配合执行激光束的捕获、瞄准和跟踪任务。该文介绍了精瞄微定位系统的关键技术,详细阐述了精瞄偏转镜机构、驱动检测技术及控制方法等关键技术的国内外研究现状,指明了系统的发展趋势,对进一步研究微定位系统具有指导意义。     

基于空间光调制器的双目标同步光束跟瞄系统

传统的光束偏转技术由机械装置实现，然而机械装置具有机械惯性，会导致光束抖动。基于液晶空间光调制器（LCSLM）的新型光束偏转技术不仅能够克服机械惯性的缺陷，而且能够实现单光束输入、多光束输出，无需使用多个装置即可同时控制多光束偏转。为了实现多目标的光束跟瞄，本团队提出了一种基于多光束生成方法的多目标同步跟踪和瞄准方案，该方案将相机作为位置探测器，并使用LCSLM偏转光束对目标进行跟瞄。此外，本团队设计并搭建了双目标的同步光束跟踪和瞄准实验系统，当目标分别以2、3、4、5 mm/s的速度移动时，光束跟瞄的测量均方根误差分别为2.7045、5.6014、8.3823、11.9011μrad。此双目标跟瞄系统有望应用于激光通信网络的双光束跟踪中。     

通信

0626575激光星间通信终端精瞄微定位系统研究现状〔刊,中〕/邵兵//压电与声光.—2006,28(4).—393-396(L)激光星间通信是未来通信的最佳解决方案之一,激光束的捕获、瞄准和跟踪技术(APT)是激光星间通信的关键技术。精瞄微定位系统是APT系统的重要组成部分,与粗瞄系统配合执行激光束的捕获、瞄准和跟踪任务。该文介绍了精瞄微定位系统的关键技术,详细阐述了精瞄偏转镜机构、驱动检测技术及控制方法等关键技术的国内外研究现状,指明了系统的发展趋势,对进一步研究微定位系统具有指导意义。参271310电信业务及其传输技术0626576基于空间的信…     

空间激光通信捕获、对准、跟踪系统动态演示实验

捕获、对准、跟踪(APT)系统是空间激光通信重要组成部分,是通信正常进行的前提与保障。对APT系统组成原理、工作原理、关键技术、系统设计、工程实现等内容进行了详细的研究,在此基础上开展室内模拟实验及野外演示验证实验。室内模拟实验跟踪精度达到2~3μrad,表明本系统可应用在星间激光通信中。野外双端动态演示实验在飞艇-船舶间进行,结果表明系统捕获概率优于95%,捕获时间小于60s,系统跟踪精度由于受到大气湍流影响而降低,多次实验测试表明在湍流中跟踪精度达到5~25μrad。APT系统的成功研制为空间激光通信顺利进行奠定了基础。     

基于伺服控制的水下光动态通信捕获跟踪系统设计

基于空间光通信捕获、对准、跟踪技术的基本理念,笔者设计了一套基于伺服控制的水下无线光动态通信捕获跟踪系统,提出了基于跟踪微分器的电机加减速控制技术,设计了转台粗、精跟踪策略。在此基础上,笔者开展仿真验证、室内模拟测试及水下激光光斑捕获跟踪实验。仿真验证结果表明了该系统与算法策略在原理上的可行性;室内模拟测试方位、俯仰跟踪精度分别为0.08 mrad和0.27 mrad,这表明可将本系统应用于水下无线光动态通信;水下激光光斑捕获跟踪实验结果表明系统的捕获概率优于99%,捕获时间少于9 s,水箱施加扰动前后的跟踪精度分别为0.6 mrad和2 mrad。本文为后续开展水下无线光动态通信技术研究提供了一种技术方法和研究思路。     

ATP跟瞄精度与最佳信号光发射角的研究

激光星间通信中捕获、跟踪、瞄准(ATP)技术是保障通信正常进行的关键一环，在完成捕获进入跟踪状态下，ATP的跟瞄精度是一个重要指标。然而．在实际系统中，ATP的跟瞄精度受到很多因素的制约．只能达到一定的精度。在这种条件下．信号光束发散角的选取对通信系统的整体性能影响很大。提出了影响光束发散角的三种因素，并进一步分析了在给定跟瞄精度的条件下．信号光束的发散角并不是越小越好而是存在一个最佳发散角．该发散角可以在满足通信系统指标的情况下．对发射端的功率需求最小。     

10.6μm激光大气通信的自动瞄准与跟踪

激光大气通信双端的自动瞄准与跟踪，是开发激光大气传输信道、赖以传送大容量信息的一个关键问题。本文在分析扰动大气对光束瞄准跟踪所产生的影响的基础上，提出了适于大气激光通信的跟瞄系统结构和设计准则，建立了跟瞄系统模型，合理地设计了数字式瞄准跟踪系统，并给出了光束跟踪系统的实验结果。１０．６μｍ大气通信瞄准问题，国内外还未见有更深入的研究报告。     

空间量子通信粗跟踪系统设计研究

进行了空间量子通信粗跟踪系统的设计研究。以数字信号处理器为主处理器,使用CMOS探测器对跟踪目标发出的信标光进行探测,结合旋转变压器测角,使用多环路控制的方法控制永磁同步电机,实现了粗跟踪系统。通过模拟卫星平台跟瞄实验和浮空运动平台跟踪瞄准实验,对所研制的粗跟踪系统性能进行了测试。     

运动目标激光跟踪瞄准中的闭环研究

在利用激光实现对运动目标的跟踪瞄准过程中,必然会受到目标运动特性的限制以及各种大气条件(湍流、热晕等因素)的影响,导致激光能量损耗、光束漂移、激光波前发生畸变等,使得激光能量不能会聚于目标上,而是发散为一片,无法起到打击军事目标或有效跟踪锁定的作用.要解决这些问题,使激光能量可以有效地集中于运动目标上而不脱靶,就首先要在运动目标与激光发射(接受)系统之间建立闭环联系.本文利用非线性光学相位共轭技术,补偿大气给激光波前带来的畸变,对运动目标进行跟踪瞄准,在激光系统与目标之间建立起闭环联系.在原理上,以静止目标闭环理论为基础,充分考虑到了信标光和大气效应对跟瞄的影响,建立了运动目标的闭环模型,并计算了对远距离(1 km)目标进行跟踪时共轭系统的增益.在实验上,利用受激布里渊散射相位共轭技术,在室内18 m远处模拟了对运动目标进行跟踪瞄准的原理性实验,用CCD相机记录了信号光斑与共轭跟瞄光斑,分析了这些光斑的光场分布.实验结果表明共轭跟瞄光的能量能较好地集中于很小的区域内,而不象信号光那样发散为一片,从而证明了本文所用方法对运动目标进行跟踪瞄准的有效性.(PB3)     

空间激光通信粗跟踪等效复合控制技术

在激光通信光端机伺服控制中，基于速度、加速度滞后补偿的等效复合控制技术能够大幅提高光端机的跟瞄精度，同时对系统稳定性影响较小。本文首先建立了卫星激光通信光端机双向跟瞄模型，分析了光端机工作扰动来源，解算出运动和扰动的等效正弦信号，在速度、位置双回路闭环控制的基础上，开展了等效复合控制技术研究；通过对控制参数进行基于方差的敏感度分析，完成了速度、加速度滞后补偿参数的优化设计；最后在室内构建了实验系统，完成了仿真分析和实验验证。实验结果表明，采用等效复合控制后，在双端运动状态下，跟踪误差为56.8μrad，误差减小了80.06%，大幅提高了光端机粗跟踪动态的跟踪精度。     

基于FSO自由空间光通信中自动伺服系统的研究

在空间光通信中,为建立可靠的通信链路,捕获跟踪瞄准技术成为了ATP系统的关键所在,伺服系统主要采用了复合轴的控制结构,即粗跟踪和精跟踪两部分,精跟踪是建立在粗跟踪的基础上的,主要是为抑制粗跟踪中残差所引起的扰动。随后对伺服系统的关键参数进行分析,指出提高灵敏度和跟瞄精度的重要性,最后对ATP伺服系统的传递函数进行推导与仿真,得出结果完全满足系统跟踪控制的要求。     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

双机之间激光通信ATP技术研究

机载激光通信系统中,激光光束的对准是通信能否进行的关键,采用ATP(捕获、跟踪和瞄准)技术来解决两机光端机的对准问题。主要进行了两机之间信标光捕获方法研究以及对跟踪和瞄准光学系统进行设计。给出了具体计算的原理方法和数学模型,同时对ATP系统的跟踪和瞄准精度指标进行确定。     

卫星激光通信端机跟瞄精度测试技术研究

卫星激光通信的核心技术是PAT技术,即瞄准、捕获、跟踪技术,而实现微弧度量级的跟瞄技术是其中的关键点和难点。通信端机研制完成后,需要对其各种胜能指标进行测试,跟瞄精度是其中的一项重要指标。按照一般测试原则,跟瞄精度测试装置的精度应达到亚微弧度,并达到几百赫兹的带宽。基于点光源、长焦距透镜、PZT器件、平面反射镜及4QD光电器件等,设计并研制了一套能完成通信端机跟瞄精度测试的装置。给出了测试的基本原理、测试方法、测试装置的结构以及元件参数设计,并推导了椭圆光斑时光斑质心定位算法。实验数据表明,所研制的测试装置可以达到3σ=0．37urad（100mm孔径）的测试精度以及优于250Hz的带宽。     

卫星激光通信端机跟瞄精度测试技术研究

卫星激光通信的核心技术是PAT技术,即瞄准、捕获、跟踪技术,而实现微弧度量级的跟瞄技术是其中的关键点和难点.通信端机研制完成后,需要对其各种性能指标进行测试,跟瞄精度是其中的一项重要指标.按照一般测试原则,跟瞄精度测试装置的精度应达到亚微弧度,并达到几百赫兹的带宽.基于点光源、长焦距透镜、PZT器件、平面反射镜及4 QD光电器件等,设计并研制了一套能完成通信端机跟瞄精度测试的装置.给出了测试的基本原理、测试方法、测试装置的结构以及元件参数设计,并推导了椭圆光斑时光斑质心定位算法.实验数据表明,所研制的测试装置可以达到3 σ＝0.37 urad(100 mm孔径)的测试精度以及优于250 Hz的带宽.     

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。     

星间光通信中跟踪控制技术及发展

星间光通信具有巨大的潜在应用价值,国际上已实现高码率、小型化、轻量化和低功耗激光通信终端,其中光学ATP系统的设计是关键技术之一。对ATP系统的特点进行了讨论,介绍了ATP系统中的跟瞄过程,综述了国内外在星间光通信ATP跟踪系统中所采用的控制算法,指出研究新的控制算法或新的PID参数整定方法,是提高ATP跟踪系统精度的发展方向。     

基于GPS的星地激光通信捕获对准研究

提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信捕获、跟踪和对准(ATP)初始捕获的方法。星地激光通信信标光跟踪系统通过对地面GPS坐标和卫星坐标的解算,得到地面光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据角度旋转对准信标光,从而将信标光引入粗跟踪CCD的视场。给出了GPS坐标解算算法和信标光方向角度随卫星坐标变化的仿真曲线。用二维电机进行了地面转台的捕获实验,对实验数据进行了捕获精度的分析,结果表明,通过GPS坐标解算能够快速地实现信标光的初始捕获。