【《机载激光通信系统APT技术的基本原理分析》6900字】

机载激光通信系统APT技术的基本原理分析目录TOC\o"1-3"\h\u3325机载激光通信系统APT技术的基本原理分析 1143551.1无线激光通信 1224161.2APT系统的组成 524501.3APT系统的工作流程 8107671.4APT系统的工作原理 9115791.5APT系统的主要性能参数 9机载激光通信系统是通过无人机搭载带有伺服转台的光学天线装置捕获、对准和跟踪由地面通信终端发射的激光，使两个地面通信终端通过无人机中继通信系统形成通信链路。1.1无线激光通信基于收发一体化的无人机中继APT系统原理图如图2-1所示，APT系统由带有伺服控制系统的反射镜光学天线组成，地面端1发出的激光通过反射镜反射进入下一组光学器件后，耦合进单模光纤中再经过环形器和光纤放大器进入单模光纤中，经过相同构造的光学器件和反射镜回传给地面端2。类似地，也可将地面端2作为发射端，地面端1作为接收端，以此来实现收发一体化的激光无人机中继通信。图2-1基于收发一体化的无人机中继APT系统原理图Figure2-1schematicdiagramofUAVrelayAPTsystembasedontransceiverintegration无线光通信终端由光学天线、激光收发器、信号处理单元、自动跟踪瞄准系统等组成，发射器的光源一般采用激光二极管(LD)，接收器主要采用雪崩光电二极管(APD)。就半导体激光()展开分析，其作为一种将电能直接转换为光波的固态相关器件存在。就工作原理方面来说，它利用相应的激励制度使得半导体材料相关的能带方面，以及这个能带和相关杂质具备的能级方面，在非平衡载流子数上能够实现反转。要是反转态情况下，较多的电子以及空穴互相结合，就会形成对应的受激发射。就半导体激光器来说，它具备了较小体积、重量轻、工作可靠、功耗低、效率高等优点，易于实现光电集成[53]。光学天线是一种光学望远镜，根据物镜的不同可分为折射式望远镜和反射式望远镜。如果物镜是反射镜，在它前面加一个透镜来校正相位差，那么望远镜就是折反射望远镜[54]。1）在所有的折射式相关望远镜里面，最具代表性的就是伽利略望远镜，它通过透镜来对光进行聚焦，同时把它在同一个点上进行汇聚达到影像相关的放大效果，这就是详细的工作机制。同时其对应的优势还包括了更高的清晰度、视野更广以及对比度更高。2）一般情况下，对于反射式望远镜来说，其中的物镜均为球面镜或者是抛物面凹面，包括了格里高里、牛顿以及卡塞格林R-C相关系统在内都是反射式物镜系统当中具备代表性的构成，与折射式望远镜相比更容易制作。其相关的性质在光学上最为关键的就是不存在色差，在选择抛物面作为物镜的情况下，还能够将球差消除掉；不过考虑到要让别的像差带来的影响可以降低，造成了它更小的可用视场。一般情况下凹面镜是使用的最多的反射式望远镜当中的物镜。就该物镜系统来说，其中具备代表性的就是卡塞格伦R-C、牛顿以及格雷戈里相关的系统，它们比折射望远镜更容易制作。它的光学性能最重要的特点是没有实际色差。在选择抛物面作为相应的物镜的情况下，也可以将球差避开；但是，考虑到别的像差带来的影响要尽可能的低，使得其只能选择比较小的视场。3）就折返射式相关望远镜方面，它作为光学系统存在，包括了反射以及折射相关的系统。最具代表性的折反射望远镜是施密特望远镜和马苏托夫望远镜。其物镜由透镜和反射镜两部分组成，从而让离轴像差方面，能够更为方便的通过系统实施校正，在此基础上可以在光学质量方面有更高的保证。涵盖了信道、发射以及接收相关的系统在内的就是无线光通信系统的三个构成部分。实际的模型如图2-2所示[55]。图2-2无线光通信系统Figure2-2wirelessopticalcommunicationsystem①发射系统对于激光相关的发射模块来说，其重点涉及到调制器、激光器、准直系统以及发射天线，参考图1.3的相关内容，就是激光发射相关系统对应的结构图。由激光器发出的信标光直接影响激光通信系统的光束捕获时间的大小，是搭建激光通信链路的前提和保障。一般情况下，通常选取光束发散角较大且发射功率较高的激光光源。此外，信道编码和信源编码也对激光通信系统有一定的影响，信道编码的本质是增加冗余以换取更可靠的通道系统；对于信源当中存在的消除冗余以及相关性方面，其重点通过信源具备的统计性质进行处理，在此基础上能够对信源相关输出的实际信息率进行压缩，使得系统变得更加高效。图2-3激光发射系统结构图Figure2-3Structurediagramoflaseremissionsystem调制是处理信号并将它在载波上进行加载，从而能够让它对于信道更加匹配的一个过程。总体来说，是使得载波可以跟着信号的改变做出改变的一种技术[56]。一般情况下，在对高频载波相关的相位、幅度以及频率实施改革的情况下能够做到调制，该过程涉及到主动以及被动的两种，如果光源和调制信号不在同一端，则称为被动调制。调制也分为直接调制和间接调制，例如对激光束的调制称为间接调制。准直器是光纤器件中用于输入和输出的光学元件。光纤发出的光通过凸透镜变成平行光。其结构简单，功能是将激光器耦合到所需的器件上，以获得最大的效率，其中一个重要参数是插入损耗。发射天线有多发射/多接收、单发射/单接收，前者可以抑制大气湍流的影响[57]。②接收系统接收系统包括光信号收集天线、空间光纤耦合单元、前置放大器、检测器、解调器等，对相关发射器发出的实际光信号来说，它能够通过接收天线来获取，这个信号可以通过空间光耦合单元来获取，并在光纤当中实现，而光纤探测器实现了光电转换，耦合过程在将光信号耦合到光纤的过程中会造成能量损失。滤波器的主要作用是过滤掉背景辐射光，来降低辐射光的影响，提高系统的信噪比参数。滤波器的主要参数有：中心波长、透射率、带外透射率以及带宽。位于信号源和放大器当中的电子设备或是电路就是前置放大器，可以将信号源发出的微弱的电压信号接收起来。就前置放大器的功能而言，其能够实现系统信噪比的增强，让外部带来的相对影响适当的变低，形成更加适宜的布局，从而能够方便的使用以及调整，完成整个匹配设计以及阻抗转换的过程。图2-4激光接收系统结构图Figure2-4Structurediagramoflaserreceivingsystem信号检测有探测器直接检测以及相干检测。光检测器直接接收天线汇集光信号的检测方式称为直接检测。将空间光耦合进光纤中，由光电检测器检测光纤中的信号，这就是空间光—光纤耦合检测。由于光纤端面小，光电传感器感光面小，需要的光信号强度也小，因此，空间光—光纤耦合检测的速率高，检测灵敏度也高。③信道无线光通信信道包括大气信道、室内信道、紫外散射信道和水下信道。大气信道是最复杂的信道，大气湍流和复杂的天气条件对光信道的影响最大，信道传递函数可以表示为[58]： (2-1)式中，、和分别表示发射机、信道和接收机的传递函数。对应的时域表达式为： (2-2)式中，、和分别表示发射机、信道和接收机的单位冲激响应。信道模型如图2-5所示。图2-5信道模型Figure2-5channelmodel以下式子能够反映出解调器输入的相关信号[59]： (2-3)上式里面，反映出信道衰落的就是A(t)；而调制器当中输出的相关信号表示为S(t)；*表示卷积。对于大气激光通信，A(t)主要来源与大气湍流；对于紫外光非直视通信，A(t)主要由大气分子对紫外光的单次散射以及多次散射产生光强的起伏；对于室内可见光通信，A(t)主要由室内光的反射产生。当不考虑信道衰落的时候，接收信号可以表示为： (2-4)式中，n(t)是加性高斯分布的白噪声，一般表示接收机探测器及其附属电路的电子噪声。1.2APT系统的组成在开展通信交流的二者做好视轴对准工作之后，就可以使得机载激光通信相关链路实施对准工作了，同时为了确保通信能够处于正常的状态，还需要通信的两个终端动态对对方进行追踪。所以，机载激光通信当中尤其重要的就是APT相关的技术，其中的基本性概念包括了：初始指向()：这是整个APT系统里面的第一个步骤，对于难以判断大小的区域来说，可以通过视轴指向进行确定，在此基础上对捕获的实际时间进行确定，其在APT系统里面是关键的构成。对于实施通信的二者来说，他们光终端的实际姿态以及位置相关信息能够由传感器接收到，在各种坐标系当中的坐标转换以及视轴指向技术的作用下，使得视轴初始指向能够在通信终端对准自身未确定的这些区域。捕获(Acquisition)：捕获阶段采用开环方式，一共涉及到三个内容，具体就是扫描未确定范围、引导其中的早期数据以及视轴相关的初始指向。就粗跟踪相关检测器来说，它能够处于未确定的范围内对目标进行识别以及检测，最后CCD检测器可以对视场里面的光信号实施捕获。到目前为止，这一些做到的成功捕获，能够更好地服务于后期的继续追踪过程。跟踪()：关于激光束方面，可以通过光电平台实施动态的追踪，使得载体平台的整个振动过程以及通信二者之间的相对运动带来的误差都能过规避掉。对视轴在对准操作过程当中造成的误差起到抑制作用就是跟踪的重点作用，让它能够保持在适宜的误差值之间，而视线方面也可以对准其中未确定的范围。现阶段，就机载激光通信相关系统来说，为了做到跟踪过程的更高精度，基本上都会选择粗轴以及细轴两种跟踪相关技术。精密瞄准：1）为了在安装以及校准期间能够做到近衍射极限角下的通信，必须先对发射以及跟踪相关的视轴所具备的相同皱度以及更高精度提供保证。要是对于对准误差来说，它在发射以及跟踪相关视轴上是非常大的情况，那么整个构建机载激光通信对应链路的过程是必定不会成功的；2）在远程状态的实时通信开始以前，整个机载激光通信相关的系统方面，一定要在前置伺服模块的作用下校正好发射以及接收视轴对应的偏差，从而让跟踪系统当中，偏差带来的影响可以避开。参考图2-6就是机载激光通信相关系统的构成。图2-6机载激光通信系统组成结构图Figure2-6structurediagramofairbornelasercommunicationsystem通过上图能够知道，涉及到粗跟踪和精跟踪伺服模块、指向模块、提前量化模块以及捕获模块在内的都是涵盖在机载激光通信对应的APT分系统里面的[60]。1）指向单元：机载激光通信对于两个终端实施的精准通信方面，能够通过GPS/INS相关导航系统做到。在GPS的作用下获取二者光端机的位置信息，INS测量双方之间的俯仰角、偏航角和横滚角等姿态信息。机载激光通信的指向过程就是将GPS/INS系统获得的位置信息和姿态信息等输入到数传电台传递到对方终端，经过坐标系的转换和指向角解算等技术，然后系统驱动转台，完成通信视轴的指向功能。2）捕获单元：对于姿态相关的信息实现了获取过程之后，为了获得这个时候的视轴指向角，可以按照伺服转台对应的光学视轴以及安装零位的确切位置，利用其中的坐标变换来实现；在此基础上对于通信终端双方的确切位置信息能够准确获取。而后再通过坐标对应的变换功能，对视轴对准必须的调整角实施求解，就能够对伺服转台相关的旋转实施控制，从而就能够获得初始视轴指向。除此之外，对于捕获过程的不确定可以较大程度的变小，在捕获过程最短时间的基础上，能够做到更快速的捕获过程所以，包括了大视场捕获检测、精密三轴姿态检测以及精密位置测量相关的单元在内的，就是构成辅助捕获的关键。3）粗跟踪单元：伺服转台、粗跟踪探测器以及粗跟踪控制器都是包含在粗跟踪单元当中的重点。一开始在粗跟踪探测器的作用下，通信二者可以在较大范围中扫描其中的未确定区域，最好能够寻找到对方目标，也就是粗跟踪对应的扫描过程：而后通过这个探测器包含的CCD相机将目标位置传输至主控单元上，同时还需要将控制量也传输到伺服电机当中，该控制量是伺服转台对应的视轴指向和目标相关位置之间的差值，也就实现了整个初始指向步骤，该环节可以叫做粗跟踪单元对应的捕获过程；除此之外，闭环方式是粗跟踪过程实际的工作模式。通过伺服转台对光学系统实施控制来调整角度就是粗跟踪相关的执行单元，不过由于其中存在着较多的原因，使得系统在粗跟踪方面难以获得高精度，包括了粗跟踪伺服带宽的限制性以及机械谐振频率与电机功率的约束性。4）精跟踪单元：就精跟踪模块而言，一般由通信跟踪光学系统、精跟踪相关探测和快速扫描镜()、FSM驱动控制器和图像检测跟踪器组成。精跟踪检测器检测光轴的指向误差，通过控制FSM调整天线的光轴，实现高精度对准，保证了通信链路的稳定性，使得粗跟踪相关参与在误差方面能够有所抑制。所以，在对整个精跟踪系统更高精度进行保证的目标下，其中的精跟踪模块需要做到的包括：将视轴对准过程的误差变小，从而能够确保通信以及跟踪相关视轴在同轴性方面获得更高精度保证；为了让系统存在的分辨相关能力更高，可以先让其中检测的过程具备更高的精度；对于平台出现振动而带来的误差以及动态滞后相关残差方面，可以利用系统更大的伺服宽带来降低；整个系统涉及到的提前量伺服控制对应的误差是比较小的。5）提前量对准单元：视轴的超前现象是因为通信终端的相对运动导致的，因此可以通过提前量相关的对准单元来实施补偿，这也是该单元的重点功能，从而能够使得通信光相关的精确对准获得保证。这个单元对应的组成包括了更高精度的提前探测以及执行相关的组件。关于APT包含的粗跟踪以及精跟踪来说，其中瞄准目标是通过获取图像单元得到的信号完成的。不过对于机载激光通信相关系统而言，其中的视轴指向会由于通信双方不一样的飞行姿态带来不规则的偏移，这是因为它们实施的不规则运动导致的。这个偏移值的级别确实是属于微弧度，不过还是会在计算其中脱靶量的时候出现控制量上的偏差。所以系统当中存在的误差源也包括了这个偏移量，必须对此进行抑制，而更高精度的提前量伺服单元就是比较好的方式。1.3APT系统的工作流程为了获得较高的跟踪精度，就粗精相关复合轴对应的跟踪而言，它们都需要使用到机载激光通信相关系统当中。其中直流力矩电机作为粗跟踪模块当中的执行机构存在，整体来说具备更低的跟踪精度，在动态范围方面又比较大，还涉及到比较窄的控制带宽；而PZT振境则是精跟踪单元当中的执行机构，它具备更高的跟踪精度，更小的动态范围，对于信标光相关光斑来说，能够实现跟踪过程的更高精度[61]。参考图2-7是整个APT系统对应的工作流程。图2-7APT系统的流程图Figure2-7flowdiagramofAPTsystem由图2-7可知，APT系统的工作流程分为3个阶段：扫描、捕获以及跟踪。当粗跟踪检测器在其检测视场中检测到信标光信号时，可以显示为捕捉结束了，即可以理解为把粗信标光的信息导入到了粗跟踪单元当中，等待跟踪的系统稳固了那么就可以把精信标光信息传送精跟踪统。系统的精准通信。1.4APT系统的工作原理在实验中使得能够让动态范围以内达到准确的跟踪、捕捉，我们在本次实验中利用到了精、粗两个等级的复合轴控制技术，它使用的道理如下图2-8所示。我们采用的粗跟踪构造是由于粗跟踪转台、粗跟踪CCD摄像机与粗跟踪伺服控制器三个备件所构成的，为了能够实现视轴的初始化指向问题、动态粗跟踪与开环捕获。在实验中在有限的时间内减少捕获时间就要使得粗跟踪环路视场要很大，而越大视场效果就好。但是，逐步加大视场，导致了CCD空间的分辨率下降，从而导致了跟踪系统最后的跟踪准确度与宽带。对此，一定在环境方面做到改进。据了解精跟踪伺服环是由伺服控制单元组成、二维PZT振镜与高带宽光斑检测单元所构成的，二者协同工作，使得复合轴APT系统总精度满足通信要求。图2-8典型无线激光通信APT系统Figure1.8typicalAPTsystemofwirelesslasercommunication1.5APT系统的主要性能参数无线激光通信APT系统技术指标与通信系统性能指标、设备参数、外界自然因素以及控制方法等因素的影响，通信系统性能与APT技术系统技术指标互相约束，通信系统和APT技术指标的合理配置是通信系统稳定的前提。APT系统的主要性能参数如表2-1所示。表1.1APT系统主要性能参数Table1.1mainperformanceparametersofAPTsystem主要参数大小单位APT系统的对准精度10μrad辅助捕获精度10mrad粗跟踪最大跟踪速率5o/s粗跟踪最大跟踪加速度5o/s2粗跟踪最大跟踪误差180μrad精跟踪最大跟踪误差15μrad粗跟踪传感器视场10mrad精跟踪传感器视场1mrad为了提高机载激光通信系统的技术性能，首先要注意的是如何实现视线初始指向的精确指向。影响该技术的主要性能参数是捕捉时间、捕捉概率与捕获不能够待定的区域。①捕获不确定区域实验中空间激光通信系统里，捕获不确定区域(Filedo