跟踪通信一体化接收光学系统设计

针对机载平台相对位姿变化快、机载设备日趋小型化轻量化等特点,基于大视场凝视扫描的方式,提出一种高帧频CMOS捕获、FSM调节跟踪、APD通信的同轴双光路跟踪通信一体化接收光学系统。介绍了系统的工作原理和方案;设计了一套验证系统,并对该系统的跟踪、瞄准性能进行了优化设计和分析。跟踪光路视场达到±175 mrad,90%能量光斑直径小于10 μm;通信光路视场达到±13 mrad,RMS直径小于3.5 μm。考虑到机载应用的特殊性,进一步分析了该系统杂散光特性和公差影响。分析结果表明:该方案同时满足高概率捕获、高精度跟踪、瞄准以及小型化的要求,对于机载激光通信具有一定借鉴意义。     

大气湍流对空间激光通信跟踪系统的影响

基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验,对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析,研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响,建立了光斑质心检测模型,设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统,完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量,结果表明在中弱湍流时,跟踪精度随湍流增大有近似线性关系,系统整体跟踪精度在5~15μrad之间,可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中,对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量,整体跟踪精度不大于15μrad,与室内实验测试系统基本一致.     

移动地面站宽温度跟瞄系统信标接收镜头

为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度,针对-20~40℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题,进行了光学系统与光机结构的设计,提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果,针对光电跟瞄系统的指标要求,设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明,系统一阶模态为370 Hz;补偿镜组向前移动0.695 mm能够补偿-20℃时光学系统成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由73μm降为3.2μm,边缘视场光斑尺寸由77μm降为15.7μm;向后移动0.885 6 mm能够补偿40℃时成像光斑的弥散,令中心视场光斑尺寸由94μm降为3.9μm,边缘视场光斑尺寸由96μm降为21.8μm;使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测,波像差RMS值(均方根值)为0.061λ(λ=632.8 nm),PV值(峰谷值)为0.466λ,能够满足跟瞄系统指标要求。     

差分像移湍流廓线激光雷达测量误差分析

差分像移激光雷达可以测量随距离分布的大气湍流廓线。在结合测量原理和定性分析的基础上,经过严格的数学推导得到了差分像移激光雷达测量湍流的误差公式,提供了定量分析和改进系统性能的基础:在系统参数确定后,通过合理分配探测点间距以及每个探测点的探测时间可以达到最好的测量效果。根据模拟分析的结果,测量误差主要来源于光斑质心计算误差和有限样本引起的统计误差。近距离测量时,由于接收到的光子信号很强,光斑质心计算误差的影响很小,此时样本统计误差起主导作用;随着距离的增加,光斑质心计算误差的影响越来越大。     

大气激光通信中稳定跟踪技术研究

 为了研究大气激光通信中稳定跟踪所采用的器件及有效跟踪方法,分析了光束定位探测器件(电荷耦合器件和四象限光电探测器)的灵敏度特性,结合影响大气激光通信跟踪系统性能的五种大气湍流效应,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.对质心跟踪算法和形心跟踪算法定位准确度的影响进行分析,得到在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论,并通过实验进行了验证.     

不同对准误差下的小孔衍射波面误差分析

点衍射干涉仪中小孔对准误差是影响衍射参考波面质量最主要的误差源。基于瑞利索末菲矢量衍射理论,建立了非傍轴高斯光束经小孔衍射的严格数学描述,对不同对准误差下的小孔衍射波面误差进行了分析,在分析中特别考虑了会聚光斑大小的影响。研究表明:小孔对准误差的引入使得衍射波面偏差迅速增大,且衍射波面偏差随对准误差的增大呈线性增长;相同对准误差下,衍射波面偏差随会聚光斑半径的增大而减小,要获得同等衍射波面偏差,允许的对准误差随会聚光斑的增大呈近同倍数增长。给出了0.5~3μm小孔在不同会聚光斑直径和小孔对准误差下的衍射波面误差分布数据,研究结果可为点衍射干涉仪中会聚透镜的选取、小孔对准精度要求的确定以及小孔衍射波面误差的估计提供重要参考数据。     

死区对四象限跟踪传感器跟踪精度的影响

介绍了四象限跟踪传感器原理后, 分析了存在噪声和死区条件下的四象限探测器的光斑能量探测率、质心探测误差和光斑位移敏感度, 推导了此时四象限跟踪传感器跟踪误差的理论公式, 并通过实验证明了理论分析的正确性. 理论分析和实验的结果都表明, 在相同的噪声情况下, 质心探测误差和位移敏感度都随着光斑的高斯宽度与死区宽度之比减小而增大, 但是位移敏感度增大的趋势要小于质心探测误差增大的趋势, 它们共同作用的结果就导致了光斑的高斯宽度与死区宽度之比越大, 四象限跟踪探测器的跟踪误差越小.     

平面圆孔微通道板用于X射线聚光的理论预测

微通道板(MCP)在X射线的会聚成像方面有视场大、重量轻、对装调精度要求低等优点。基于全反射理论,研究了平面圆孔MCP对X射线的聚光特性,计算了MCP的像面光照度增益和点扩散函数与微通道板结构参数之间的关系。使用Trace Pro软件对直径为25μm的圆孔MCP的聚光效果进行了仿真,仿真结果与计算结果基本吻合。结果表明,MCP的相对光照度增益与光源距离ls近似成正比,而与MCP的最大孔径无关,当光源距离为110 mm时,相对光照度增益大约可达到18倍。进一步研究了MCP离轴、俯仰、倾斜等装调误差对像面光斑的影响,结果表明,MCP的离轴对像面光斑影响很小;而角度偏差将影响光斑的位置和形状。     

自聚焦透镜光斑直径,分辨率测试研究

通过显微镜放大、ＣＣＤ图像接收采集、计算机数据处理技术来测量自聚焦透镜（ＧＲＩＮ透镜）光斑直径、分辨率。重点对误差进行分析。通过对样品５２０－０２５－０８３的测试，表明该系统光斑直径、分辨率测试不确定度优于±０．１μｍ及１％，与误差分析相吻合。     

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33μrad(3σ),满足通信要求的150μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。     

基于EKF的水下LD通信精对准控制算法

高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态,导致水下光通信链路难以稳定建立.首先采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律,再通过实验对接收端的光斑图像进行采样分析,利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系.仿真与实验结果表明:光束经过25 m的水下传输,接收光强分布仍近似为高斯分布.采用非线性估计算法(扩展卡尔曼滤波)与基本状态控制反馈理论,根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离,通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动跟踪对准.算法仿真结果显示,接收端对准误差在2 mm以下,稳定后接收效率超过98%.     

空地激光通信跟踪精度主要外界影响因素研究

为了分析空地激光通信外界因素对跟踪精度的影响情况,将平台振动、大气湍流和背景光三个主要影响因素归结到对跟踪精度影响的统一框架下进行了研究。使用实际测量得到的平台振动数据,建立空地激光通信跟踪仿真系统,分析了不同条件下,三种外界因素对跟踪精度的综合影响情况。在文中假设基础上,分析可知:粗跟踪单元可以较好的抑制地面运动平台的振动,保证激光能够进入精跟踪视场;中强度的湍流使精跟踪残差标准差增大4倍左右,如果试验地点选择在高海拔地区,大气湍流使精跟踪残差标准差增大2倍左右。     

采用APD阵列的共口径激光成像光学系统设计

针对机载平台激光3D成像系统的轻小型需求,设计了采用APD阵列的共口径激光收发光学系统。在分析激光成像系统照明方式及其光学系统结构的基础上,给出了激光3D成像光学系统结构框图:激光经衍射元件实现分束照明,采用双工反射镜实现收发光路的耦合。该光学系统用于2 km以内的目标三维成像,根据激光测距方程,确定了接收光学系统的参数以获得满足信噪比的回波能量。为避免造成像素之间串扰,设计了5倍扩束比的发射光学系统。最后,采用偏振片与1/4波片相结合的方式消除杂光,降低了发射光路对接收光路的影响。设计结果表明:接收光学系统弥散斑直径小于120μm,畸变小于0.2%。该光学系统体积小、重量轻,成像质量良好,可为同类激光成像光学系统提供借鉴参考。     

水下无线光OOK信道误码率分析

现有的矢量辐射输运（VRT）理论无法分析有限孔径条件下水下无线光通信信道特征,因此VRT误码率计算结果并不能很好地与实际系统相符。在分析水下光OOK信号激光传输模型的基础上,根据水下有限孔径光信道的特征,对三类海水中可见光水下通信系统的误码率进行了仿真和评估。仿真结果表明,水下光OOK系统可靠视频传输距离上限分别为远洋108m,近海65m和海湾11m,该结果为水下实时高码率激光通信系统设计提供了参考。     

采用多量子阱器件的无线光通信差拍接收方案研究

研究一种采用光折变多量子阱器件的无线光通信自差拍接收方案。与寻常相干接收方案相比,省去了中频跟踪电子系统;与量子阱器件零拍方案相比,采用中频窄带滤波器,提高了接收端机的输出信噪比。理论上研究了自差拍相干接收方案,从其物理机制出发,结合信噪比分析,探讨了影响相干接收方案的主要因素。建立了该方案的实验系统,并开展了有意义的实验研究。理论分析及实验结果表明,该方案对激光大气传输所引起的诸多不利影响皆有一定的抑制作用,因而有可能应用于卫星地面激光通信和地面无线光通信系统。     

基于MgO:APLN的1.57μm/3.84μm连续波内腔多光参量振荡器研究

报道了一种基于MgO:APLN实现1.57 μm和3.84 μm跨周期参量光连续输出的内腔抽运多光参量振荡器. 采用1064 nm谐振腔与多光参量振荡腔折叠型复合结构, 综合考虑高功率抽运下谐振腔的热稳定性及多光参量振荡过程的光斑模式匹配, 通过对两个子腔谐振结构的数值模拟分析, 确定了最佳腔型参数. 在此基础上, 进一步研究了谐振参量光透过率对振荡阈值、抽运光下转换效率、输出功率稳定性的影响, 最终实现了3.13 W的1.57 μm和0.85 W的3.84 μm参量光输出, 对应斜效率为6.8%和1.9%, 输出功率稳定性分别达到了1.8%和3%.     

室内可见光通信复合光学接收端设计与分析

本文提出了一种适用于室内可见光通信的新型光学接收端的设计.根据复合抛物面聚光器的聚光特性,将光电探测器与复合抛物面聚光器耦合作为接收子单元,并将这些接收子单元按照特定的几何关系嵌入一个半球面中,得到角度分集型的复合光学接收端,达到水平方向360°,垂直方向180°的大视场.对每个接收单元接收到的光能量,低传输数据时进行相加求和作为最终的接收功率,高数据速率时取各个子单元的最大值作为接收功率.在一个5 m×5 m×3 m的空旷房间中,通过MATLAB对室内可见光通信系统建模仿真.计算结果表明,采用这种复合型光学接收端后,两种不同处理算法下的接收功率相对于直接接收分别提高了11.85和7.47 dB,增益分别为15.31和5.98.信噪比较高,两种情况下的平均值分别为79.17和72.26 dB,且接收信噪比分布平缓,波动较小.这说明采用本文设计的光学接收端,不仅能够得到较大的接收端视场角,同时获得较高的增益和接收功率,以及稳定的接收信噪比,避免了室内可见光通信系统中通信盲区的存在,保证了室内通信性能的稳定性.