卫星激光通信跟瞄精度测试方法及其实验研究

卫星激光通信捕获、跟踪、瞄准(ATP)需要端机具备有微弧度(μrad)量级的高精度跟踪能力。如何检验通信端机的这一特性是一个很重要的问题。设计了一套端机跟瞄精度测试装置。装置模拟入射光方向的偏转,端机跟踪从偏转方向发出的回馈信标光。通过测量回馈光远场光斑的位置变化可以得到端机的跟瞄精度。测试实验表明,当入射光方向的变化小于4μrad,测试频率在0~250Hz时,测试系统的精度可达到0.2μrad。此项工作对卫星激光通信的光链路通信的研究以及对端机性能的整体评估具有重要意义。     

空间光通信ATP系统设计中的基本概念及关键参数探讨

空间光捕获、跟踪、对准(ATP)技术的采用是为了保证空间光通信系统建立可取通信链路，它是实现空间光通信需要首先突破和解决的关键技术。空间光通信ATP子系统中的瞄准误差等关键参数直接影响系统总体性能以及对总体设计指标的确定，在一定程度上还决定了空间光通信系统的重量、体积以及系统制作的复杂程度。因此，开展对ATP技术的研究对实现空间光通信有着重要的现实意义。简单介绍ATP系统的典型结构，分析ATP系统瞄准误差的产生、计算以及ATP跟瞄精度对系统整体设计的影响，同时给出对ATP系统的部分仿真结果。     

空间光电跟瞄系统多光轴平行性标校研究

为了解决空间光电跟瞄系统在真空环境下的多光轴标校问题,本文首先根据空间光电跟瞄系统的多光轴一致性检测精度要求,设计了一套多光轴标校系统。接着,对多光轴标校系统各子系统进行了详尽的误差分析,并给出了关键子系统的误差影响抑制方法。然后,对通信技术试验卫星三号的空间光电跟瞄系统进行了实验室环境与真空环境下的技术测试,分析了多光轴标校系统在两种测试环境下的误差来源以及测试精度,并给出了测试结果。最后,对多光轴标校系统进行了精度验证。最终结果表明:本文设计的多光轴标校系统在实验室测试环境下的标校精度为0.998″,收发平行度标定误差为1.165″;在真空测试环境下的标校精度为1.219″,收发平行度标定误差为1.359″,完全满足空间光电跟瞄系统1.5″的多光轴检测精度要求,为相关工程应用提供了技术支持。     

激光量热计不确定度分析

 基于激光量热平台,对ISO 11551涉及的3种弱吸收数据处理方法——指数法、脉冲法和梯度法进行了不确定度分析。从回归分析的角度对拟合参数γ和A等进行了不确定度评估,采用Matlab软件进行不确定度的计算。采用B类评定法对质量、功率等测量参数进行不确定度评估。随机选取样本进行多次测量,验证了本文不确定度评估的有效性。分析和实验表明,拟合偏差是弱吸收测量不确定度的主要来源。指数法的相对不确定度约为0.0129,脉冲法的相对不确定度约为0.0029,是最优的数据处理方法,梯度法采用的样本点过于单一,相对不确定度约为0.0961。提高量热计精度的可行途径是改进数据处理方法和提高激光功率测量精度。     

太瓦飞秒脉冲激光峰值功率测量装置及测量不确定度分析

超短超强脉冲激光（飞秒强激光）具有极高的峰值功率,在激光惯性约束聚变、高能物理、激光微加工等领域具有广阔的应用前景。飞秒脉冲激光峰值功率是评价超短超强脉冲激光系统性能的重要参数。介绍了基于光谱相位相干直接电场重构法的太瓦量级飞秒脉冲激光峰值功率测量方法、测量装置组成和工作原理,搭建了一套太瓦量级的飞秒脉冲激光峰值功率测量装置,分析和讨论了影响太瓦激光峰值功率测量结果的测量不确定度分量来源和主要因素。测量峰值功率的重复性为2.9%,测量不确定度达到17.6%(k=2),有效解决了太瓦量级飞秒激光峰值功率测量问题。     

激光跟瞄仿真系统及两种跟瞄方法

基于OpenGL和大气传输光学分析的3维全数字仿真是激光跟瞄系统的重要研究手段。为提高跟踪和瞄准精度,从激光跟瞄仿真系统整体出发,研究了目标成像中的投影变换、成像与跟踪的关系、高精度跟踪现有算法的控制过程仿真等内容,并提出了基于大视口、目标大气传输图像序列的跟瞄仿真技术。说明了仿真系统中跟瞄精度分析的特点。就某仿真场景,设计了"头部顶点"和"两点提取"两种跟瞄方法,在不同大气湍流条件下得到了它们的跟瞄精度,说明应用该激光跟瞄仿真系统,能够预先设计、测试和验证一些跟瞄方法,帮助进行算法分析和改进,从而提高工作效率和节约成本。     

61单元分立式压电变形反射镜的研制

 由于61单元自适应光学系统(AO)对分立式压电变形反射镜单元数(61单元)和变形量的要求超过以往研制的变形镜,从理论分析到工艺研究采取措施,研制成功了用于系统实验的变形镜,顺利地完成了AO与跟瞄系统(ATP)的对接,提高了ATP的跟瞄精度。     

空间相干激光通信中目标位置误差的相干探测

空间相干激光通信终端中的跟瞄(PAT)系统性能直接影响通信质量。在通用的相干接收机系统中加入CCD和图像处理软件,在对传输信号进行相干探测的同时可得到目标位置误差信息,实现发射光束的实时调整。给出了干涉场强的理论表达式以及图像参数与目标位置的关系式,并讨论了实际应用中波长抖动对位置误差探测精度的影响。通过计算机仿真,验证了目标位置相干探测原理以及波长扰动分析的正确性。     

压电式倾斜镜迟滞特性及其实验研究

空间激光通信精瞄系统中压电式倾斜镜存在的迟滞非线性特性,不仅降低了精瞄系统定位精度,而且对信标光的捕获以及链路的稳定性造成影响。针对该问题,提出一种基于PLAY迟滞算子改进Prandtl-Ishlinskii(P-I)数学模型及参数辨识方法,利用该模型对迟滞特性进行前馈线性化逆补偿。为进一步提高系统跟踪精度,在线性化的基础上,设计了静态输出反馈控制器,形成复合控制方法,并设计了激光通信终端精瞄系统实验,验证了该复合方法的有效性。通过对系统输入不同频率等幅和减幅正弦控制信号进行测试,结果表明,改进P-I模型最大拟合误差在1%之内,前馈模型逆补偿使压电陶瓷执行器(PEA)的线性度误差由5%减小到1%以内,复合控制方法系统跟踪误差降低了80%。     

空间光通信ATP系统的研究

自由空间光通信是以激光为载波,以大气为传输媒质的新型通信技术。捕获、跟踪、瞄准(ATP)子系统是自由空间光通信系统的关键技术之一。给出了空间光通信系统中ATP子系统的原理,对由共轴双检测法组成的ATP系统进行了研究,建立了共轴双检测ATP试验系统。结果表明采用共轴双检测ATP系统能够提高系统精度和稳定性,跟踪精度比复合控制ATP系统有了明显提高。     

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.     

高精度星载点目标轨迹跟踪系统设计

一种高精度星载点目标轨迹跟踪系统,利用拟合点目标轨迹曲线的方法将点目标位置数据简化成多项式系数的数据包,由地面测控系统发送至星上遥感器指向控制单元。指向控制单元与时间管理单元解析数据包中时间参数与系数参数,控制指向镜机构进行运动,对点目标轨迹进行自主跟踪。此方法提高了跟踪系统的跟踪精度,减轻了目标跟踪时总线通信压力。经过试验验证,系统的跟踪精度远优于传统的目标跟踪方法,可进行推广使用。     

自由空间光通信APT系统仿真

高精度、宽带宽的激光捕获、对准和跟踪(APT)技术是自由空间激光通信的关键技术。简要的分析了APT系统的工作原理,建立了仿真的数学模型,利用Simulink语言,实现了卫星激光通信中APT过程的动态仿真,在此基础上设计了星际激光通信复合轴APT综合模拟实验系统。由该系统得出的有效抑制带宽为200～300Hz,经过粗、精两环抑制后的振动残差为1.2μrad,通过实验获得的数据与理论分析一致。仿真结果为系统的设计以及系统的可靠性提供了保证,为进一步发展空间激光通信技术提供了理论依据。     

光束指向稳定性高精度检测方法研究北大核心CSCD

光束指向稳定性是高能激光应用研究中的一项关键指标,光束指向稳定性的检测是高能激光系统性能实现的重要环节。以长焦距聚焦反射镜与高分辨率CCD(charge coupled device)为主要元件,构建高精度的光束指向检测装置。采用灰度重心法定位光斑中心,并以理想光斑与实测光斑为例进行验证,误差小于1个像元。利用CCD高频采样,统计单位时间内光斑中心位移,获得光束指向稳定性指标,检测实例精度可达1.25μrad。该方法简便易行,测量精度高,适用于各种波长的激光光束指向检测以及其他相关参数的测量。     

Large-aperture double-focus laser collimator for PAT performance testing of inter-satellite laser communication terminal

A laser collimator is necessary for testing and verification of the pointing, acquisition and tracking (PAT) performance of inter-satellite laser communication terminals on the ground. The laser collimator must have a large clear aperture to fit the PAT performance testing system. The PAT subsystem has a large field of view for the acquisition and a high angular accuracy for the fine tracking. To resolve the conflict between large field of view and fine angular resolution, a large-aperture double-focus laser collimator is proposed and its optical design and mechanical structure are described. The collimator mainly consists of a primary lens, a reflector, a beam-splitting plate, a secondary lens, two compensating lenses, two imaging sensors and a laser. The primary lens directly forms the long focal length arm of the collimator. The combination of the primary lens and the secondary lens form the short focal length arm of the collimator. The collimator has an angular resolution <0.75 μrad and a 10 mrad field of view. For the collimator, the incident beam is focused on the two imaging sensors by its two arms, and the beam emitted from the laser is collimated and transmitted. The collimator is combined with an optical scanner and a fine beam deflector to test and verify the PAT performance of the inter-satellite laser communication terminal in a full physical manner.     

模糊PID控制在ATP伺服系统中的应用

针对空间光通信ATP伺服系统采用一种模糊PID参数自整定的控制方法,结合模糊控制与常规PID控制的优点,讨论了模糊PID参数自整定控制器的设计方法。利用MATLAB中的模糊控制工具箱进行了系统的辅助设计与仿真实验,并与传统PID控制系统进行比较。仿真结果表明,该控制方法明显优于传统PID控制,并能使ATP系统的视轴稳定性得到提高。