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。     

深空光通信中图像信标的捕获和跟踪

用激光进行深空探测科学数据回传,上行信标光衰减严重,不能提供足够高的跟踪速率,因此常采用自然天体图像作为信标。对该信标的捕获和跟踪是深空光通信链路成功建立和保持的关键。在航天器上存储一幅目标天体图像做参考,利用该图像和探测图像的相关性对该信标进行捕获,理论分析和仿真结果都表明,可以精确地确定光通信天线的初始对准方向,使跟瞄系统进入跟踪模式。基于离散傅里叶变换和极大似然方法对信标的平移进行计算,需要解一个非线性方程组,线性近似计算结果表明平移量总误差在0.5个像素以内,X方向的平移误差为3.3%,Y方向的平移误差为2.7%,可以满足深空通信的要求,因而是一种可行的方案。     

空间激光通信系统动态跟瞄参数测试方法研究

跟瞄精度是空间激光通信系统捕获、跟踪和瞄准(acquisition,tracking and pointing, ATP)分系统的重要指标参数之一,其准确测量是评估空间激光通信系统远距离通信性能的关键。介绍了空间激光通信系统ATP分系统跟瞄精度的测试方法,设计了一种基于平行光管法的空间激光通信系统动态瞄参数测量装置,分析和讨论了影响动态跟瞄精度测量不确定度的因素。试验表明,该测量装置在100 Hz振动频率条件下,ATP分系统稳定精度测量不确定度达到1.9 μrad(k=2),可用于空间激光通信系统ATP分系统跟瞄参数检测以及远距离激光通信性能评估。     

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。     

太阳辐射对卫星光通信系统的影响分析

为了分析太阳辐射对卫星光通信系统造成的影响,利用太阳常数和微元法计算了辐照到目标物体表面的太阳辐射功率。结合地面通信终端的接收信号功率,分析了在太阳辐射影响下的系统信噪比和误码率,并给出了满足系统误码率10-9条件下,发射信号功率、俯仰角以及跟瞄误差之间的关系。结果表明对日俯仰角需要被限制在一个很小的变化范围,而增大信号发射功率和减小系统跟瞄误差都是提高卫星光通信系统可靠性的有效途径。     

面阵探测器点目标探测随机误差度量方法研究

为了提高星地光通信中捕获跟踪瞄准系统的目标探测精度,需要对面阵探测器上信标光斑位置探测的随机误差进行高精度分析评估。基于影响光斑探测的多种随机因素,建立了不依赖于目标信号点扩散函数的质心定位噪声等效角(NEA)模型,并仿真了不同因素对NEA的影响。结果显示,不同目标信号点扩散函数下的NEA的变化趋势相似:随噪声的增大而增大,随信号强度的增大而减小,随光斑半径的增大而增大。不同目标信号点扩散函数下所计算出的NEA数值不同,最大差异小于30%。研究结论为目标位置探测的随机误差提供了测量方法和理论分析依据,对远距离星地光通信链路的建立与保持具有重要意义。     

自由光通信中卫星相对运动的补偿设计

分析了不在同一轨道平面的光通信终端搭载卫星的相对运动模型,通过对终端万向节指向的补偿校正来提高扫瞄捕获概率,缩短激光链路的建立时间,并对通信过程中的接收光束在电荷藕合器件靶面坐标系中的坐标值进行修正,减弱对快速倾斜镜的高带宽限制.最后对相对运动模型进行解算,依据方案对捕获和跟踪过程的补偿设计进行数值仿真,结果表明本设计方案可以消除由于卫星相对运动引起的光束指向偏差.该方案简化了系统结构,降低了系统复杂性,减少了能量消耗,同时易于星载计算机程序实现.     

太极计划激光指向调控方案介绍

空间引力波探测中为实现引力波信号科学测量,卫星发射到预定轨道后需首先完成百万公里级激光链路的构建。同时为保证引力波信号不会被激光指向噪声淹没,激光指向稳定性需达到nrad/((Hz)~(1/2))量级。为此需设计一套复杂而精密的激光指向调控方案。本文以太极计划为背景,详细阐述了可采用的指向调控方案。拟将整个过程将分为两个阶段,首先进行激光捕获过程,在该过程中,使用星敏感器(STR)与电荷耦合器件(CCD)作为辅助捕获探测器,将激光指向不确定区域控制到μrad量级。之后进行激光精密指向过程,利用差分波前敏感测角(DWS)技术对激光指向稳定性进行控制。根据太极计划要求,对各阶段捕获探测器提出了视场及精度要求,并论述了采用DWS技术实现精密指向的可行性。相关结论可为未来的验证实验奠定理论基础,对太极计划指向系统构建提供参考。     

卫星光通信系统振动源的模拟设计

为了便于空间激光通信中捕获、跟踪性能的测试,提出了一种卫星振动模拟源系统设计方案。该系统主要由上位机借助LabVIEW软件解析标准振动功率谱密度函数,将模拟出的平台振动信号传给以STM32F4为核心的控制系统,驱动振镜进行俯仰、方位摆动。借助欧空局设计的SILEX平台模型,推导验证了本方案的可行性,并搭建实验现场,通过探测器对光斑脱靶量进行了实时监测,分析了脱靶量功率谱,同时对在实际应用中产生的伪随机序列进行了优化与处理。实验结果表明,设计的振动源幅值精度优于2μrad,模拟结果真实有效。另外由于其频率可调节,模拟系统幅度可达±10mrad,故易于模拟不同的标准模型,为复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)的实验室验证提供了条件。     

三同心球光学系统跟瞄误差分析

针对独有的跟踪方式,具体讨论了激光通信三同心球光学系统的跟瞄方案,并进行了具体规划。通过对通信跟踪光路和通信接收光路的视场和精度分析,给出了二者的相关参数,作为Matlab理论计算跟踪像面轨道的依据。利用Tracepro软件模拟了引入相关误差量后的通信跟踪和通信接收像面光斑质心偏移和光斑大小变化情况。仿真结果显示:随着角度的旋转,通信接收的质心偏差在±4μm范围内,通信跟踪的质心偏差在±50μm范围内;通信接收像面光斑直径小于80μm,通信跟踪像面光斑直径均在400μm以内。系统所引入的误差在允许范围之内,不影响相关跟踪通信功能。     

光学星间链路技术

通过卫星间直接通信实现数据中继是空间通信技术发展的一个重要方面。光学星间链路与传统的微波链路相比具有重量轻、体积小、功耗低等诸多优点,但在捕获和跟踪等方面也存在着巨大的困难。描述了光学星间链路的系统结构极其关键技术,包括通信收发机、捕获与跟踪、光源与探测器以及空间应用的一些特殊问题。介绍了国际上几个主要研究计划的进展情况,并对光学星间链路的发展前景进行了综述。     

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。     

空间光束实时捕获、跟踪实验与分析

提出一种空间光束捕获、跟踪设计方案,在实验室条件下实现其主要功能,并对其定位精度和实时性进行了分析,结果表明：信标光定位处理的时间为25 ms,角度测量的相对误差为1.3％,显示出良好性能.同时,为由理论分析到实际星载PAT系统提供试验依据.     

光电雷达红外调制检测技术

因红外调制检测技术用于检测扫描积分型光电雷达调制器的工作性能,为此设计一套与调制器固有属性匹配的光学传递和激光准直系统。运用标准伺服控制理论为调制脉码信号建立Ⅲ型条件稳定的轴系扫描模型,通过截获、跟踪视场切换及驱动电压调幅,使模拟红外汇聚的激光扫描光束与3°×3°、40′×40′十字靶标重合,计量扫描视场及零位精度偏差,采集标定反射镜振动位置和扫描频率的过零脉冲,用以实现红外信号调制性能的检测。测试结果表明,该红外调制检测技术对调制器扫描视场的精度测量优于0.5′(1σ),零位误差的精度测量不大于5′(1σ),系统检测的相对误差不大于±1%,满足光电雷达红外光轴瞄准线工艺装配的精度要求,可应用于线列扫积型调制器的性能检测。     

大视场四象限探测光学系统设计

为了实现大视场激光探测跟踪,分析了大视场激光探测光学系统的研制特点。首先,根据四象限探测对光学系统光斑均匀性的要求,结合系统的指标参数,选定合理的光学结构型式,提出像差校正的设计方案。然后,基于ZEMAX软件完成大视场四象限探测光学系统设计,并利用点列图、光线足迹图、包围圆能量定性评价系统光斑质量;通过TRACEPRO光学分析软件,得到探测器靶面的光线照度分布。最后,依据设计结果完成光学系统的加工装配及性能测试。测试结果表明：激光探测系统线性视场为±6°,测角精度优于0.15°,并根据实测数据针对线性视场进行曲线拟合,与理论曲线相符,验证了设计结果的正确性。     

激光制导目标方位探测系统的光学设计

根据激光制导目标方位探测系统技术指标,分析了系统光学设计的特点,选定了光学系统的结构形式,探讨了激光回波光斑大小与四象限探测器光敏面大小之间的相互关系及其对目标探测跟踪的影响,并利用ZEMAX软件进行了系统参数优化,设计结果满足了使用要求。     

基于MEMS技术的移动危化品远程监测系统设计

目前危化品运输监测体系不够完善,同时事故的预防和处理对人力依赖过度,监测效果不尽如人意。为了最大程度上减轻危化品泄露事故危害,设计了一种基于无线通讯和卫星通讯系统的移动危化品远程监测系统。利用车体不同位置安放的各种MEMS传感器及时地获取运输信息(如气体泄漏情况、速度、加速度、温度、湿度及倾角等),采用ZigBee技术传输至移动端中央处理器,并通过GSM向监控端进行反馈,从而对监测到的异常情况做出迅速反应。经过实际测试,测试结果满足精度要求,有效的解决了移动危化品的在线监测和定位。     

一种新型准静态拓扑LEO/MEO卫星光网络设计

设计了一种新型的LEO/MEO全球覆盖双层卫星光网络,该结构具有稳定的MESH型连接关系,不仅满足卫星光通信捕获追踪和瞄准ATP(acquisition tracking and pointing)要求,还能简化星载处理和交换,降低路由开销。推导了同层和异层间星间链路空间位置表达式。数值仿真结果表明该网络相邻卫星间距离、方位角和俯仰角变化范围小,非常适合卫星激光链路,可作为构建未来卫星激光网络的参考。     

正交狭缝扫描式激光光束质量测量方法研究

传统激光光束质量测量方法在CCD相机靶面前激光光路上加装可调衰减模块，对激光光束进行衰减。但该方法受限于CCD相机像元尺寸限制，难以进行高精度测量。为此该文提出了一种滚轮狭缝式激光光束质量评价方法，在测量时采用狭缝滚轮上的扫描狭缝直接扫描被测激光光束，使用InGaAs探测器配合聚焦透镜进行测量。经过与电机同轴的高精度增量式编码器确保采集位置与采集数据同步，扫描频率根据被测激光脉冲频率和光斑的直径范围可进行调整，该方法对光斑空间采样分辨率优于1 μm。实验结果表明，采用该方法测得的激光M2因子数值与被测激光器提供数值一致，测量不确定度小于10%。     

四象限探测器用作激光准直的特性分析

以四象限光电探测器用作激光准直为例,对其探测原理、光电转换特性、影响探测精度的因素进行了理论分析。用数值模拟、实验验证了分析结果,并对影响探测精度的因素进行了深入的探讨,从而为四象限探测器用作激光准直提供了有力的理论依据。