針對空間激光通信系統(tǒng)小型化設計的需求,提出了使用雪崩二極管(APD)型四象限探測器實現跟蹤與通信復用的方案,用以降低通信系統(tǒng)的體積和功耗,提高光能量的利用率。簡述了系統(tǒng)總體方案的組成與工作原理,在室內搭建測試平臺,對跟蹤與通信復用模式下的數據采集、通信速率、極限靈敏度、跟蹤精度等探測性能進行測試。結果表明:采用靶面直徑為4mm的APD型InGaAs四象限探測器,在曼徹斯特編碼、強度調制/直接探測條件下,通信速率可達10 Mb/s,探測靈敏度為-35.4dBm,誤碼率為10~(-6)。當光斑直徑為四象限探測器光敏面直徑的一半左右時,光斑位置檢測的最小分辨率為2μm,探測范圍可達0.8 mm,角分辨率為0.8μrad。初步驗證了使用APD型四象限探測器用于跟蹤與通信復合探測技術的可行性,為空間激光通信系統(tǒng)小型化設計提供技術支持。
【部分圖文】：

Ｄ）條件下，得到了通信速率為１０Ｍｂ／ｓ，探測靈敏度為－３５．４ｄＢｍ，誤碼率（ＢＥＲ）為１０－６的技術指標，初步驗證了四象限探測器在低速率通信條件下跟蹤與通信復合探測技術的可行性，為空間激光通信系統(tǒng)小型化和低功耗設計提供了技術支持。２四象限探測器跟蹤與通信復合探測原理２．１四象限探測器的跟蹤原理四象限探測器的本質是四個獨立且性能幾乎完全一樣的光電二極管按照平面直角坐標系排列而成，通過檢測光電流的大小，解算出光斑的坐標信息，為伺服單元提供脫靶量［７］。如圖１所示，假設光斑在ＱＤ上的形狀為圓形，能量分布服從均勻分布，且光斑覆蓋四個象限。根據各象限中的光功率與該象限中光斑面積圖１光束偏轉角度與偏移量的關系Ｆｉｇ．１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｂｅａｍａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｓｅｔ成正比，得到光斑在ＱＤ光敏面上的相對偏移量Δｘ，Δｙ，即Δｘ＝Ｋｘ（ＳＡ＋ＳＤ）－ＳＢ＋Ｓ（Ｃ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｘ（ＰＡ＋ＰＤ）－ＰＢ＋Ｐ（Ｃ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｘ（ＩＡ＋ＩＤ）－ＩＢ＋Ｉ（Ｃ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，（１）Δｙ＝Ｋｙ（ＳＡ＋ＳＢ）－ＳＣ＋Ｓ（Ｄ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｙ（ＰＡ＋ＰＢ）－ＰＣ＋Ｐ（Ｄ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｙ（ＩＡ＋ＩＢ）－ＩＣ＋Ｉ（Ｄ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，

較弱，該方法主要應用在光斑偏離光敏面中心，只落在某一象限或某兩個象限之間的情況。ＭＲＣ根據接收到的四路信號的信噪比，選擇不同的加權因子實現最佳合并，該技術對信號的改善效果最明顯，但是算法相對復雜，在硬件上較難實現，不適合空間激光通信系統(tǒng)。ＥＧＣ要求光斑均勻落在四個象限上，采用相同增益系數對四條支路分別進行處理，獲得最大的信號能量，提高接收信噪比，其改善效果僅次于ＭＲＣ。針對三種分集合并方式對信噪比提高的程度，利用Ｍａｔｌａｂ仿真分析了四象限探測器分集數量與信噪比關系，如圖３所示。從圖３可以看出，相較于無分集接收，三種分集接收合并技術都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ對信噪比的改善能力最為顯著，ＳＣ效果最差。當光斑落在四個象限即分集數Ｎ為４時，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ對信噪比的提高能力分別為３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系統(tǒng)采用分集技術，ＳＣ對信號的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。圖３三種合并方法的性能對比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ圖４不同分集數下信噪比與誤碼率的關系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ圖４為分集數Ｎ為２和４時三種分集合并方式及無分集（ＮＣ）時的信噪比與誤碼率的關系曲線圖�？梢钥闯�，在信噪比一定的情況下，光斑分布在兩個象限即Ｎ＝２時，無分集時的誤碼率最大，ＭＲＣ

技術都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ對信噪比的改善能力最為顯著，ＳＣ效果最差。當光斑落在四個象限即分集數Ｎ為４時，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ對信噪比的提高能力分別為３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系統(tǒng)采用分集技術，ＳＣ對信號的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。圖３三種合并方法的性能對比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ圖４不同分集數下信噪比與誤碼率的關系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ圖４為分集數Ｎ為２和４時三種分集合并方式及無分集（ＮＣ）時的信噪比與誤碼率的關系曲線圖�？梢钥闯�，在信噪比一定的情況下，光斑分布在兩個象限即Ｎ＝２時，無分集時的誤碼率最大，ＭＲＣ誤碼率最０９０６００９－３
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2 張金瑞;母一寧;王賀;張智;;四象限精跟蹤光軸檢測模型與誤差分析[J];半導體光電;2014年02期

3 梁巍巍;殷瑞光;李慧;趙宏鵬;張文攀;;激光損傷四象限探測器對制導武器的影響[J];紅外與激光工程;2013年10期

4 陳夢葦;楊應平;賈信庭;冷芬;;四象限探測器光斑中心定位算法研究[J];武漢理工大學學報(交通科學與工程版);2013年05期

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本文編號：2863141