本文關鍵詞：空間二維光電轉臺的高穩(wěn)定捕獲跟蹤技術研究

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【摘要】：經(jīng)過幾十年的研究,空間光通信終端已經(jīng)經(jīng)歷了兩代的發(fā)展,并且各國開展了一系列的在軌光通信實驗,取得了輝煌的成績。由于激光的方向性極強,需要專門的捕獲、跟蹤、瞄準(Acquisition,Tracking and Pointing,簡稱ATP)系統(tǒng)來建立并維持高精度對準的光學鏈路�？臻g光通信的鏈路可通率和通信誤碼率分別對ATP系統(tǒng)的捕獲穩(wěn)定性和跟瞄精度提出了要求,同時,ATP系統(tǒng)還面臨著空間環(huán)境和空間平臺帶來的挑戰(zhàn)。所以,ATP技術是空間光通信的關鍵技術之一。本論文基于中國科學院知識創(chuàng)新工程重大項目,以星地量子通信的星載ATP系統(tǒng)研制為背景,研究基于空間二維光電轉臺結構的高穩(wěn)定捕獲和跟蹤技術。論文的工作主要包括:介紹了ATP工作流程、系統(tǒng)構成和工作原理,以及二維光電轉臺的硬件構成與軟件算法,總結了常見的捕獲跟蹤性能測試方法,并測試了系統(tǒng)的基本性能;對影響系統(tǒng)性能的外部環(huán)境約束進行了分析,包括大氣信道特性,衛(wèi)星平臺擾動,以及空間熱環(huán)境的影響;分析了捕獲方法和捕獲靈敏度,針對捕獲系統(tǒng)面臨的實際問題,提出了若干優(yōu)化算法,提高了捕獲的穩(wěn)定性;綜合分析了二維光電轉臺的跟蹤誤差,探討了系統(tǒng)極限跟蹤性能的限制因素,并指出提高跟蹤精度的思路。論文的主要創(chuàng)新點有:1)考慮到光通信鏈路中斷后快速恢復的需求,提出了基于角度信息預測濾波的快速重捕獲方法。根據(jù)星地光通信指向角的特點,提出改進的有限記憶濾波算法。仿真結果表明,算法在3s內的預測精度優(yōu)于0.05?,5s內的預測精度優(yōu)于0.1?。實驗結果表明,經(jīng)歷約5s的無光期后,系統(tǒng)能夠在1s內完成重捕獲。相比之下,掃描捕獲方法通常需要數(shù)十秒,因此該方法可有效提高光通信鏈路的可通率。2)針對弱光捕獲的魯棒性問題,提出了變值速度約束的捕獲優(yōu)化方法。利用質心軌跡和測角信號預測得到星地相對運動速度作為速度約束的基準,實現(xiàn)捕獲速度的變值約束。仿真和實驗結果表明,優(yōu)化方法使捕獲靈敏度提升了約5d B。該方法在某星地量子通信ATP系統(tǒng)中得到了應用,地面測試顯示其顯著提高了信標捕獲過程的穩(wěn)定性。另外,對于功率受限的深空光通信鏈路,該方法也能夠提高其鏈路建立的成功率。3)從系統(tǒng)的角度綜合分析了二維光電轉臺的跟蹤性能。分析結果表明,對二維光電轉臺的跟蹤精度影響最大的是探測器幀頻有限引起的采樣延遲誤差,系統(tǒng)的極限帶寬則同時受制于機械諧振頻率和探測器幀頻。同時指出了利用CMOS探測器變窗手段提高跟蹤精度的思路。理論分析表明,利用變窗跟蹤方法能夠將二維轉臺的極限跟蹤帶寬由4Hz提升到15Hz,從而使跟蹤精度由20~30urad提高到10urad量級。論文的研究結果對空間光通信的高穩(wěn)定捕獲跟蹤技術起到一定促進作用。綜合本文提出的若干方法和思路,有助于實現(xiàn)基于二維光電轉臺結構的小型化非復合軸ATP終端。由于其結構簡化、穩(wěn)定性好,對于近距離和中等速率的空間光通信具有實用價值。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(上海技術物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TN929.1

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