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空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究
余佳威
Subtype博士
Thesis Advisor黄永梅 ; 周国忠
2019-05-28
Degree Grantor中国科学院大学
Place of Conferral四川省成都市光电技术研究所
Degree Name工学博士学位
Degree Discipline信号与信息处理
Keyword光电编码器细分误差 Qd噪声抑制 空间光通信
Abstract

空间光通信以其高传输速率、保密性强、抗干扰能力强、功耗小并且容易实现轻小型化等多个优点,使得其在空间通信中的潜力远远大于空间微波通信。由于激光的发散角小,方向性高等特点,使其不能像空间微波通信那样大面积覆盖,只能通信两端精密对准双方并且稳定跟踪,这样才能够接收到覆盖范围较小的激
光所携带的信息。正是在这样的背景之下,本文对空间激光通信中高精度光轴偏差检测技术展开了研究。
文中首先对国内外空间激光通信的发展过程和所使用的捕获、跟踪、瞄准(ATP)系统进行了详细的研究。分析了空间激光通信链路误差的产生原因,得出了测量器件的测量误差会造成系统控制误差,探测器中的噪声会造成光斑位置检测误差,这都会对望远镜的跟踪精度造成影响。对于复合轴结构的 ATP 系统,粗跟踪过程中,伺服转台高低轴和方位轴的位置和速度等物理量是通过光电编码器测量并反馈给粗跟踪控制系统的,如果光电编码器的测量精度不够,则会对望远镜系统的随动跟踪精度和速度平稳性造成影响;精跟踪过程中,探测器中的噪声会导致光斑质心位置的计算产生误差,导致反馈给精跟踪执行机构的信息有误,降低跟踪精度。
针对粗跟踪系统中伺服转台单元所使用的绝对式光电编码器进行了详细的分析,跟据误差分量的表现形式不同,将误差来源分为六种:零位误差、幅值误差、相位误差、谐波误差、噪声误差和量化误差。从原理出发,利用数学推导得出了每种误差对应的表达式和分布规律,总结出了误差分布的周期跟编码器的细分信号的周期存在对应的规律。在实际的望远镜系统中,对设备进行了正弦引导实验,并对误差分布曲线的特征进行分析,判定幅值误差为其主要的误差形式,利用补偿算法对其进行抑制,在不改变控制系统结构的情况下,就能使跟踪误差显著降低。
针对精跟踪系统中使用的四象限探测器(QD)对激光光斑质心位置探测的技术进行了详细分析。描述了 QD 探测光斑位置的指标,其中包括其位置分辨率、位置探测误差和探测灵敏度,分析了对 QD 位置探测精度影响最大的因素是噪声。
针对噪声的影响,提出采用 Kalman 滤波方法估计信号光电流的大小。进行了QD 的噪声抑制实验,搭建了实验光路,设计了 QD 输出电信号的模拟滤波、放大电路,并利用后端的信号处理电路对 QD 的四路输出电流值进行运算。提出了使用幅度调制-Kalman 滤波方法来滤除噪声。采集了实验数据,并对采集到的数据分别进行了处理(Kalman 滤波方法和传统方法)。实验结果表明应用Kalman滤波算法的位置误差的均方根误差R比使用传统算法有很大程度的减小。

Subject Area信息处理技术其他学科
MOST Discipline Catalogue工学::信息与通信工程
Table of Contents

第1 章 绪论................................................................................................1
1.1 课题背景和研究意义................................................................................... 1
1.2 空间激光通信及 ATP 技术发展现状与趋势..............................................1
1.2.1 欧洲.................................................................................................... 2
1.2.2 美国.................................................................................................... 6
1.2.3 日本.................................................................................................... 8
1.2.4 中国.................................................................................................. 12
1.3 光轴偏差检测的国内外现状..................................................................... 13
1.4 论文的主要研究内容及结构安排............................................................. 15
1.4.1 论文的主要内容.............................................................................. 15
1.4.2 论文的结构安排.............................................................................. 16
第2 章 空间激光通信中ATP 系统概述与链路分析........................... 19
2.1 引言............................................................................................................. 19
2.2 ATP 系统概述............................................................................................. 19
2.2.1 ATP 系统基本组成.......................................................................... 19
2.2.2 ATP 系统工作原理.......................................................................... 23
2.2.3 ATP 系统中的光轴偏差检测器件.................................................. 26
2.3 空间激光通信链路误差分析..................................................................... 32
2.3.1 链路误差的产生原因...................................................................... 32
2.3.2 链路误差描述指标.......................................................................... 35
2.4 通信体制与通信系统性能评价................................................................. 37
2.4.1 直接探测体制.................................................................................. 38
2.4.2 相干探测体制.................................................................................. 40
2.4.3 通信系统性能评价.......................................................................... 42
2.4.4 光轴偏差对通信系统的影响.......................................................... 42
2.5 本章小结..................................................................................................... 44
第3 章 光电编码器的工作原理及误差分析.........................................45
3.1 引言............................................................................................................. 45
3.2 光电编码器的分类与比较......................................................................... 45

3.3 光电编码器的工作原理............................................................................. 47
3.4 光电编码器细分技术的误差分析............................................................. 50
3.4.1 细分误差的成因.............................................................................. 52
3.4.2 细分误差的影响.............................................................................. 53
3.4.3 细分误差的数学推导...................................................................... 53
3.4.4 细分误差仿真分析.......................................................................... 62
3.5 光电编码器细分误差的补偿算法............................................................. 63
3.6 实验系统分析............................................................................................. 65
3.7 实验数据采集............................................................................................. 67
3.8 实验数据分析............................................................................................. 68
3.9 本章小结..................................................................................................... 72
第4 章 基于QD 的激光光斑位置探测技术......................................... 73
4.1 引言............................................................................................................. 73
4.2 QD 的基本工作原理.................................................................................. 73
4.2.1 QD 的基本外形............................................................................... 73
4.2.2 QD 的光生伏特效应....................................................................... 73
4.2.3 QD 的光斑质心计算公式............................................................... 75
4.3 基于 QD 的光斑位置探测系统................................................................. 77
4.4 QD 位置探测评价指标.............................................................................. 78
4.4.1 QD 的位置分辨力........................................................................... 78
4.4.2 QD 的位置探测误差....................................................................... 79
4.4.3 QD 的探测灵敏度........................................................................... 79
4.5 QD 位置探测精度的影响因素.................................................................. 79
4.6 线性离散 Kalman 滤波系统滤波方法...................................................... 83
4.6.1 线性离散 Kalman 滤波原理........................................................... 84
4.6.2 Kalman 滤波参数处理.................................................................... 88
4.7 本章小结..................................................................................................... 89
第5 章 四象限探测器的噪声抑制实验.................................................91
5.1 引言............................................................................................................. 91
5.2 硬件平台搭建............................................................................................. 91
5.2.1 模拟放大和滤波电路...................................................................... 91
5.2.2 后端处理电路.................................................................................. 93
5.2.3 光路搭建.......................................................................................... 94
5.3 传统方法处理噪声..................................................................................... 95
5.4 调制-Kalman 滤波方法处理噪声.............................................................. 96
5.5 实验结果与分析......................................................................................... 98
5.6 本章小结................................................................................................... 101
第6 章 总结与展望............................................................................... 103
6.1 论文工作总结........................................................................................... 103
6.2 论文创新工作........................................................................................... 104
6.3 未来工作展望........................................................................................... 104
参考文献..................................................................................................105
致谢..........................................................................................................115
作者简介及在学期间发表的学术论文与研究成果.............................117

Pages136
Language中文
Document Type学位论文
Identifierhttp://ir.ioe.ac.cn/handle/181551/9101
Collection光电技术研究所博硕士论文
Recommended Citation
GB/T 7714
余佳威. 空间光通信中高精度光轴偏差检测技术研究[D]. 四川省成都市光电技术研究所. 中国科学院大学,2019.
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