魯 倩，任 斌，邊晶瑩

四象限探測器的信號光捕獲與跟蹤技術(shù)研究

魯 倩，任 斌*，邊晶瑩

西安空間無線電技術(shù)研究所，陜西 西安 710000

針對空間激光通信系統(tǒng)小型化設(shè)計的需求，提出了使用四象限探測器實(shí)現(xiàn)捕獲與跟蹤的方案。通過分析四象限探測器上光斑的位置分布，推導(dǎo)了三種光斑分布的4QD捕獲牽引模型，通過對4QD光斑位置的解算以及與跟蹤機(jī)構(gòu)的精準(zhǔn)標(biāo)定，實(shí)現(xiàn)了4QD的高精度跟蹤。在實(shí)驗室基于一臺激光終端與系統(tǒng)測試平臺，對四象限探測器的捕獲與跟蹤方案及性能進(jìn)行了實(shí)驗驗證，測試結(jié)果表明，在實(shí)驗室動態(tài)條件下，用4QD作為捕獲及跟蹤探測器，捕獲概率高達(dá)100%，跟蹤精度優(yōu)于3 μrad，驗證了該方案的可行性，為激光終端小型化設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。

激光通信；四象限探測器；捕獲與跟蹤復(fù)用

1 引 言

相比于微波射頻通信技術(shù)，衛(wèi)星激光通信技術(shù)以其通信傳輸速率高、信息保密性好、體積小、重量輕、功耗低、無需頻率使用許可、抗干擾性強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，使其具有廣泛的應(yīng)用前景，目前各國新一代衛(wèi)星通信技術(shù)已經(jīng)將研究重點(diǎn)轉(zhuǎn)移至小型化、系列化方向[1]，不斷朝著衛(wèi)星激光通信技術(shù)實(shí)用方向前進(jìn)。

空間激光通信系統(tǒng)在建立通信鏈路前，需要完成對目標(biāo)的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(acquisition pointing tracking，APT)任務(wù)[2]。在激光通信中，通常選用電荷耦合器件(CCD)或四象限探測器件(four-quadrant detector，4QD)作為捕獲、跟蹤探測器來確定光斑質(zhì)心，將脫靶量送給伺服系統(tǒng)完成捕獲、跟蹤任務(wù)[3]。目前，激光通信系統(tǒng)大都選擇800 nm和1550 nm波段。與800 nm波段激光相比較，1550 nm激光具有對人體安全和大氣環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)[4]；但是對于1550 nm波段激光，CCD探測器響應(yīng)靈敏度低，難以滿足使用要求，4QD則是理想的選擇[5-6]。近幾年，出現(xiàn)了很多4QD在激光通信領(lǐng)域方面的研究，例如長春工業(yè)大學(xué)的佟首峰老師研究了基于四象限探測器的跟蹤與通信技術(shù)[7]；中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所馬曉燠老師分析了在有噪聲和死區(qū)的條件下的四象限探測器的光斑能量探測率、質(zhì)心探測誤差和光斑位移靈敏度[8]。目前對于4QD的應(yīng)用多數(shù)僅限于桌面系統(tǒng)，沒有進(jìn)行動態(tài)試驗驗證，將4QD同時應(yīng)用于捕獲及跟蹤的研究未有報道，使用4QD作為捕獲、跟蹤探測器的系統(tǒng)不需要額外增加大功率信標(biāo)激光器、信標(biāo)發(fā)射支路以及信標(biāo)光接收探測器，可最大限度地降低系統(tǒng)的復(fù)雜度、功耗及體積，有助于激光載荷實(shí)現(xiàn)輕量化與小型化[9]。

本文針對空間激光通信系統(tǒng)小型化設(shè)計的需求，以及1550 nm信號光捕獲、跟蹤的要求，提出應(yīng)用4QD探測器實(shí)現(xiàn)信號光捕獲與跟蹤技術(shù)，這不僅能提高光能利用率，還能有效降低傳統(tǒng)激光通信終端的系統(tǒng)復(fù)雜度、體積及功耗。

2 四象限探測器的捕獲、跟蹤復(fù)用原理

4QD捕獲與跟蹤復(fù)用系統(tǒng)由激光調(diào)制發(fā)射平臺、捕跟探測器、精指向機(jī)構(gòu)、粗指向機(jī)構(gòu)、捕跟控制單元等部分構(gòu)成，如圖1所示。激光器經(jīng)信號發(fā)生器調(diào)制后產(chǎn)生強(qiáng)度調(diào)制信號光，經(jīng)光纖耦合至光纖準(zhǔn)直鏡發(fā)出，經(jīng)接收終端光學(xué)組件折轉(zhuǎn)后，使信號光照射在精指向機(jī)構(gòu)反射鏡上，激光光束經(jīng)45°反射后被光學(xué)天線接收，經(jīng)透鏡會聚在捕跟探測器4QD的光敏面上。QD根據(jù)各象限接收到的光能量產(chǎn)生相應(yīng)的光電流，該電流信號在后級信號放大處理電路作用下輸出電壓信號。為了實(shí)現(xiàn)捕獲與跟蹤的復(fù)用，需要實(shí)時解算出光斑位置信息，與粗指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，用以實(shí)現(xiàn)粗指向機(jī)構(gòu)對信號光的捕獲。當(dāng)粗指向機(jī)構(gòu)完成捕獲后，需要實(shí)時解算光斑與目標(biāo)位置的偏移量，驅(qū)動精跟蹤機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)跟蹤控制，完成對光斑的實(shí)時跟蹤。

3 四象限探測器捕獲、跟蹤策略設(shè)計

3.1 四象限探測器捕獲策略

相比于跟蹤，捕獲過程更注重快速完成視場牽引，對于探測角分辨率沒有那么嚴(yán)苛的要求。另外，由于光學(xué)設(shè)計上捕獲要有足夠大的視場，一般設(shè)計在2 mrad~5 mrad，此時焦距很短，光斑小到接近4QD溝道死區(qū)的量級，溝道損失高達(dá)7 dB~8 dB，甚至更高，導(dǎo)致光斑容易落入溝道。4QD作為捕獲探測器時，一般光學(xué)系統(tǒng)會通過離焦的方式使得光斑變大，用以減小溝道損失(<1 dB)；當(dāng)然，光斑大小也不能太大，這樣會使得4QD的探測角度分辨率降低，變得“反應(yīng)遲鈍”。

捕獲的難度在于光斑的位置解算，只有在4QD中心區(qū)域(幾百mrad)內(nèi)，光斑才能分布在四個象限上，才能解算出光斑的有效位置，在其他高達(dá)90%的區(qū)域均無法解算出有效位置，光斑在QD上的位置分布有如圖2所示三類。

其中：A、B、C、D分別為光斑在四象限探測器A、B、C、D上各象限所占的面積。

捕獲過程本質(zhì)是快速實(shí)現(xiàn)視場牽引，將光斑快速送入跟蹤視場建立穩(wěn)定跟蹤鏈路。所以，無論能否解算到有效位置信號，只要捕獲探測器上探測到有效光信號就必須快速捕獲，將光斑拉至中心區(qū)域，過渡到跟蹤視場。根據(jù)以上分析，在第一種工況下解算出光斑有效位置，進(jìn)行探測器和機(jī)構(gòu)的關(guān)系標(biāo)定和系統(tǒng)模值的標(biāo)定，使得執(zhí)行機(jī)構(gòu)偏轉(zhuǎn)方向和幅度比例均映射與探測器一致。

顯然沿著這些特定方向快速收斂能夠快速達(dá)到指定區(qū)域(圖3彩色區(qū)域)，收斂方式有三種。

在有效位置解算區(qū)域以外，除了根據(jù)光斑所在的象限和“纏繞”溝道的信息來判斷并調(diào)整收斂方向，還必須設(shè)定適當(dāng)?shù)哪Ａ?，設(shè)單位模量用表示，執(zhí)行模量倍率用表示，則總模量a=′。為保證光斑能100%收斂調(diào)整，單位模量需要小于中間區(qū)域所對應(yīng)的角度，執(zhí)行模量倍率太大可能導(dǎo)致發(fā)散，太小可能導(dǎo)致收斂時間增加，需要實(shí)際實(shí)驗過程中調(diào)試給出。

圖2 光斑在4QD上的位置分布

圖3 光斑在4QD上的收斂方式

完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)(以下簡稱FPA)與探測器的映射后，兩者的關(guān)系可由以下數(shù)學(xué)解析給出：

或

或

或

或

或

根據(jù)上述可知，解算結(jié)果絕對值為1，對應(yīng)著多個光斑位置，為無效解。但實(shí)際中，考慮真實(shí)的位置分布，能夠解算出1也分兩種情況；第一種即是能夠解算有效位置的中心區(qū)域邊界，是一個臨界區(qū)域；第二種則代表臨界區(qū)以外的大片區(qū)域。前者可以稱之為“真1”，后者可以稱之為“假1”，在以上的解析中將變量賦值為1或者-1，就是指“真1”，以此直接生成帶有方向的單位模量。

3.2 四象限探測器跟蹤控制設(shè)計

四象限探測器對光斑的跟蹤是通過檢測光斑在光敏面上的能量變化實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)激光束成像于探測器的光敏面上時，形成一個光斑，光斑在探測器的4個象限中的面積分別為A、B、C、D，各象限光斑在探測器表面分別產(chǎn)生的光生電流為A、B、C、D。如果光斑的能量服從均勻分布，則各象限上的光功率與其象限上的分布面積成正比，因此可以根據(jù)電流的大小計算出光斑在坐標(biāo)系中的位置。假設(shè)光斑的中心相對于探測器中心產(chǎn)生偏移時，偏移量分別為D，D，當(dāng)激光光斑中心與探測器中心重合時，即D=D=0，這時四象限中的光斑面積相同，即A=B=C=D，所對應(yīng)各象限產(chǎn)生的光生電流相等，即A=B=C=D。當(dāng)激光光斑中心與探測器中心有偏移量時，光斑的偏移將改變光斑在四個象限上的投影面積，光斑的偏移量D、D與光斑在4個象限上的投影面積差成正比，即與探測器各象限的輸出電流差成正比[10]。

式中為各象限上的面積，為各象限上產(chǎn)生的光生電流。為一個可調(diào)節(jié)系數(shù)，用于將式(12)、式(13)結(jié)果轉(zhuǎn)換成光斑距離中心的偏移距離。當(dāng)光束的入射角與軸成一定角度時，光束經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)后，聚焦點(diǎn)相對于原點(diǎn)0產(chǎn)生偏移量D，D。將光斑在QD上的位置分布與精指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行坐標(biāo)標(biāo)定，通過光斑在QD上的位置偏移量驅(qū)動精指向機(jī)構(gòu)進(jìn)行方位與俯仰方向的快速偏轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對光斑的跟蹤。

4 模擬實(shí)驗

基于一套激光載荷與系統(tǒng)測試平臺，進(jìn)行了基于4QD捕獲、跟蹤的模擬實(shí)驗。該系統(tǒng)測試平臺可發(fā)射1550 nm、1 M強(qiáng)度調(diào)制信號光，經(jīng)過若干光學(xué)反射鏡搭建的光學(xué)系統(tǒng)，將平行光發(fā)射至激光載荷。實(shí)驗用激光載荷為一臺捕跟探測器為4QD的激光終端，可接收1550 nm、1 M強(qiáng)度調(diào)制信號光。探測器視場為2 mrad，粗指向機(jī)構(gòu)為潛望式結(jié)構(gòu)，指向精度優(yōu)于30mrad，精跟蹤機(jī)構(gòu)為壓電陶瓷二維偏轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，偏轉(zhuǎn)范圍為4 mrad，定位精度優(yōu)于3mrad。

實(shí)驗過程中激光終端放置在二維轉(zhuǎn)臺上，分別按照不確定區(qū)域為1 mrad上、下、左、右拉偏至平臺平行光管，開啟平臺振動模擬器，振動幅度設(shè)置為10mrad@100 Hz，進(jìn)行10次實(shí)驗，每次實(shí)驗以系統(tǒng)測試平臺監(jiān)測相機(jī)看到激光終端發(fā)出的信號光到達(dá)實(shí)驗前標(biāo)定的同軸點(diǎn)位置作為實(shí)驗成功標(biāo)志。成功跟蹤后，開啟二維轉(zhuǎn)臺，模擬軌道運(yùn)動，軌道速度設(shè)置為0.3 °/s，此次實(shí)驗捕獲成功概率100%。通過系統(tǒng)測試平臺跟蹤監(jiān)測子系統(tǒng)統(tǒng)計得到的跟蹤精度如圖4所示，圖5為跟蹤過程中示波器監(jiān)測到4QD各象限電壓信號。

圖4 跟蹤精度

圖5 4QD跟蹤過程中各象限電壓信號

由圖4可看出，本次試驗使用4QD作為跟蹤探測器，在跟蹤監(jiān)測系統(tǒng)上監(jiān)測到的和方向跟蹤精度均優(yōu)于3mrad。由圖5可看出，跟蹤過程中示波器監(jiān)測到的4QD探測器各象限的電壓值相等，即光斑位于4QD中心，為本次試驗的跟蹤目標(biāo)位置，且跟蹤穩(wěn)定。

5 結(jié) 論

針對空間激光通信系統(tǒng)輕小型化和低功耗要求，本文提出了采用4QD探測器實(shí)現(xiàn)捕獲與跟蹤復(fù)合探測的方案。對系統(tǒng)的設(shè)計方案進(jìn)行了詳細(xì)分析，設(shè)計了試驗方案并進(jìn)行了試驗驗證。測試結(jié)果表明，在實(shí)驗室動態(tài)條件下，用4QD作為捕獲探測器，捕獲概率高達(dá)100%，跟蹤精度優(yōu)于3mrad，驗證了該方案的可行性。

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Research on acquisition and tracking technology for the four-quadrant detector

Lu Qian, Ren Bin*, Bian Jingying

Xi￠an Institute of Space Radio Technology, Xi￠an, Shaanxi 710000, China

Convergence mode of light spots on the four-quadrant detector

Overview:Before establishing the communication link, acquisition, pointing and tracking (APT) is needed to complete in the space laser communication system. Charge coupled device (CCD) or four-quadrant detector (4QD) are usually selected as capture and tracking detectors to determine the spot center, and miss distance is sent to the servo system to complete the capture and tracking tasks. At present, most laser communication systems choose 800 nm and 1550 nm. Compared with the 800 nm, 1550 nm laser has the advantages of having little impact on human safety and atmospheric environment. However, CCD detector has low response sensitivity and cannot meet the requirements for the 1550 nm, so 4QD is the ideal choice. In recent years, there have been many researches on 4QD in the field of laser communication. For 4QD applications mostly limited to the desktop system, not to dynamic test, 4QD is applied to capture and tracking studies did not report. Using 4QD as capture and tracking detector, laser communication system does not need to be high power beacon laser, the beacon transmitting branch and beacon capture detector. It can reduce the complexity of the system, power and volume.

Aiming at the space laser communication system requirement of miniaturization, this paper proposes a scheme of using the four-quadrant detector to complete the acquisition and tracking. By analyzing the position distribution of the spots on the 4QD, the acquisition models are derived for the three kinds of spots distribution. Through the calculation of the position of the spots and the accurate calibration of the tracking mechanism, the high precision tracking is realized. Then besed on the laserteco and system test platform the capture and tracking scheme and detection performance of the 4QD are experimentally verified. The laser terminal used in the experiment is a laser terminal with a tracking detector of 4QD, which can receive 1550 nm and 1 M intensity modulation signal light. The detector's field of view is 2 mrad, the coarse pointing mechanism is a latent looking structure, and the pointing accuracy is better than 30mrad. The fine tracking mechanism is a two-dimensional deflection mechanism of piezoelectric ceramics. Its deflection range is 4mrad and positioning accuracy is better than 3mrad. The test results show that under the laboratory dynamic conditions, using 4QD as the capture and tracking detector, the capture probability is up to 100%, and tracking accuracy is better than 3mrad, which verifies the feasibility of the scheme and lays a foundation for the miniaturization design of the laser terminal.

Citation: Lu Q, Ren B, Bian J YResearch on acquisition and tracking technology for the four-quadrant detector[J]., 2020, 47(3): 190559

Research on acquisition and tracking technology for the four-quadrant detector

Lu Qian, Ren Bin*, Bian Jingying

Xi￠an Institute of Space Radio Technology, Xi￠an, Shaanxi 710000, China

Aiming at the space laser communication system requirement of miniaturization, this paper proposes a scheme of using the four-quadrant detector to complete the acquisition and tracking. By analyzing the position distribution of the spots on the four-quadrant detector (4QD), the acquisition models are derived for the three kinds of spots distribution. Through the calculation of the position of the spots and the accurate calibration of the tracking mechanism, the high precision tracking is realized. Then besed on the laserteco and system test platform the capture and tracking scheme and detection performance of the 4QD are experimentally verified. The test results show that under the laboratory dynamic conditions, using 4QD as the capture and tracking detector, the capture probability is up to 100%, and tracking accuracy is better than 3 μrad, which verifies the feasibility of the scheme and lays a foundation for the miniaturization design of the laser terminal.

optical communication; four-quadrant detector; acquisition and tracking multiplexing

TB872；TN929.1

A

10.12086/oee.2020.190559

: Lu Q, Ren B, Bian J Y. Research on acquisition and tracking technology for the four-quadrant detector[J]., 2020,47(3): 190559

2019-09-20；

2019-12-16作者簡介：魯倩(1986-)，女，碩士研究生，工程師，主要從事激光通信捕獲與跟蹤技術(shù)的研究。E-mail：qlu1986@126.com

任斌(1986-)，男，碩士，高級工程師，激光通信捕獲與跟蹤技術(shù)的研究。E-mail：renbin.0934@163.com

魯倩，任斌，邊晶瑩. 四象限探測器的信號光捕獲與跟蹤技術(shù)研究[J]. 光電工程，2020，47(3): 190559

* E-mail: renbin.0934@163.com