王 偉,劉云清,董 巖,趙 馨

(1.長春理工大學電子信息工程學院,吉林 長春130022;2.長春理工大學研究生學院,吉林 長春130022)

1 引 言

空間激光通信與傳統(tǒng)通信技術(shù)相比,具有高保密性、通信速率高、抗干擾等諸多特點,已經(jīng)成為現(xiàn)代科技發(fā)展的主流通信方案。由于激光通信通常應(yīng)用于遠距離傳輸通信,因此要求目標光束的精確對準,而光束是呈高斯分布,即隨著距離的增加,光束范圍越大,故激光通信精確度應(yīng)小于束散角的1/5-1/6,相應(yīng)的跟蹤精度一般要求達到微弧度量級。一般的單軸跟蹤系統(tǒng)由于具有大慣量和諧振頻率的限制,不能滿足實際的跟蹤需求,于是衍生出復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)[1-3]。復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)最早見于1966年Thomas W.發(fā)表的文章[4],作者在數(shù)字激光測距跟蹤裝置中首次采用了復(fù)合軸伺服機構(gòu),使用主機架作為它的粗跟蹤,使用快速反射鏡作為精跟蹤,實時對粗跟蹤進行修正補償,實現(xiàn)了更高精度的跟蹤。歐空局(ESA)SILEX計劃采用的復(fù)合軸系統(tǒng)于2001年11月成功實現(xiàn)了星間激光通信,該系統(tǒng)驗證了復(fù)合軸系統(tǒng)應(yīng)用于激光通信的可行性,具有里程碑的意義[5]。傳統(tǒng)的復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)為雙探測器跟蹤系統(tǒng),雖然可實現(xiàn)高精度的跟蹤,并且技術(shù)成熟,但是其光路設(shè)計難度大、體積大等缺點也成為了限制其發(fā)展的主要因素。系統(tǒng)的輕小型化成為主流發(fā)展趨勢和研究重點[6]。單探測器型復(fù)合軸系統(tǒng)采用一個探測器,其激光通信結(jié)構(gòu)方面減少了一路光學系統(tǒng),有效地實現(xiàn)了輕小型化,同時帶來的是單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)耦合性大的問題。單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)以美國的OCD系統(tǒng)最為成功,該系統(tǒng)采用探測器二開窗結(jié)構(gòu),突出了輕小型化。

結(jié)合空間激光通信的特點和復(fù)合軸跟蹤的關(guān)鍵技術(shù),對單探測器復(fù)合軸粗、精跟蹤系統(tǒng)做進一步討論,給出粗、精跟蹤伺服系統(tǒng)設(shè)計方案,并在室內(nèi)搭建實驗平臺,對系統(tǒng)的跟蹤精度指標與通信性能進行測試,實現(xiàn)跟蹤精度優(yōu)于1個像素。滿足應(yīng)用需求,擴寬了空間激光通信復(fù)合軸的應(yīng)用前景。

2 單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)原理

單探測器復(fù)合軸伺服系統(tǒng)主要由目標的捕獲、粗跟蹤、精跟蹤三個部分構(gòu)成。其系統(tǒng)基本組成原理如圖1所示。系統(tǒng)采用唯一探測器進行目標的捕獲以及對粗、精跟蹤系統(tǒng)進行控制,實現(xiàn)單探測器系統(tǒng)的輕小型化,但粗精耦合性強,不易控制,易導(dǎo)致目標脫離粗跟蹤跟蹤范圍,進而導(dǎo)致跟蹤失敗。針對復(fù)合軸組成特點,采用粗跟蹤配合補償精跟蹤偏轉(zhuǎn)量的方法可有效實現(xiàn)粗精解耦合。首先對目標的初始掃描捕獲階段,CCD跟蹤相機與粗跟蹤系統(tǒng)形成閉環(huán),這個階段,相機工作在大視場,低幀頻狀態(tài),脫靶量信息提供給粗跟蹤,實現(xiàn)對目標的快速捕獲。隨后捕捉到目標后進行粗跟蹤,當目標穩(wěn)定在精跟蹤視場內(nèi),啟動精跟蹤,此時CCD跟蹤相機與精跟蹤系統(tǒng)形成閉環(huán),脫靶量信息將只提供給精跟蹤,而粗跟蹤脫靶量信息由精跟蹤的快反鏡角度傳感器給出。這個階段,相機工作在小視場,高幀頻狀態(tài),可實現(xiàn)對目標的精確跟蹤。通過上述過程可以保證粗精復(fù)合軸系統(tǒng)穩(wěn)定工作。

圖1 單探測器APT系統(tǒng)基本組成原理圖Fig.1 Basic configuration diagram of single detector APT system

3 單探測器復(fù)合軸伺服系統(tǒng)設(shè)計

3.1 單探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

根據(jù)復(fù)合軸組成原理,設(shè)計單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。探測器D1,提取目標位置信息θi,并將目標脫靶量傳遞給精跟蹤系統(tǒng),經(jīng)解算得出控制單元補償函數(shù)Cf(s),進一步通過精跟蹤伺服單元Af(s)進行跟蹤補償；解耦回路D2采集精跟蹤系統(tǒng)的偏轉(zhuǎn)量,給出粗跟蹤控制單元補償函數(shù)Ce(s),通過粗跟蹤伺服單元Ae(s)進行補償,最后將粗、精跟蹤補償信息反饋,形成閉環(huán)。

圖2 單探測器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Single detector system block diagram

令Ge=Ae×Ce,Gf=D1×Cf×Af,整個系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如式(1),整個單探測器系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)有效地實現(xiàn)了解耦。

(1)

2.2 單探測器系統(tǒng)建模

整個單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)正常工作過程中,粗跟蹤的伺服系統(tǒng)將停止對光斑脫靶量的采集,其脫靶量信息由精跟蹤的快反鏡角度傳感器給出,再由執(zhí)行器(伺服電機)進行跟蹤,完成對精跟蹤的補償。整個粗跟蹤系統(tǒng)校正后的模型函數(shù)為式(2)所示。

(2)

精跟蹤系統(tǒng)的脫靶量信息由高幀頻CCD跟蹤相機提供,伺服執(zhí)行器采用小慣量、高帶寬、高精度的快速反射鏡,振鏡可實現(xiàn)高達2 k帶寬,可實現(xiàn)對目標的快速跟蹤。整個精跟蹤校正后的模型函數(shù)為式(3)所示。

(3)

4 實驗測試及結(jié)果

搭建實驗系統(tǒng)完成單探測器復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)性能測試,實驗驗證結(jié)構(gòu)圖如圖3所示,光源采用光纖激光器,可通過外部輸入對其光強度進行調(diào)制,在激光鏈路中我們采用六自由度轉(zhuǎn)臺給整個系統(tǒng)添加一個擾動,用此模擬目標運動軌跡。光信號進入平行光管,進行光路的調(diào)整,調(diào)整后的光路進入潛望周掃架構(gòu),經(jīng)CCD相機,可解算出運動目標的脫靶量信息,并將此信息提供給精跟蹤系統(tǒng),由精跟蹤控制系統(tǒng)控制精跟蹤執(zhí)行器進行目標位置的追蹤,隨后角度偏轉(zhuǎn)傳感器將提取精跟蹤的位置偏轉(zhuǎn)角度,并將此角度信息傳遞給粗跟蹤控制系統(tǒng),控制粗跟蹤對精跟蹤偏轉(zhuǎn)的角度進行補償,并將最終的補償結(jié)果反饋給主系統(tǒng),即形成CCD相機、精跟蹤、粗跟蹤的閉環(huán)控制。整個跟蹤過程,可通過圖像顯示單元觀察到光斑的位置,以及是否進行了有效的跟蹤。

圖3 實驗驗證結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Experimental verification structure

探測相機選用CCD 相機,設(shè)置積分時間 10 ms,當其工作在大窗口模式時,分辨率為1240×1240 像素,當其工作在小窗口模式時,分辨率為80×80 像素。測試中給定擾動模擬源,幅值±0.25°、頻率0.1 Hz。光斑實際擾動軌跡如圖4所示。

當系統(tǒng)進行跟蹤,即粗精復(fù)合狀態(tài)時,精跟蹤跟蹤目標,粗跟蹤對精跟蹤偏轉(zhuǎn)位置進行補償,系統(tǒng)各部分運動軌跡如圖5所示。圖5為粗跟蹤運行軌跡圖,由設(shè)計原理知其反映精跟蹤的偏轉(zhuǎn)位置,故應(yīng)與擾動軌跡相同。對比可知粗跟蹤運動軌跡與實際轉(zhuǎn)臺的運動曲線相符,因此實現(xiàn)系統(tǒng)功能。

圖5 粗跟蹤運行軌跡圖Fig.5 Rough tracking trajectory map

圖6為精跟蹤運行軌跡圖,此圖反映的是系統(tǒng)粗跟蹤誤差,跟蹤精度為±500 μrad之內(nèi)。圖7為跟蹤圖像軌跡圖,反映的是系統(tǒng)精跟蹤誤差。此時精跟蹤反應(yīng)該系統(tǒng)的總體誤差；可看到系統(tǒng)的精度誤差控制在1個像素之內(nèi),均方根RMS=0.13,本實驗采用的單像素點為22 μrad,故系統(tǒng)總體跟蹤精度為22×0.13=2.86 μrad。結(jié)合實驗條件知,滿足單探測器復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng)實際應(yīng)用需求。

圖6 精跟蹤運行軌跡圖Fig.6 Fine tracking trajectory map

圖7 跟蹤圖像軌跡圖Fig.7 Tracking image track map

5 結(jié) 論

空間激光通信是未來高速、大容量通信領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)也是發(fā)展趨勢[7]。近幾年來,在APT子系統(tǒng)上已取得了重大的突破。本文基于單探測器復(fù)合軸跟蹤系統(tǒng),采用CCD跟蹤相機與精跟蹤系統(tǒng)形成閉環(huán)的工作模式,實現(xiàn)目標跟蹤。精跟蹤脫靶量信息由CCD相機提供,粗跟蹤脫靶量信息由精跟蹤的快反鏡角度傳感器給出,實時補償精跟蹤的偏轉(zhuǎn)角度,保證目標穩(wěn)定在精跟蹤視場,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。解決了單探測器復(fù)合軸系統(tǒng)的耦合性問題。并在室內(nèi)搭建實驗系統(tǒng),對系統(tǒng)的跟蹤精度指標與通信性能進行測試,實現(xiàn)粗跟蹤伺服系統(tǒng)帶寬為10 Hz左右,精跟蹤伺服系統(tǒng)帶寬為300 Hz左右。實驗結(jié)果表明,在固定擾動幅值±0.25°、頻率0.1 Hz模式下,系統(tǒng)粗跟蹤誤差控制在±500 μrad之內(nèi),系統(tǒng)精跟蹤跟蹤精度優(yōu)于3 μrad。整個跟蹤系統(tǒng)穩(wěn)定,可以實現(xiàn)高穩(wěn)定、高精度的跟蹤,滿足其在空間激光通信系統(tǒng)中的應(yīng)用需求。這種設(shè)計為系統(tǒng)在空間光通信方面的研究奠定了基礎(chǔ)。