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1、摘要空间光通信是近年国内外关注的技术。空间光通信需完成捕获、跟踪、瞄准后进行通信，当跟踪精度不能达到要求时，会使链路功率量增加，加大激光器功率的要求，或是使通信系统达不到预期的速率和误码率，甚至法实现通信，所以，空间通信中的搜索、捕获、跟踪(A P T)技术是空间光通信的核心技术。为验证A P T 系统的性能，通常空间光通信系统在地面系统集成后要进行跟踪精度和通信性能的检测。故空间光通信系统的跟踪精度的检测是十分必要的。本文介绍了光通信系统的构成及其工作，重点介绍了A P T 系统的构成及工作原理。根据空间光通信系统中A P T 的特点，比较分析了几种跟踪测试的方案，提出了一种空间光通信系统跟
2、踪精度测试试验方法，针对这种方法搭建了测试平台，进行了实验，并实现了光通信跟踪精度的测试。关键词：光通信A P T 跟踪精度测试2B S T R A C TF h es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ni sat e c h n o l o g yc o n c e m e da th o m ea I l da b r o a d 1 1 1 es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o nr e q u i r e st oc a p t u r e，t ot r a c k,a n
3、dt ot a r g e ta n dt h e nt h ec o m m u n i c a t i o n，w h e nt h et r a c k i n ga c c u r a c yC a nn o tm e e tt h er e q u i r e m e n t s i tw i l lt h eI n c r e a s et h el i n kp o w e rm a r g i n，t h er e q u i r e m e n t so ft h eo p t i c a lm a s e rp o w e r,o ri tw i l lb eu n a b
4、 l et oc o m eu pt ot h ee x p e c t a t i o n so ft h es p e e da n dt h ee r r o rr a t e e v e nm ec o m m u n i c a t i o nw i l ln o tb er e a l i z a b l e，t h e r e f o r e，t os e a r c h，t oc a p t u r e，a n dt o 仃a c k(A P T)2 I I et h ec o r eo p t i c a lt e c h n o l o g y T ov e r i f y
5、t h ep e r f o r m a n c eo ft h es y s t e mA P T,g e n e r a l l yi tw i l lb en e c e s s a r yt od e t e c tt h ea c c u r a c ya n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ec o m m u n i c a t i o na R e rt h ei n t e g r a t i o no ft h eg r o u n ds y s t e mo ft h es p a c eo p t i c a lc o m m u n
6、 i c a t i o ns y s t e m T h i sp a p e rd e s c r i b e st h ec o m p o s i t i o no ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e ma n di t s、v o r k i nw h i c ht h e r ei sam o r ed e t a i l e dd e s c r i p t i o no ft h ec o m p o s i t i o na n dw o r k i n gp r i n c i p l eo ft h
7、eA P Ts y s t e m A c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eA P To ft h eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s，t h el t u t h o rc o m p a r e da n da n a l y z e ds e v e r a lo p t i o n sf o rt r a c k i n ga c c u r a c yt e s t s，d e v e l o p e da ne x p e r i
8、 m e n m lm e t h o dt o t e s tt h ea c c u r a c yo ft r a c k i n go ft h es p a c eo p t i c a lc o m m u n i c a t i o n，a n da n g l e da tt h em e t h o dat e s tp l a t f o r i l lh a sb e e ne s t a b l i s h e d w i t hw h i c ht h ee x p e r i m e n tw a sa c c o m p l i s h e da n dt h e
9、o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nt r a c k i n ga c c u r a c yt e s t si sr e a li z e d K e yw o r d s：o p t i c a lc o m m u n i c a t i o nA P Tt r a c k i n ga c c u r a c yt e s t i n g目录摘要A B S T R A C T目录第一章引言11 1 目的及意义l1 2 光通信技术在国外的发展概况11 3 光通信地面检测技术在国内、外的发展概况51 4 论文主要研究内容1 0第二章光通信系统1
10、12。1 光通信系统的构造1 l2 2 光学系统1 12 3 光发射机1 32 4 光接收机1 42 5A P T 系统1 6第三章跟踪精度测试方法2 03 1 跟踪精度测试方法分析2 03 2 跟踪精度测试方法的选择2 5第四章跟踪精度测试系统搭建与测试数据处理方法2 74 1 测试原理2 74 2 搭载平台振动分析。2 74 3 测试设备3l4 4 测试流程。3 54 5 测试数据处理方法3 6总结3 8致谢3 9参考文献4 01 1 目的及意义第一章引言当今社会信息通讯发展迅猛，而传统的微波通信技术已不能再满足日益发展的需求，人们对其要求日趋快速。信息时代的发展需要建立空间覆盖率广、传输
11、快速、信息存储量大的通信系统。要想实现高码率通信，采用波长极短的光波进行空间卫星的通信是最佳方案，甚至可以说其是唯一的手段，特别是如今空间卫星日益拥挤的通信网络，各国通信领域的专家学者对这一手段己经达成了共识。与传统的微波通信相比，空间光通信的显著优点在于【l】：(1)同微波比天线设备体积、重量明显减小；(2)通信容量大，载波频率的增加增大了传输带宽，整个系统的通信容量也随之增加；(3)维护经费和建造经费显著降低，省去了铺设光纤的过程，整个空间光通信系统的造价和建设经费均相对较低；(4)功耗较低，激光的发散角很小，能量高度集中，落在接收机望远镜天线上的功率密度高，发射机的发射功率可大大降低，功
12、耗相对较低；(5)保密性和抗干扰性良好。对比以上五点可以看出，未来的空间通信将以光通信技术为主要手段。此外，空间光通信的优点使得它对光通信终端设计参数的要求十分苛刻。同时，作为有效载荷，一旦光通信终端搭载了平台(如卫星、飞机、舰船、等)，那么一些错误都将无法弥补。因为需要考虑到搭载平台后的应用，那么，光通信终端的验证和测试的意义与光通信终端研制本身相比同样必不可少，并且搭载平台之前对终端的测试和验证必须具有高度的可信性。1 2 光通信技术在国外的发展概况现如今空间光通信技术在国外有了十分广泛的研究，主要研究地区有美国、日本、欧洲等。美国对研究与应用时间比较久，早在7 0 年代初，美国的研究机构
13、主要有：喷气动力实验室(J P L)、国家航空、宇航局N A S A 和B a l lA e r o s p a c e 公司等，就对光通信技术投入了研究。J P L 取得了显著的成就，它将研究重点放在了行星距离范围的空地通信方面，可以支持几百kb p s 甚至几Mb p s 的数据传输。如图1 1 所示，光通信演示机O C D(O p t i c a lC o m m u n i c a t i o n sD e m o n s t r a t o r)，孔径为1 0 c m，其数据率可以达到2 5 0 Mb p s，在近地实验时可以达到1 0 G b p s。光通信演示机O C D 的特点
14、是基于O 8 6 9,m 技术，使用O O K 调制。在此之后，2 0 0 0 年中旬，美国成功地发射了配有一套先进的光通信技术试验装置的卫星空间技术研究卫星S T R V-2，如图1 2 所示。空间技术研究卫星S T R V-2 激光通信系统的传输距离可以达到18 0 0 k m，数据传输率达到1 0 Gb p s，质量为1 4 3 k g 2,3 1。图1 1N A S A J P L 的光通信演示系统示意图图I 2S T R V-2 通信终端O C D 以及主要元部件外形图作为最早进行光通信技术研究的几个国家之一的日本，同样有很宏大的光通信方案。主要研究组织和机构有N E C 公司以及政
15、府方面的N A S D A 与C R L 等，东芝公司也有部分有效载荷。邮电管理局(M i n i s t r yo f P o s t sa n dT e l e c o m m u n i c a t i o n)的通信研究实验室(C o m m u n i c a t i o nR e s e a r c hL a b o r a t o r y,C R L)由科学和技术署(S c i e n c ea n dT e c h n o l o g yA g e n c y)指定，作为光通信和传感的研究实验中心。如图1 3 所示，C R L的研究计划历时8 年，时间跨度很长。O 8I tm
16、波长以及1 5um 波长的激光是现阶段的主要研究对象，由于陆地光纤系统的发展，相对以往来的技术说该技术更容易获得，2因此针对多通道中等码率(3 0 0 Mb p s)和高码率(1 2 Gb p s)通信也可以实现了。由此推测十年以后，研究的通信系统计划可以达到1 0 Gb p s 的通道，特别的是，采用光链路技术，C R L 未来的空间链路(I S L si n t e r-s a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o nl i n k s)以及空地都将实训引。以及空地都将采用光链路来实现【4 1。-2 0 0 6上高码率处理系统i 2 0 1 0，：图1
17、3 日本C R T 的光通信系统研究计划1 9 9 4 1 9 9 6 年间，在E T S V I 有限的生存期间内，C R L 和N A S A 的J P L 进行了一些空地实验。在实验中使用了直接探测和强度调制等技术，建立了1 0 2 4 Mb p s 的双向链路，搭载平台上使用了直径为7 5 m m 的天线。东京的上行链路中采用了波长为0 5 1 9 m的氩激光器，天线孔径1 5 m；在下行链路中使用了波长为0 8 3 1,m，功率为1 3 8 m W 的A I G a A s 激光二极管。如图1 4 所示，星上光通信终端L C E(L a s e rC o m m u n i c a
18、t i o n sE x p e r i m e n t)最大功耗达到9 0 W，其重量为2 2 4 k g。2 0 0 0 年，日本还研制出了用于国际空间站I S S 一地的双向超高速光通信端机L C D E。使用1 5 5 1,m 的通信波长，功耗小于1 1 5W，重量小于9 0 k g，其码率达到上行1 2 Gb p s，下行2 5 Gb p s；图1 4 日本通信卫星E T S V I 上的L C E 光通信终端3在欧洲方面，英国、法国和德国都较早的展丌了光通信系统的研究。特别是欧洲的主要光通信研究机构E S A(E u r o p e a nS p a c e A g e n c y
19、)取得了不小的成就，并且英国，法国的公司如M a t r aM a r c o n iS p a c e 和O e r l i k o n C o n t r a v e s 等也为光通信的研究作出了贡献。作为光通信主要研究力量的欧洲航天局E S A 在2 0 0 0 年时，成功的将研制的卫星A R T E M I S 搭载日本H 2 火箭升空，这次成功将会在L E O 到G E O 数据中继起到很大的作用。其通信情况如图1 5 所示，有一个链路采用了光链路，并且将相同的I S L s 端机用于这个链路的两端，实现了与C a n a r y 岛的地面站进行光通信 5,6 1。r：0 l。；褫；
20、魏螂7 办!镳黪魄餮；?。?，。7。，+，。j，。，。，。一?2。：?。j。图1 5A R T E M I S 卫星的通信示意图如图1 6 所示，S I L E X 光端机采用的天线孑L 径为2 5 0 m m，通信最大距离为4 5，0 0 0 k m，它是由M a t r aM a r c o n iS p a c e 完成并集成到A R T E M I S 和S P O T-4 地球观测卫星上，它主要用于L E O 和G E O 的光通信，早在1 9 9 8 年，S P O T-4 卫星就已成功发射。弼鼢w i d 艟O 掰咖删嚣蝴嘲J 懒誓l dl t 翱阪g 翻i 磁铭掰蠡绷l一融糟E
21、 嘶嚣滞掌陬，陴撼嚣一童鬯S：露q 童鲋国蠡一毖妫矗鬣翻i 垅霪i l J u E l l tO m m c i(r i 商饼一2 5 缘羹弘嘲驰持 粥纭冶聋硷】冱o j 野嚣o-弱缒#i 凇t 脚渤矗翩t,ti 嬲瞬弼如1|1臻霄l 糍射凌锄一G 孙0 一己；l 树I 雠霸檬烈蹦瑙僦嚣擎0 E 确-妻酾蛹_ 弦翻f 孵l 谚哟锄钥9#糟爱第孝9 蝴貔、：镦l 嬲t 移0 tI 鞴翰镰*溺嘲b 龇一糍黻r n l i 箩鬟瓣秘l 攥图1 6S I L E X 光端机图片41 3 光通信地面检测技术在国内、外的发展概况J P L 丌发出了激光测试与评估平台I T E S(L a s e r c
22、o mT e s ta n dE v a l u a t i o nS t a t i o n)，如图1 7 和图1 8 所示。所测量的终端的光学口径较小，其跟瞄装置也比较简单，所以L T E S 平台结构同样较简单，属于实验室平台装置【7，引。图1 7L T E S 光学检验装置图1 8L T E S 的光路图如图1 9 所示，日本开发的本国的星问激光通信实验室验证系统(G O A L：G r o u n dO p t i c a lA s s i s t a n c ef o rL U C E)。G O A L 的视场相对有限，不适合用来测试捕获时间，需要使用目标终端模拟器r(T a r
23、g e tT e r m i n a lS i m u l a t o r)设备，该设备需要被放置在绝热的模拟空5间环境中【9 1。图1 9 日本L U C E 终端的6 m 空间仓内的G O A L 光学测试系统图1 1 0 日本自由空间激光传输模拟器(a)及其结构布置图(b)欧洲航天局E S AS I L E X 计划的地面光学终端测试包括系统总体性能的测试与评价、关键单元器件以及各功能子系统的性能测试与评价、系统动态跟踪瞄准性能的测试与评价等。采用半物理半计算机的模拟方法进行系统检验。S I L E X 计划包括两种用于空间激光通信终端的系统性测试平台，即地面支撑测试装置T T O G
24、S E(T e r m i n a lT e s tO p t i c a lG r o u n dS u p p o r tE q u i p m e n t)和系统测试平台S T B(S y s t e mT e s tB e d)t1 U J。其中，地面支撑测试装置T T o G S E，如图1 1 1 所示，是用来测试空间热环境模拟下的激光通信终端整机以及它的光学头的光学和静态瞄准性能。图1 1 2 是T T O G S E 的构造图，包括1 用作检验的光学发射系统，包括：准直光束、可运动平行光管；2 用作检验的光学接收系统，包括：平行光管、干涉仪、偏振仪、光谱仪、集成球面以及波前差6
25、和静态瞄准分析软件包。图1 11 欧空局S I L E X 终端检验平台构造图地面支撑测试装置T T O G S E 的性能技术指标如下：(1)光谱精度：O 0 5I I I T I；(2)测量范围：+5 0 0 0 9 r a d；(3)退偏振对比度精度：1 0 弓；(4)远场光斑测量：光度学精度：1 0(绝对)，5(相对)；瞄准误差测量精度：0 2 9 r a d(1 0 0 9 r a d 内)；(5)离焦精度：4-1 9 m(绝对)士0 5 9 m(相对)；(6)波前误差测量精度：v 3 0(绝对)，z 5 0(相对)。7图1 1 2T T O G S E 光学结构图光爪I U，数拊和
26、命令轨道舅：境接收测i l =系统燃谲：砹柏：图1 1 3 系统测试平台S T B 的组成图8如图1 1 3 所示，系统测试平台S T B 采用了实验平台组装方式进行终端的光学头的动力学性能检测，包括以下测试：1 系统测试与验证，包括光学连接可靠性测试、通信性能测试；2 A P T 系统测试与验证，即动态测量发射光束和接收光束之间对准误差，捕获概率测量，A P T 抑制曲线，如图1 1 4 所示。系统测试平台S T B 的技术指标如下：(1)作为检验用的发射器的性能：范围士1 2 0 a 出即外角4 p r a d)，频率在5 0 0H z 以上，精度士l O g r a d(H P#角0 3
27、 p,r a d)；(2)光度学测量：l O(绝对)，5(相对)；(3)测试速率：ll d-I z 以上；(4)作为检验用的接收机的性能：角测量精度：5 p r a d(最P P b 角O 1 5 p r a d)。溺没安捧真确终端_岍-。_ r畸-。r，翮溉法嚣l：绝望远镜模式邮艰韵影响理论燃位霞能簧终端，。l I雨凌栉丽镌度剽爷悲黝姚嚣额外扰动发时是激的搠危蹙溺蘸模拟终端传鹫8 流传输延巡翟麟蒯接收溺糕终端广1h 嬲鬃壤l1 一f J j 模拟嚣指曲葡”“1 1：,“：-A”r I 测精仅器I【一轨道运动翡影响系统测试甲台薜境界两冈1 8|!；!准I盲洲：寿陪”翮攫麓仿真计露绷珥境条件图1
28、 1 4 系统测试平台S T B 的光路结构图从检验平台的技术含量我们可以看出国外关于卫星激光通信技术的发展水平非常9高。我国在上世纪7 0 年代初也开始了空间光通信的研究，由于受到各种条件的限制对激光及半导体激光等方面的研究并没有全面展开，也没有具体的场合应用。直至9 0 年代初期，卫星光通信技术在我国才开始了以卫星通信为背景进行深入的研究，主要进行研究的单位有北京大学、长春理工大学、电子科技大学、哈尔滨工业大学等高校以及中国科学院【1 1,1 2 J。(1)1 9 9 3 年至1 9 9 8 年期间，北京大学针对新型原子滤波器开展了研究，新型原子滤波器是实现强背景干扰(强太阳光背景和水下散
29、射)情况下的光通信技术的关键。并且在之后的五年时间里，新型原子滤波器被北京大学应用到卫星光通信A P T 的研究中，进一步提出了利用原子滤波器的多峰特性来克服多普勒频移影响。从而大大增加了捕获的视场，为实现地面检测奠定了基础。(2)成都电子科技大学于1 9 7 5 年开始了以实现地。地之间大气传输光通信为应用背景的激光大气通信理论、技术与系统并跟踪国际技术的研究。在“九五”期间，成都电子科技大学在激光大气通信研究的基础上研究卫星光通信瞄准、捕获、跟踪技术，在地面检测系统的分析与实践等方面也取得了一定的成果。(3)哈尔滨工业大学在“八五”期间对卫星光通信技术进行了调研及跟踪。在“九五”期间，研制
30、出了两套卫星通信模拟试验终端，并初步对其进行了卫星光通信模拟试验，为地面检测技术奠定了坚实的基础，使我国的卫星光通信研究向着地面检测方向迈进了一大步。(4)中国科学院研究所在空间光通信关键技术如激光光源、A P T 技术和激光调制的研究上取得了骄人的成果。中科院光电技术研究所目前在复合轴跟踪技术中处于国内领先地位，该所设计研制的A P T 系统对空间飞行目标的跟踪精度已经达到了1 0 1 x r a d；该所设计的针对慢变化的点目标信号，A P T 实验系统的跟踪精度也已达到5 1,t r a d(R M S)。为我国进行空间光通信系统的设计和研究建立了强有力的实验依据。总的来说，我国的空间光
31、通信研究工作己经起步，并取得了一些成果。但是由于没有用于星上系统的搭建等原因，与该领域处于领先地位的欧美等发达国家相比，我国的研究差距还很大。1 4 论文主要研究内容本论文在大量查阅国内外文献资料的基础上，主要在以下方面做初步的研究：(1)介绍光通信技术以及光通信跟踪精度测试技术国内外发展概况；(2)介绍光通信系统的工作原理、系统结构、工作流程等；(3)对几种跟踪精度测试方案进行研究，针对光通信真实工作链路情况，设计适合的空间光通信系统跟踪精度测试方案；(4)根据测试方案搭载实验平台并进行初步的数据处理；1 02 1 光通信系统的构造第二章光通信系统弟一早兀趔1；糸现空间光通信系统主要是由光学
32、天线(透镜组和滤波片)、光发射机、光接收机和A P T 子系统以及大气信道几部分组成。其总体框图如图2 1 所示。锻z j 难吮黝赶终：-电路!l 口“f 弦翻瑟援第，鲫接收。发射；“l 簧薹F2 2 光学系统警母母母端：l 一母母-四图2 1 空间通信系统总体框图千骨篡莲空间光通信光学系统属于非成像光学系统，但和一般的非成像系统不同，对通信光学系统来说属于能量系统，对信标光学系统来说既是能量系统，又有信息的传递，只不过这个信息不是图像信息，是光束的位置信息。光学系统能共实现搜索、捕获、跟踪和提前对准以及通信的功能，而且要尽量减小光学系统的复杂程度实现体积小、重量轻，同时要考虑空间的环境适应性
33、。光学系统中每个内部元件都发挥着不可替代的作用，整个通信过程简单描述如下：将电信号输入发射器信号中包含所要传输的信息，发射器通过某种转换方式把电信号转换为光信号，转换方式可以分为内调制和外调制，调制后的光束，透过成像光学器件到达对准元件，光信号经过进一步处理后送到接收器件。光学系统包括光学天线和中级光学系统l l 引。2 2 1 光学天线(望远镜)光学天线主要部分是一个光学望远系统，它在空间光通信中扮演着重要角色，它对接收的光信号的精确程度决定着空间光通信中的捕获和跟踪精度。望远镜有以下两种作用：1 接收另一个终端过来的激光能量，将其耦合到光电探测器上。2 将发射光束进一步准直、扩束，同时将发
34、射系统的光斑尺寸扩大，并且可以将光束的发散角压缩。光学天线一般有两种形式，反射式和透射式。(1)反射式天线反射式天线在空间光通信中得到广泛采用，是由于其发射光束依靠对光波近全反射的抛物面，对光能的吸收很小。因而，这类天线按反射镜面的个数可分为单反射面天线和双反射面天线，其中双反射面天线较为常用，空间光通信中常用的C a s s e g r a i n天线就是双反射面天线。C a s s e g r a i n 天线的主要优点是重量轻，对材料要求不太高，不存在色差，光能损失较小；主要缺点是由于对收发光产生中心遮挡，所以难以满足大视场的要求。次镜主镜焦平面图2 2C a s s e g r a i
35、 n 系统(2)透射式天线透射式天线一般由一组透镜构成，它的优点是对光中心无遮挡，加工球面镜较容易。但由于其光能损失较大，对于多个工作波段的空间激光逋信系统来说，像差校正较为困难，所以在实际的空间光通信系统中使用较少【1 4 1。2 2 2 中继光学系统空间激光通信光端机要完成捕获、跟踪、瞄准及通信等功能，需要中继光学系统1 2将实现多个功能的子系统与发射光学天线紧凑、有效的连接在一起，它通常是由反射镜、光滤波器、光学透镜、分光片等光学元件组成，完成复杂的分光合束的作用。2 3 光发射机图2 3 空间激光通信中继光学系统示意图光发射机主要由调制驱动器、激光器等组成，其结构示意图如下图2 4 所
36、示。基带信口丐【驱动源信号光信号光-(有嘲制功能)激光器准直-台柬镜广+I信标光信标光j驱动源激光器准直2 3 1 调制器图2 4 光发射机结构图光发射机的调制器是将信号源的信息调制到光载频上可以采用调频(F M)、调幅(A M)、调相(A M)等方式。其中，调频(F M)调制方式在空间光通信组成系统中的灵敏度和复杂性等方面都不存在优势，所以目前不常采用此种调制方式。光源的调制通常采用强度调制韵方式进行，简单地说就是用待传输的信息去调制光载波的强度；而另一种光源的调制方法一极化调制法，则是对光场的空间特性进行调制。2 3 2 激光器光源在任何光通信系统中始终是空间光通信的关键技术之一，那是因为
37、由于受到了光传输介质及探测器的影响，激光波长的研究范围主要集中在8 0 0 n m、1 0 0 0 r i m 及1 5 5 0 r i m 三个波段，除第一代光通信激光器气体激光器以外，后来关于星上的激光器研究主要集中在与以上三种波长对应的半导体激光器、固体激光器和光纤激光器。今天光通信系统中所采用的光源有激光二极管(L D)、发光二极管(L E D)和激光器。在光发射端机内需同时使用两只激光器，一个作为信号光源(信号激光器)；另一个信标光源(信标激光器)。选择信标光、信标号光激光器的主要因素包括中心波长、输出功率、调制性能、温度稳定性、谱线宽度和准直性能等。较大差异的中心波长存在于信标光、
38、信号光激光器之间，这使得接收信标光和信号光时便于进行分离，同时还可以避免相互之间的信号干扰。2 4 光接收机在光通信系统中使用光接收机来恢复传输的信息、收集并处理入射的光。通常情况下光接收端机有以下几个组建构成：接光学系统、光探测器以及后续处理器。将焦平面上的光斑看成点光源的像，聚焦场内包含有与光接收端变化完全相同的时间变化包络，那么位于焦平面上的探测器只需要收集到艾里光斑(或光接收端在探测光敏面上形成总体合适设计要求的较小光斑)后续处理器就能够据此完成必要的信号处理、信号放大及过滤处理，进而得到我们所需要的信息。如图2 5 所示，将发射端传送的相关信息进行分析处理，接收透镜系统再将接收到的光
39、场进行聚焦和滤波。接收到的一一-光场2 4 1 光接收机的探测形式图2 5 光接收机光接收机有两种探测形式，外差接收机和直接探测接收机。其中直接探测接收机，其结构装置如图2 6 所示。当光场到达接收机时，光检测器和透镜组瞬时对光功率进行检测接收，这是最简单的接收机形式，只要信息表现为光功率的变化就可以进行接收。1 4直接探测接收机这种方法具有成本低、结构简单、易实现等优点。接收到的光场息图2 6 直接探测接收机装置外差接收机与直接探测接收机相对，被称为相干接收机。这种接收机具有抗干扰能力强，接收灵敏度高等优点，但是它的系统较为复杂，对元件性能要求也很高，特别是对波长的谱线宽度和稳定性。接收光学
40、接收到的光场-_-信息图2 7 外差检测接收机结构图在波长为8 0 0 n m 的通信波段，为了结合半导体激光器的特点，通常采用直接强度探测(D D)直接光强度调制(I M)的方式。现如今这一通信波段的调制速率单信道小于1 G b p s，。这一波段的系统不但结构简单，还具有另外一个优点，就是它采用了对光有内置放大作用的A P D 探测器。波长为1 5 5 0 n m 的通信波段，与陆地上光纤通信系统的特点有诸多相似，通常也采用幅度调制和解调的方式，但由于它采取的的幅度调制是基于相位的幅度调制外加功率放大的方法，而接收端通常采用的是光纤前置放大加强深度探测器的接收技术，早在前几年就有关于该波段
41、单信道调制速率达到4 0 G b p s的报道。2 4 2 探测器根据用于进行通信，用于进行激光束捕获，用于跟踪入射光束以便返回光束可以对准发射卫星等功能的不同，我们将探测器分为大三类。常用的通信探测器包括A P D、C C D、P I N 等。1 A P D 探测器具有良好的接收性能，高带宽，低噪声，在某些波长区域具有较好的量子效率；2 C C D 探测器属于信号阵列器件，用来进行空间捕获或跟踪比较好。但是由于其数据传输率较慢，读出速度也较低，C C D 的通信性能明显低于非阵列器件A P D 1 5】；3 P I N 探测器主要应用于相干探测系统的探测器，P I N 探测器在长波长波段会产
42、生较高的量子效率，但它同时也会带来较大的噪声负担。2 4 3 光学滤波器前面提到过的光学滤波器，光场通过光接收机聚焦到光探测器上，同时产生过滤掉某些特定波长的光源，既是让某一频带的光波通过，而阻止其余频带的光波。光学滤波器的作用是对光源发出的光场进行接收时，尽可能地除去不需要的光，将系统的信噪比提高并且可以抑制背景光。它是由是一个放在光束通道上用来控制各种不同波长光透过率的材料或者元件构成的。干涉滤波器、吸收滤波器、双折射滤波器以及原子共振滤波器都是经常使用的光学滤波器。2 5A P T 系统空间光通信具有传输量大、光束窄、保密性强等特点，因此对相距较远的运动体上的较窄信号光束进行捕获、对准及
43、跟踪是较为困难的事情。空间光通信在大气传输过程中还存在着各种各样的损耗，这种损耗给光信号的接收造成很大的难度。J 下因如此，在较强的背景干和扰较远的距离以及大气信道影响的情况下，如何捕捉到目标、对准目标并实现微弧度量级的动态跟踪，是实现空间光通信待解决的重要问题 1 6,1 7】。2 5 1A P T 系统的组成空间光通信A P T 系统通常采用复合控制系统结构，按结构和实现功能来区分，有以下几个部分组成：粗跟踪系统、精跟踪系统、A P T 控制器、提前量对准机构等等，如下图2 8 所示：1 6-_-4 P卜-_ 一呻卜一图2 8 A P T 系统功能框图(1)粗跟踪系统粗跟踪机构的作用是用来
44、完成对目标信号的捕获和粗跟踪【I S,1 9 。它的特点是伺服控制执行机构精度的要求比精跟踪子机构低，但捕获范围较大。典型的粗跟踪单元由以下几部分组成：粗跟踪探测器，跟踪控制器，中继光学单元，常平架以及安装在上面的收发天线，伺服机构以及粗常平架角传感器。粗跟踪系统捕获目标信号的视场范围通常在士1 0 到士2 0 0 之间或更大的区域。在整个跟踪过程中粗跟踪的跟踪精度通常达到几十I t r a d，灵敏度约1 0p W，视场角为几m r a d。粗跟踪控制器的主要功用是控制伺服机构以达成指令的要求。粗跟踪机构在信号捕获阶段，工作方式为光路开环方式，通过它的角传感器闭环【2 0 彩1。精跟踪控制器
45、的控制过程为：首先接收到一个命令信号，然后使用光学天线在对方通信终端的不确定区上进行定位，发射机发射信标光进行扫描同时将来自对方通信终端的信标光进行捕获。(2)精跟踪系统精跟踪机构的目的在于捕获(即粗跟踪)到目标后对其进行精确瞄准并且实时跟踪阱，2 5 1。精跟踪系统为了能够满足跟踪精度的要求，首先利用光电探测器来提取激光光斑所在的位置信号，将这个位置信号经过处理后得到光通信双方视轴的俯仰和方位偏差角等信息，然后通过使用控制器相应控制算法来控制执行装置。依据上述的原理，精跟踪系统由一个跟踪传感器，一个两轴快速反射镜，位置传感器以及一套执行机构(压电陶瓷或音圈电机)构成。在闭环方式下，精跟踪系统
46、的工作方式是：将误差信号由精跟踪探测器得到的，用于控制跟踪入射信标光和快速反射镜，精跟踪环就这样构成了。整个光通信系统的跟踪精度取决于精跟踪环的跟踪精度，这对带宽有了更高的要求，通常为几百赫兹甚至要上千赫兹 2 6-2 9】。因为其抑制干扰能力取决于带宽：宽带宽1 7可以得到较强的抑制干扰的能力，同时系统的反应速度也更快，也就意味着跟踪精度的提高。因此，整个空间光通信A T P 系统的关键所在就是设计一个高精度高带宽的精跟踪环。(3)A P T 控制器A P T 控制器主要由A P T 伺服控制系统、精跟踪控制器和粗跟踪控制器几部分组成。A P T 伺服控制系统通常包括光电探测子系统、跟踪机架
47、子系统、信号处理及控制子系统等三大主要机构。(4)提前量对准机构通常来说，提前量对准机构包括提前量对准探测器和快速倾斜镜(F S M)其执行机构两个部分。通信光出射先要经过提前量对准机构，当提前量对准机构没有偏转信号时，通信光就实现了入射光线和出射光线的共轴。A P T 处理器要令出射光精确瞄准对方就需要完成以下过程：首先要确定初始超前角的大小，根据星历表信息以及光学设计等方面的要求得到角度，再利用提前量对准探测器来控制快速倾斜镜(F S M)的动作，最后使得相对于接收光的出射光偏转到指定的角度上。决定通信光能否被接收到的因素有很多，包括以下几种重要参数：搭载平台轨道计算的超前角精度、超前角瞄
48、准机构的控制精度、主动方和被动方的天线指向精度还有通信光的光强以及发散角等参数，以上这些因素是空间光通信能否成功的关键所在 3 0,3 1】。2 5 2A P T 系统的工作过程空间光通信A P T 系统工作流程如图2 9 所示：图2 9A P T 系统工作流程图1 8光通信系统想要通信首先需要经过扫描、捕获阶段。用于接收对方发来的信标光的接收端，其信标光的发射角和接收视场需都小于不确定区域，因此不确定区域需要扫描。扫描方式有以下几种：光栅扫描、螺旋扫描、螺旋光栅复合等方式，螺旋光栅复合扫描具有这样的特点从高概率向低概率扫描，螺旋光栅复合扫描相对于螺旋扫描方式更加容易实现，并且这个特点可以减小
49、平均捕获时间。接收端的信标光发射系统在信标光进入到了探测器装置的视场时就会马上被启动，由接收端所发出的信标光也可以成像在对方的探测器装置上。于此同时通过调整粗跟踪系统会使得两个通信终端成像的光斑逐渐靠近不确定区域中央，这个过程就是通信双方的视轴粗对准过程，也就是我们所说的粗跟踪。一旦光斑进入到精跟踪视场以后，两个光束的精确对准就由精跟踪激光信标光束和探测器装置来实现。如果同时使用快扫振镜，将会大大增加控制系统的带宽，从而使各种高频振动和低频扰动得到有效抑制，并且获得很小的振动残差。精确对准过程一旦完成，则可立即启动通信过程。一般情况，如果通信激光的发射角大于精跟踪控制误差8 倍以上，那么系统就
50、能够保证通信过程顺利。1 9第三章跟踪精度测试方法3 1 跟踪精度测试方法分析在空间激光通信中，只有保证光束稳定在探测视场内才能正常通信，因此对A P T系统的工作性能要求很高【3 2】。同时也决定了对A P T 系统检测的核心为模拟光束的偏摆以及高精度的记录脱靶量。目前检测跟踪精度的方法很多，有的利用A P T 自身探测器作为记录手段，有的采用辅助光端机在发射模拟光束的同时能够记录脱靶量。根据通行的检测精度，测量数据的采样频率应高于待测器件的频率，而前一种方法利用自身探测器记录自身的跟踪精度，无法满足这一条件，数据说服力弱。因此本文讨论的跟踪精度检测重点分析采用辅助终端记录脱靶量的方法。几种