空间光通信中高精度对准信息获取方法研究

论文题目: 空间光通信中高精度对准信息获取方法研究

论文类型: 博士论文

论文专业: 光学

作者: 刘丹平

导师: 胡渝

关键词: 空间光通信,捕获,跟踪,瞄准,对准信息,光斑图像,定位,形心定位,双光斑定位,快速相关算法

文献来源: 电子科技大学

发表年度: 2005

论文摘要: 空间光通信是极具潜力的通信方式。但是可靠的通信要求较高的瞄准精度。由于空间环境的复杂，捕获、跟踪和对准(ATP)技术已成为实现空间光通信的关键和难题。因此研究高精度的ATP技术非常必要。在第一章介绍了空间光通信及其ATP基本概念，定义了对准信息(PI)概念，讨论了目前国外空间光通信系统中PI获取的三种典型方法，国内外空间光通信和PI获取方法研究动态。介绍了课题来源、研究目标和研究思路。在第二章分析了PI精度要求及其限制。利用瞄准误差模型，分析得出典型情况下星间光通信PI精度要求达到亚微弧度量级。利用位置传感的光电信号模型，分析了光学传感器位置测量精度的基本限制。通过比较传统定位方法抗噪声能力，我们发现，相关定位法、质心法和形心法可在较小的信噪比下得到较好的结果，但是它们仍不能满足空间光通信系统的要求。在第三章讨论了高定位精度的去噪方法。通过小波理论分析了激光远场光斑图像的广义高斯噪声特性，从而提出了三种高质心精度的去噪方法：SUSAN滤波，基于Bayesian估计的小波滤波和基于交叉验证的小波滤波。在第四章研究了基于SUSAN滤波的二维Otsu形心定位。按光斑图像的非高斯光强度分布模型和广义高斯噪声模型计算表明，Otsu分割的形心定位精度最高。通过从提高抗噪声能力、运算速度和定位精度三个方面对Otsu的改进，提出了一种基于SUSAN滤波的二维Otsu形心法算法。利用该算法可得到0.04μrad的定位精度。第五章研究了双光斑定位方法(TSO)。分析了卫星平台的振动，提出了TSO方法：首先对双光斑图像利用SUSAN进行滤波预处理；然后对经过预处理后的光斑图像沿坐标轴的两个方向进行均值投影，得到两幅双峰波形图；最后对投影图像利用正态函数拟合法得到峰值位置坐标。第六章研究了地球图像信标定位。针对地球图像特定目标，通过考察现有的快速相关算法，提出了基于SUSAN的SSDA算法和改进的频谱法，它们分别在光斑大小高于6 pixel×6 pixel和3 pixel×3 pixel的条件下，具有较好的定

论文目录:

摘要

ABSTRACT

第1章引言

1.1 空间光通信概述

1.1.1 空间光通信链路

1.1.2 空间光通信链路建立和ATP概念

1.1.3 ATP典型结构

1.2 对准信息

1.2.1 对准信息概念

1.2.2 利用主动的信标激光来得到PI

1.2.3 利用惯性探测器来辅助得到PI

1.2.4 利用天体图像作为信标获得PI

1.3 国内外空间光通信及其PI获取方法研究

1.3.1 国外空间光通信发展动态

1.3.2 国外空间光通信ATP技术研究动态

1.3.3 国外空间光通信PI获取方法研究动态

1.3.4 我国空间光通信及其ATP研究现状

1.4 课题来源、研究目标和思路

1.5 本章总结

第2章 PI精度要求及其限制

2.1 PI精度的影响因素

2.2 空间光通信对PI精度的要求

2.2.1 瞄准误差数学模型

2.2.2 PI对空间光通信链路的影响

2.3 光学位置传感精度分析

2.3.1 光学位置探测器的数学模型

2.3.2 光斑强度高斯分布的误差限分析

2.4 传统定位方法精度分析

2.4.1 传统定位方法

2.4.2 传统定位方法讨论

2.5 本章总结

第3章提高质心精度的去噪方法

3.1 通信链路对光斑图像信噪比的要求

3.2 传统去噪方法质心精度分析

3.2.1 CCD跟踪探测器的位置探测精度影响因素

3.2.1.1 CCD跟踪探测器的静态误差

3.2.1.2 CCD跟踪探测器的动态误差

3.2.2 传统去噪方法

3.2.3 传统去噪方法质心精度分析

3.2.3.1 激光远场实验

3.2.3.2 传统去噪方法比较

3.3 远场激光光斑图像噪声估计

3.3.1 小波分析

3.3.2 小波域的图像噪声类型识别

3.3.3 光源对远场光斑图像噪声的影响

3.3.3.1 高质量的SBS YAG激光器

3.3.3.2 LD和SBS YAG的对比实验

3.4 高质心定位精度的去噪方法

3.4.1 广义高斯噪声仿真

3.4.2 SUSAN滤波

3.4.3 Bayesian估计的小波去噪

3.4.4 基于交叉验证理论的小波滤波

3.5 本章总结

第4章基于SUSAN滤波的二维Otsu形心定位

4.1 阈值分割方法

4.1.1 基于灰度期望值的阈值分割

4.1.2 最大熵阈值分割

4.1.3 Otsu法

4.1.4 三种方法抗噪声比较

4.2 基于SUSAN滤波的二维Otsu形心法

4.2.1 二维Otsu形心算法

4.2.2 减少计算量的方法

4.2.2.1 分割目标区域

4.2.2.2 精粗结合的方法

4.2.3 进一步提高抗噪声能力的办法

4.3 基于SUSAN滤波的二维Otsu形心法验证

4.4 本章总结

第5章高精度的双光斑定位

5.1 星间光通信卫星平台振动

5.2 光路的改进

5.3 TSO方法

5.3.1 均值投影

5.3.2 双峰波形定位

5.3.2.1 基于极值的方法

5.3.2.2 正态函数拟合法

5.3.3 结论

5.4 TSO算法仿真

5.5 TSO算法分辨率

5.6 TSO算法实验验证

5.7 本章总结

第6章地球图像信标定位的快速相关算法

6.1 深空激光通信ATP特征

6.2 传统的快速相关算法精度比较

6.2.1 变分辨率相关算法

6.2.2 变模板相关算法

6.2.3 频谱法

6.2.4 SSDA

6.3 基于SUSAN的SSDA算法

6.3.1 基于SUSAN的加权提取模板的方法

6.3.2 两级相关跟踪算法

6.3.3 亚像元定位技术

6.3.4 仿真结果

6.4 改进的频谱法

6.4.1 数学模型

6.4.2 仿真结果

6.5 两种方法适应性分析

6.6 改进的相关法验证实验

6.6 本章总结

第7章结论

参考文献

致谢

作者简历及攻读博士学位期间的科研、论文情况

发布时间: 2006-11-28

参考文献

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