无线激光通信中ATP关键技术研究

论文摘要

捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统是实现无线激光通信终端之间精确对准的关键系统，对建立无线激光通信链路具有重要作用。ATP控制系统带宽和精度是决定其性能的两个重要参数。论文主要是围绕涉及该两个参数的关键技术展开研究。论文对通信距离与信道特性、多次散射对光传输的影响、无线激光通信对ATP带宽的需求以及光束发散角和接收视场角等重要系统性能参数和指标进行了分析和研究，证明了在轻霾天气状态下，使系统中两终端发送的激光束波长各不相同，经过光束滤波，可以有效地消除后向散射干扰；在15km的通信距离范围内，大气中的多次散射对无线激光通信光传输的影响可以忽略。声光偏转器的性能参数对ATP系统的精度和带宽有重要影响。论文研究了声光器件的性能及其模型，对声光偏转器的光束发散角和空间分辨点数进行了深入研究，针对声频变化和光束色散引起的光束发散角扩展和光斑变形分别给出了有效的抑制方法，提高了声光偏转器的空间分辨率。论文对ATP中的捕获系统展开研究，提出了一种步进扫描捕获技术，该方法在相同的捕获精度和速度要求下，能够降低对位置敏感器件刷新率的要求，从而降低系统成本。研究了盲先验信息或先验信息很少情况下双端捕获概率和搜索、扫描速率以及接收视场角、光束发散角之间的关系，给出了捕获概率和捕获时间的计算算法，得到了捕获完成时间和光束偏转系统带宽之间的制约关系。针对ATP中的跟踪、瞄准，论文提出了将大气激光通信中ATP跟踪系统分为粗跟踪环路、精跟踪环路、信号跟踪环路三轴复合系统来设计的思想，采用新型声光偏转器作为光束偏转器件，并根据声光偏转器的特性，提出了采用参考激光去跟踪信标光斑的光斑跟踪的瞄准算法，使发射激光束能够跟踪高频抖动的入射光束，提高了跟踪、瞄准系统带宽。四象限探测器QD(Quadrant Devivce)是决定跟踪、瞄准定位精度的关键器件，论文分析了光斑大小、背景噪声、暗电流等因素对QD定位精度的影响，提出了使用径向基函数神经网络RBFNN(Radial Basis Function Neural Network)构建QD模型和补偿模型，采用高阶函数拟合QD位置输出模型的算法。通过定期学习，让系统自行修正补偿网络和QD位置输出模型，有效的提高了QD的定位精度和ATP系统的适应能力。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 本文研究背景
• 1.2 ATP的关键参数和执行步骤
• 1.2.1 ATP的关键参数
• 1.2.2 ATP的执行步骤
• 1.3 无线激光通信ATP技术研究现状
• 1.4 论文的主要内容和创造性成果
• 第二章 ATP系统性能指标分析
• 2.1 通信距离与信道特性的关系
• 2.2 多次散射对光传输的影响和减小方法
• 2.2.1 大气多次散射对激光通信系统的影响
• 2.2.2 大气多次散射干扰的模型以及分析
• 2.2.3 减小多次散射的方法
• 2.3 无线激光通信对ATP系统的带宽需求
• 2.3.1 无线激光通信的终端运动特性和干扰分析
• 2.3.2 跟踪、瞄准精度和带宽的关系
• 2.4 光束发散角和接收视场角的确定
• 2.4.1 信号/信标接收光功率
• 2.4.2 接收到的背景光功率
• 2.4.3 裕量和信号接收视场角的关系
• 2.5 本章小结
• 第三章 声光光束偏转器性能研究
• 3.1 声光偏转器的光束偏转原理
• 3.1.1 布拉格声光衍射条件
• 3.1.2 光束的偏转角和偏转范围
• 3.1.3 衍射光束的扩展角
• 3.1.4 声光偏转模型
• 3.2 声光偏转器光束发散角和空间分辨点数研究
• 3.2.1 声光偏转器的光束发散角和空间分辨点数
• 3.2.2 增加空间分辨点数和抑制光束发散角扩展的方法
• 3.2.3 光束偏转实验系统设计
• 3.3 对光斑变形的抑制
• 3.3.1 声频变化引起的光斑变形的抑制
• 3.3.2 光波频率的非单色性引起的光斑变形的抑制
• 3.4 本章小结
• 第四章 捕获系统关键技术研究
• 4.1 捕获系统概述
• 4.1.1 捕获系统结构
• 4.1.2 捕获过程的几个关键参数
• 4.2 步进扫描捕获技术
• 4.2.1 系统描述
• 4.2.2 连续扫描方式对伺服系统的要求
• 4.2.3 步进扫描方式
• 4.3 捕获概率的计算算法研究
• 4.3.1 捕获系统概述
• 4.3.2 捕获概率的计算
• 4.3.3 数值仿真计算和分析
• 4.4 捕获时间与光束偏转系统带宽的关系研究
• 4.4.1 光束偏转系统的最大角加速度
• 4.4.2 光束螺旋扫描角速度和角加速度
• 4.5 本章小结
• 第五章 跟、瞄子系统关键技术研究
• 5.1 跟踪、瞄准系统概述
• 5.1.1 系统功能及步骤
• 5.1.2 跟踪系统的设计
• 5.1.3 瞄准系统的设计
• 5.2 四象限探测器精确定位技术研究
• 5.2.1 四象限探测器工作原理和模型
• 5.2.2 四象限探测器的精确探测研究
• 5.3 光斑跟踪的瞄准技术
• 5.3.1 模型参考自适应控制
• 5.3.2 探测器之间的偏差补偿
• 5.4 本章小结
• 第六章 结束语
• 6.1 论文的主要研究成果和创新点
• 6.2 进一步的研究工作
• 致谢
• 参考文献
• 作者在学习期间取得的学术成果