星地激光鏈路高精度跟瞄偏差角度獲取方法研究.pdf

1、在星地激光通信系統(tǒng)中，激光束寬非常窄且接收視場(chǎng)小，為了快速建立和穩(wěn)定保持長(zhǎng)距離星地激光通信鏈路，激光通信終端必須具有高精度光束瞄準(zhǔn)能力和高精度穩(wěn)定跟蹤能力。獲得高精度跟瞄偏差角是長(zhǎng)距離星地激光通信系統(tǒng)能夠快速建立和穩(wěn)定保持星地激光通信鏈路的重要保證。研究高精度跟瞄偏差角獲取方法是十分緊迫和必要的。
　　大氣信道是星地激光通信信道的組成部分，作為信息載體的激光光束穿過(guò)大氣層時(shí)會(huì)受到大氣湍流的影響。在星地激光通信系統(tǒng)中，大氣的湍流效應(yīng)

2、將影響信標(biāo)激光光束在跟瞄系統(tǒng)接收終端形成的光斑光強(qiáng)分布，產(chǎn)生光斑畸變，降低瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤精度，使系統(tǒng)探測(cè)精度下降，瞄準(zhǔn)偏差增大，接收功率降低，誤碼率增加，嚴(yán)重時(shí)甚至使星地激光鏈路的建立和保持變得困難。尋找能夠有效校正或降低大氣湍流影響的激光光斑中心獲取方法，對(duì)星地激光鏈路的建立和穩(wěn)定保持具有重要意義。
　　本文研究的問(wèn)題是，如何利用接收激光終端CMOS獲得的入射激光信標(biāo)光束的光斑光強(qiáng)分布，抑制大氣湍流對(duì)跟瞄偏差角探測(cè)精度造成的影響，

3、尋找獲得高精度跟瞄偏差角的方法。這是星地激光通信鏈路快速建立和穩(wěn)定保持的關(guān)鍵問(wèn)題之一。
　　首先對(duì)國(guó)內(nèi)外星地衛(wèi)星激光通信技術(shù)的研究進(jìn)展進(jìn)行了概述，介紹了跟瞄偏差角度基礎(chǔ)理論和探測(cè)機(jī)理，對(duì)跟瞄偏差角度的獲取方法進(jìn)行了分析。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步開(kāi)展了本文的研究工作。
　　提出了利用接收激光終端CMOS獲得的光強(qiáng)分布灰度數(shù)字圖像，再生縱橫單向凸圖像的方法。在濾除畸變二值含噪光斑圖像噪聲過(guò)程中，利用亮點(diǎn)像素到全圖幾何中心的歐氏距離作為判

4、斷該像素是否為單點(diǎn)噪聲的判別準(zhǔn)則。沿水平方向和垂直方向?qū)⒐獍咧貥?gòu)為單連通凸圖像。以此再生縱橫單向凸圖像的幾何中心接近入射激光光束在接收激光終端CMOS上的理想光斑中心，獲得了更高精度的跟瞄偏差角。給出了再生縱橫單向凸圖像形心方法計(jì)算公式的幾何意義。研究了濾除畸變二值含噪光斑圖像單點(diǎn)噪聲的濾波閾值獲取。結(jié)合不斷變化的大氣湍流對(duì)光斑的影響，將每一幀受到大氣擾動(dòng)的畸變光斑與單點(diǎn)噪聲的濾波閾值聯(lián)系起來(lái)，提出了二值圖像單點(diǎn)噪聲濾波閾值長(zhǎng)記憶動(dòng)態(tài)優(yōu)

5、化方法，綜合濾波閾值的歷史記憶逐幀優(yōu)化當(dāng)前濾波閾值。
　　提出高精度跟瞄偏差角獲取的迭代頻譜相位分布再生方法。根據(jù)衍射光學(xué)理論迭代生成頻譜相位分布，只利用遠(yuǎn)距離接收激光終端CMOS獲得的光強(qiáng)分布，構(gòu)成入射激光光束在CMOS處的光場(chǎng)分布，經(jīng)過(guò)近似卷積處理得到相位校正后光斑的光強(qiáng)分布，并結(jié)合再生縱橫單向凸圖像形心方法，穩(wěn)定獲得高精度跟瞄偏差角。給出了迭代頻譜相位校正后，跟瞄偏差角度的計(jì)算公式。對(duì)迭代頻譜相位分布再生方法確定迭代初值選取

6、進(jìn)行了研究。將相位迭代初值的選取與光斑峰值相聯(lián)系，使相位迭代初值隨著大氣湍流不斷變化。研究了采用迭代初值選取策略后迭代頻譜相位分布再生方法收斂速度變化，并與傳統(tǒng)方法相對(duì)比。分析了對(duì)迭代頻譜相位分布再生方法產(chǎn)生的誤差，確定校正系數(shù)。
　　根據(jù)大氣信道下光傳播理論，模擬激光光束經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后的光畸變場(chǎng)，建立數(shù)值仿真模型。利用兩個(gè)光學(xué)終端在距離為11.2km的城市鏈路上進(jìn)行了星地激光鏈路跟瞄偏差角度探測(cè)地面模擬實(shí)驗(yàn)。通過(guò)仿真及實(shí)驗(yàn)對(duì)不同

7、大氣閃爍指數(shù)下的靜態(tài)光斑圖像和沿一定軌跡移動(dòng)的動(dòng)態(tài)光斑圖像進(jìn)行研究。
　　本文提出了再生縱橫單向凸圖像形心方法和迭代頻譜相位分布再生方法，利用星地激光通信系統(tǒng)接收激光終端CMOS獲得的入射激光光束光斑的光強(qiáng)分布，抑制大氣湍流對(duì)星地激光通信激光光束的影響，計(jì)算獲得高精度跟瞄偏差角，有利于提高星地激光通信捕獲瞄準(zhǔn)跟蹤系統(tǒng)的性能，快速建立并穩(wěn)定保持星地激光通信鏈路。這些研究工作對(duì)于星地激光通信系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和提高系統(tǒng)的通信性能具有重要理