本文關(guān)鍵詞： 激光通信 圖像檢測 跟蹤 瞄準(zhǔn) 接收效率 最優(yōu)估計 裝調(diào)　出處：《中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：空間激光通信具有高載頻、強(qiáng)方向性特點(diǎn),相比傳統(tǒng)射頻通信方式,具有巨大的數(shù)據(jù)傳輸速率提升潛力,同時可以工作于較小的孔徑尺寸,還能有效避免鏈路間干擾,具有較強(qiáng)保密特性,適用于空間衛(wèi)星通信等應(yīng)用。然而激光光束的強(qiáng)方向性特性給終端間的相互對準(zhǔn)增加了難度,如果終端間不能準(zhǔn)確地相互對準(zhǔn),接收端信號能量會發(fā)生很大衰減,會嚴(yán)重影響通信系統(tǒng)性能,因此終端需要通過捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)(ATP)系統(tǒng)來抑制由于對準(zhǔn)誤差引起的信號衰減。ATP系統(tǒng)基于信標(biāo)光成像信號,通過校正發(fā)射孔徑的指向姿態(tài)實(shí)現(xiàn)對準(zhǔn),保證鏈路穩(wěn)定性以及通信的可靠性。多種原因會引起通信鏈路誤差,同時導(dǎo)致激光的實(shí)際成像效果與理想情況存在差異,影響通信性能。造成通信鏈路誤差的原因主要可包括平臺振動、終端間相對運(yùn)動、大氣效應(yīng)、終端光學(xué)系統(tǒng)像差等。其中平臺振動、大氣效應(yīng)是給通信鏈路引入動態(tài)隨機(jī)誤差的主要原因,動態(tài)隨機(jī)像差主要為一階傾斜像差。終端光學(xué)系統(tǒng)像差是引入靜態(tài)固定誤差主要原因,靜態(tài)固定像差主要為低階初級像差。相比于其他原因,大氣湍流效應(yīng)對激光傳輸?shù)挠绊戄^為復(fù)雜,且由于光束傳輸引起的鏈路衰減是整個鏈路中功耗損失最大的環(huán)節(jié),本文著重對經(jīng)自由空間大氣傳輸?shù)募す膺M(jìn)行了統(tǒng)計分析,討論可測參數(shù)對于可測參數(shù)對于光束特性(到達(dá)角起伏、光束游走)、鏈路性能(跟蹤誤差、接收效率)以及成像特性的影響,并基于此提出通過改變發(fā)射激光參數(shù)的系統(tǒng)優(yōu)化方案。為了處理終端間的相對運(yùn)動、平臺振動、大氣效應(yīng)造成的動態(tài)隨機(jī)跟蹤誤差,并獲得更加準(zhǔn)確的目標(biāo)狀態(tài),本文將針對隨機(jī)信號進(jìn)行處理的最優(yōu)估計技術(shù)——Kalman濾波技術(shù)引入自由空間激光通信目標(biāo)定位中,處理隨機(jī)擾動。針對Kalman濾波器在實(shí)用過程中所遇到的運(yùn)動模型選擇以及噪聲給定問題,本文基于激光點(diǎn)目標(biāo)的特征,提出改進(jìn)算法。該算法結(jié)合雙步動態(tài)模型,在濾波過程中根據(jù)速度的相關(guān)系數(shù)調(diào)整運(yùn)動模型參數(shù),使運(yùn)動模型更加切合實(shí)際。此外,結(jié)合運(yùn)動模型以及觀測數(shù)據(jù)估計過程噪聲,同時基于成像特性,利用單幀圖像中灰度值的分布,對單次觀測的觀測噪聲進(jìn)行實(shí)時估計,實(shí)現(xiàn)過程噪聲和觀測噪聲的自適應(yīng)。根據(jù)在外場進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)和實(shí)際跟蹤實(shí)驗(yàn)結(jié)果,本文所提的噪聲自適應(yīng)Kalman濾波方法能夠有效地保證跟蹤精度。針對終端光學(xué)系統(tǒng)像差引入的靜態(tài)固定像差誤差,本文首先基于Zernike多項(xiàng)式展開,分析了發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)和接收光學(xué)系統(tǒng)的各種初級像差對鏈路性能以及通信性能的影響。其次對望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)誤差的產(chǎn)生原因以及分配情況進(jìn)行分析,明確了在現(xiàn)有技術(shù)條件下,減小望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的次鏡裝調(diào)誤差是實(shí)現(xiàn)靜態(tài)像差校正的有效手段。針對靜態(tài)像差校正,本文提出了一種根據(jù)星點(diǎn)光斑的形態(tài)估計并校正誤差的方法,此方法引入一種新的圖像算子評價成像光斑像質(zhì),以卡塞格林望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)為實(shí)例,分別通過仿真與實(shí)驗(yàn)分析裝調(diào)誤差對該圖像算子的影響,建立了該圖像算子與次鏡誤差之間的關(guān)系模型,并基于該模型提出了一種有效的基于圖像檢測的望遠(yuǎn)鏡靜態(tài)像差自動校正方法。
[Abstract]:In this paper , the effect of laser beam on laser transmission is analyzed by means of capturing , tracking , aiming ( ATP ) system , which can greatly affect the performance of communication system . In this paper , the influence of various primary aberration on the performance of the optical system and the communication performance is analyzed by using the distribution of the gray value in the single frame image . According to the simulation experiment and the actual tracking experiment result in the field , the influence of the primary aberration on the link performance and the communication performance of the optical system of the terminal is analyzed .

【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN929.1

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本文編號：1469628