（光学专业论文）光通信精跟踪系统的研究与设计.pdf

攘要 空润党逶信良萁毫繁宽、高粥率、褰绦密性及藐于拭等魏点娥为光遴售发震 的新方向，目前已成为各国研究工作的热点。而窄的激光发射光束导致了光束对 恣中许多按零上懿携战，对攘获、对准和黢踩( a c q u i s i t i o n 、p o i n t i n g 、t r a c k i n g a p t ) 技术的研究也就姓得尤戴重要。 本论文裰据“8 6 3 ”专家篷下达静关予空阕光逮信豹篱瑟技术豁磺究漾题， 拟配合系统总体设计，完成光通信精跟踪系统原理样机的研制，并能提供可靠的 精凄裣溺蘑统，为良蓐熬空阗站天基综合信患翻瓣工程实现葵定蓥爨。 本论文对光通信精躐踪的技术进行了论述、分析，在此基础上提出实现十微 弧度跟踪精度的耩舔踪系统原理样视的设计方案，及能检溺徽瓤淡量缀鼢裣溺方 法，这主要基于c c d 探测技术、d s p 数字控制技术和数字图像处理技术。设计 了一个与特定熬c c d 楣撬延配瓣光学敖犬系统，获焉可以获褥麓质量静激光光 斑图像，通过数据采集对图像进行数字化，并进行了图像处理，滤除了噪声，分 割了銎像，利弼d s p 实臻数字控翻完成糙跟踪瓣葫莪，嗣时编铡了应鼷较俘诗 旃出光斑位置变化，从而可检测其精度。 该舔理样机犟蟊微孤渡检测系统的磺翻是光逶信领域内的一释新尝试筘可行 性研究，为以后无线光通信的研究提供了一条切实可行的途径。 关键词：空间光通信，a p t ，c c d ，数字技钊，数字图像处理 a b s t r a c t o p t i c a ls p a c e c o m m u n i c a t i o nb e c o m e san e wd i r e c t i o no ft h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nb e c a u s eo fi t s a d v a n t a g e ss u c ha s b r o a db a n d w i d t h ，h i g hb i t r a t e ， h i g hs e c u r i t y a n dg o o dp e r f o r m a n c eo na n t i - j a m m i n g e x c e p ta l lt h e a d v a n t a g e s a b o v e ，t h en a r r o wb e a m w i d t hl e a d st oc h a l l e n g e so n p o i n t i n g ，s oi ti sv e r yi m p o r t m r t t om a k ee f f o r to nt h es t u d yo f a c q u i s i t i o n ，p o i n t i n ga n dt r a c k i n g - a p t t h i sp a p e r p r o v i d e st h ep r e c i s i o nd e t e c t i o ns y s t e mw h i c hs e r v e st h ef i n et r a c k i n g s y s t e mp r i n c i p l es a m p l e t h i ss a m p l ew i l lg r o u n dt h er e a l i z a t i o no fs p a c e b o r n e i n f o r n l a t i o nn e t w o r k b a s e do nt h ea n a l y s i so ff i n et r a c k i n gt e c h n o l o g yw e d e s i g nt h es c h e m eo f af i n e t r a c k i n gs y s t e mp r i n c i p l es a m p l ew h i c hc a np e r f o r map r e c i s i o no ft e nm i l l i o n t h r a d i a n s a n dw ea l s op r o v i d ead e t e c t i o nm e t h o dw h o s e p r e c i s i o ni s o nt h eo r d e ro f m i c r or a d i a n s a l lo ft h ea b o v ei sb a s e do n t e c h n o l o g i e so nc c d ，d s pd i g i t a lc o n t r o l m a d d i g i t a lp r o c e s s i o no fi m a g e sw ed e s i g nao p t i c a la m p l i f i e rs y s t e m m a t c h i n gt h e s p e c i f i e dc c dc a m e r a ，i no r d e rt oc a t c hq u a l i f i e dl a s e rb e a ms p o ti m a g e s w eu s e d a t aa c q u i s i t i o nt od i g i t a l i z et h ei m a g e a tt h es a m et i m ew ef i l t e rn o i s ea n d s p l i tt h e i m a g eb yi m a g ep r o c e s s i o n a tl a s tw ep e r f o r mt h ef u n c t i o no ff i n et r a c k i n gb yd s p d i g i t a lc o n t r 0 1 w ed e v e l o pap r o g r a mt oc a l c u l a t et h ep o s i t i o no f s p o t ，i no r d m t o d e t e c tt h ep r e c i s i o n t h es t u d yo nt h i s s a m p l ea n dt h ed e t e c ts y s t e mi san e wt r yi nt h e o p t i c a l c o m m u n i c a t i o nf i e l d i t p r o v i d e s af e a s i b l e w a yt os t u d y t h ew i r e l e s s o p t i c a l c o n m r u n i c a t i o n k e yw o r d s ：o p t i c a ls p a c e c o m m u n i c a t i o n ，a p t ，c c d ，d i g i t a lc o n t r o l ，d i g i t a l p r o c e s s i o no fi m a g e s 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 签名：趱日期：2 噼岁月如日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 獐导师签名：41 星 e g 目- 2 。哆年岁月o d 日 电子科技大学硕士论文 1 1 目的和意义 第一章绪论 1 。1 。1 空间光通信的特点及关键技术 随着我国信息基础设施n i l ( n a t i o n a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 和全 球信息基础设施g i i ( g 1 0 b a li n f o r m a t i o ni n f r a s t r u c t u r e ) 的提出，社会对 信息传输的要求是速率更快、容量更大、覆盖空间更广，而目前卫星通信所采 用的微波通信技术存在频带有限、容量不够、方向性不好等问题。在卫星通信 日益拥挤的今天，光波段通信有极大的潜力，空间光通信成为下一代光通信的 发展方向之，是实现高速大容量通信的最佳方案，甚至可以说是唯一的解决 方案。 图1 1 光通信网络 图l l 中显示出通过卫星之间、星地之间、卫星与空间站之间的无线光通 信和地面站与用户通过光纤可以组成立体交叉的光通信网络。 与其它波段的通信方式相比激光通信具有不少独特的优点“。”： ( 1 ) 与微波相比，光波频率高3 5 个数量级，频率资源丰富得多，可以获得 高得多的数据传输速率，能满足大容量传输的要求，并为实现空间多任 电子科技大学硕士论文 务提供了时间保障。 ( 2 ) 激光波束比微波波束的发散角小3 5 个数量级，这将大大增加接收端的 电磁波能量密度，有利于终端减轻重量、减少体积，降低功耗。 ( 3 ) 由于光束窄、方向性好，其保密和抗干扰性能极好，这对军事应用十分 有利。 ( 4 ) 与无线电相比，光的频率高、能量集中、方向性强、可用频谱宽，无需 向频谱管理部门申请频率使用许可证，并可防止通信相互干扰、窃听。 ( 5 ) 与光纤通信相比，它有造价低、施工简便、迅速等优势。 ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) 尽管空间光通信具有以上众多优点，但同样也面临着挑战 高精度、准确的光束对准； 背景光源的干扰，如太阳、月亮和行星的干扰 近衍射极限的光学准直； 大气随机信道对光波传输的影响； 大容量、远距离、小型化和低功耗的要求。 根据以上空间光通信的特点，有五方面的关键技术须解决 高功率的激光源及信号的高码率调制 高灵敏度抗干扰的光信号接收技术； 精密、可靠、高增益的收、发天线； 快速、精确的捕获、瞄准和跟踪( a p t a c q u i s i t i o n p o i n t i n g 技术； ( 5 ) 大气信道的研究。 另外选择适当的调制方式、编码方式及解调方式也会对通信系统的性能有 很大的影响。目前空间光通信系统多采用i m d d ，即强度调制、直接检测的方 式，主要考虑系统能比较简单的实现这种方式。采用的编码方式多为开关键控 ( 0 0 k ) 编码和曼彻斯特编码方式。在实际应用中，采用曼彻斯特编码方式的接 收误码率通常比采用o o k 编码要低。 1 1 2 目的及意义 根据光通信的特点，特别是针对其关键技术，本课题目标是通过参考国内 外的相关技术资料，深入研究，研制光通信精跟踪系统的原理样机，为最终空 间站光通信系统的工程实现打下基础。 电子科技大学硕士论文 我们精跟踪系统原理样机的研制，必将加快空间光通信从其“发展阶段” 向“实用阶段”的过渡。其发展和应用不仅为空间通信信息产业的发展创造条 件，并且关键技术的实现也为在未来移动通信、计算机多媒体通信等终端联网， 以及轻便无线光通信等民用和军用方面采用光通信技术奠定基础。 1 2 国内外研究动态 由于光通信的巨大优点，国际上对其给予了充分的重视，投入了巨大的财 力、物力和人力，从7 0 年代就开始了无线激光通信的研究，最近1 0 年来其在 卫星通信中的应用更是取得了令人瞩目的进展。从开始的概念研究、关键技术 研究、实验系统研究，目前正在向工程化实现进展。在这方面，美国，欧洲， 日本走在了前面“5 。“7 8 。“”1 ”。”。它们之间既有合作也有竞争，共同促进了世 界光通信的发展。 美国 美国在空间光通信开发方面有着长期的历史。始于7 0 年代，主要研究机构 有国家航空和宇航局n a s a ，喷气动力实验室j p l 和b a l la e r o s p a c e 公司，另外 l i n c o l n 实验室也做了一些工作。 其中最具代表性的是喷气动力实验室- - j p l ，其重点放在行星距离范围的空 一地通信。通常支持几百k b p s 或几m b p s 的通信。其l o c m 孔径的光通信演示机 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 ) 数据率可达2 5 0 m b p s ，如图1 2 所示，近地实验中可达1 g b p s 。其特点是基于0 8 6um 技术，使用o o k 调制。此 外，美国在2 0 0 0 年6 月7 日成功地发射了空间技术研究卫星s t r v 一2 。该卫星包 含了一套先进的光通信技术试验装置。s t r v 一2 激光通信系统的数据传输率为 1 o g b p s ，传输距离为1 8 0 0 k m ，质量为1 4 3 k g ，如图卜3 所示。 图1 - 2n a s a j p l 的光通信演示系统图1 3s t r v 。2 通信终端 o c d 和主要元部件外形图 电子科技大学硕士论文 日本 曰本也是最早进行光通信研究的国家之一，它有很宏大的光通信计划。日 本空间光通信主要研究组织和机构有政府方面的n a s d a 和c r l ，工业方主要是 n e c ，另外东芝也有部分有效载荷。科学和技术署( s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a g e n c y ) 指定邮电管理局( m i n i s t r yo fp 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 ) 作为光通信和传 感中心。c r l 有一个相当长时间跨度的计划，如图卜4 所示。目前计划研究集 中在使用o 8u1 1 3 波长，多通道中等码率( 3 0 0 m b p s ) 。同时也采用1 5um 技术 实现高码率( 1 2 g b p s ) 通信。这种技术由于陆地光纤系统的发展更易获得。1 0 年后，计划系统达到1 0 g b p s 通道。值得强调的是c r l 未来的星间链路( i s l s i 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 ) 和空地都采用光链路。 e t s v i 预计达到g e o 轨道，但是失败了。由于轨道错误影响了其生存期， 从1 9 9 4 1 9 9 6 。在e t s v i 有限的生存期间c r l 和n a s a 的j p l 进行了一些空一 地实验。实验中使用强度调制和直接探测( i m d d ) 技术，建立了1 0 2 4 m b p s 的 双向链路，卫星上使用7 5 c m 直径天线。下行链路使用波长0 8 3pm 波长，1 3 8 m w 的a 1 g a a s 激光二极管。东京的上行链路采用0 5 1um 波长的氩激光器，天线孔 径1 5 m 。星上光通信终端l c e ( l a s e rc o m m u n i c a t i o n se x p e r i m e n t ) 如图卜5 所示，重量为2 2 4 k g ，最大功率9 0 w 。 此外，日本还在2 0 0 0 年研制出用于国际空间站i s s 一地的双向超高速光通 信端机l c d e 。其码率达到上行1 2 g ，下行2 5 g ，使用1 5 5 pm 的通信波长，功 耗 l w ) 及高数据率( 2 5 g b s ) 的9 8 0 n m 、1 06 啪的激光器 也在研究。 由于系统采用同一天线接收信号光和信标光，为便于在接收机上将信号光 和信标光进行分离，信号光激光器发射的峰值波长应与信标光的发射波长有所 区别。原则上讲，二光束的波长相差越多越有利，考虑到较长波长的激光器便 于生产和有较好的质量，一般可采用0 8 4 u m 左右作为信号光的工作波长。 此外，激光器工作波长的稳定性也是系统正常工作的重要基础，一般情况 下，激光器工作波长随温度的变化有一定的漂移，通常在3 a c 左右，在系统 工作环境温差较大的情况下，激光器的发射波长也有较大的差异。过大的波长 漂移使接收端的滤波片的半波宽度不宜选择过窄，这样将不利于背景光的抑制， 故在系统中可考虑恒温激光器的使用。 2 3 光接收端机 光接收端机用于收集入射的光场并处理、恢复传输的信息。一个典型的光 电子科技大学硕士论文 接收端机包括光接收前端( 通常包括一些透镜或聚光部件) 、光探测器和后续处理 器。透镜系统把接收的光场进行滤波和聚焦，使其入射到光探测器上。光探测 器把光信号变换为电信号。后续处理器完成必要的信号放大、信号处理及过滤 处理，以从探测器的输出中恢复所需要的信息。( 如图2 4 ) 接收 到的 光场图酬鬻j 2 3 1 光接收机前端 图2 4 光接收端机 光接收端机可分为两种基本类型，即功率探测接收机和外差接收机。功率 探测接收机也称作直接探测或非相干接收机，它的前端系统如图2 5 ( a ) 所示。 透镜系统和光电探测器用于检测所收集到的到达光接收机的光场瞬间光功率。 只要传输的信息体现在接收光场的功率变化之中。外差接收机的前端系统如图2 - 5 ( b ) 所示。本地产生的光波场与接收到的光场经前端镜面加以合成，然后 由光探测器检测这一合成的光波。外差接收机可以接收以幅度调制、频率调制、 相位调制方式传输的信息。外差式接收机实现起来比较困难，它对两个待合成 的光场在空间相干性方面有严格的要求。因此，外差式接收机通常也称为空间 相干接收机。但不论是哪一种接收机，前端透镜系统都能把接收光场或合成后 的光场聚焦到探测器的表面，这就使光探测器的面积可以比接收透镜的面积小 很多。 2 3 2 光学滤波器 如图2 5 所示，接收机的前端除了把光场聚焦到光探测器，还具有一定程 度的滤波作用。在探测器的前端采用滤波器能够减少背景辐射光的影响。滤波 器可以是空间滤波( 如极化滤波、光阑滤波等) ，也可以是频率滤波，即让某一频 带通过，而阻止其余频带，频带滤波器同时也决定了光探测器接收光场的带宽。 电子科技大学硕士论文 ( a )直接检测接收机 ( a )外差检测接收机 图2 5 光接收机的两种基本类型 光学滤波器是一个放在光束通道上用来控制各种不同波长光的透过率的材 料或元件。其目的在于对光源发出的光场进行接收时，尽可能地除去不需要的 光，抑制背景光，提高系统的信噪比。因此，光学滤波器是通过在波长上适当 选择通带( 高透过率) 和阻带( 低透过率) 来设计的。 光学滤波器的基本类型有吸收滤波器、干涉滤波器、双折射滤波器和原子 共振滤波器。吸收滤波器一般是与透镜或探测器表面接触或喷涂在其上的涂层 电子科技大学硕士论文 材料，它对入射光中某些波长的光进行吸收( 或者散射或反射) ，而让其它波长 的光通过。主要用于宽带滤波，带宽在几十微米的数量级。 干涉型滤波器是位于探测器前的器件，聚焦光场通过它入射到探测器上。 干涉滤波器利用反射波的相长或相消来提供选择性滤波。 另一类滤波器是双折射型或l y o t 型滤波器。这种滤波器利用了光波通过双 折射晶体时所产生的偏振态的改变。偏振态的改变依赖于波长和晶体厚度。如 果在晶体后面放一个检偏器( 只有某一方向偏振的光可以通过) ，就可以产生一 个对应于只有具有适当偏振态的那些波长的通带，形成一个滤波器。l y o t 滤波 器可以达到低至1 到1 0 埃的带宽，与干涉滤波器相似。 原子共振滤波器利用某些材料的原子线宽与输入光场谐振腔来产生原子线 宽量级的通带。因此，理论上有可能实现几分之埃的带宽。但是这样的通带 只能在原子谱线相关联的特定波长上实现。由于有窄的滤波器通带，当用作通 信滤波器时，原子滤波器需要对输入波长小心控制。此外，原子滤波器的透过 率低，通常只有2 0 到3 0 。 2 4 光学天线和光路系统 光学天线和光路系统的作用是将信号光和信标光经准直处理发射出去，又 将接收到的信号光和信标光分离开来，并将光优质高效的会聚到探测器上。为 此，该单元完成以下任务： ( 1 ) 信号光和信标光的扩束、准直及并束发射； ( 2 ) 信号光和信标光的接收、压缩、及校准和分离； ( 3 ) 将光学处理分离后的信标光引导到探测器上以产生位置误差信号，达到 捕获、瞄准和跟踪的功能，同时信号光通过信号探测器得到所需要的通 信信号。 ( 4 ) 抑制和隔离信道中的背景光。 2 4 1 光学天线( 望远镜) 望远镜的作用有以下两个方面： 第一：对发射光束进一步扩束准直，扩大发射系统的光斑尺寸，压缩光斑的接 收角。 皇三型垫查堂堡主堡苎一 第二：接收另一个终端过来的激光能量，将其聚焦并耦合到光电探测器上。 对望远镜的基本要求： 第要有适当的发射增益 若发射天线的增益以g t 来表示，则其物理意义为， 相同辐射功率条件下理想的各向同性辐射强度的比值。 在光轴上( o = 0 ) 的增益为： g ( o ) ：罂 e ； 其中，e 为激光的发散角，其值为： 天线发射的光波强度与 对于无遮挡型望远镜， ( 2 2 ) e ，：1 2 2 2( 2 3 ) 。d 五为光波长，d 为发射孔径。 所以，发射天线的对数增益为： g t 。10 1 9 g ( o ) = l o l g 扩3 2 ( 2 4 ) 若天线孔径为2 0 c m ，丑= 0 8um ，则只可达5 l - tr a d ，天线增益可达1 2 1 d b 。 第二要有较高的接收增益 由于到达接收天线的光斑尺寸远远大于接收天线的直径，可认为在接收天 线上的光束为平面波，其能量分布是均匀的。这样，天线的接收增益为： g r = 1 0 1 9 ( _ 2 ；, t a ) 2 ( 2 5 ) 其中，a 为接收孔径，若 = 0 8ut n ，a = 2 0 0 n m ，则g r 1 2 4 d b 。 第三要有较低的光学损耗 低的光学损耗能保证激光能量的有效利用，对反射式望远镜其每个面的反 射率应大于9 8 9 ，透射式望远镜应镀增透膜，透过率大于8 0 。 2 4 2 中继光学系统 中继光学系统是指除望远镜外的其他光学元件，包括：光学透镜、台束镜、 反射镜、分光片、光滤波器等。 光学透镜 电子科技大学硕士论文 激光器的准直由光学透镜来完成，激光器的发散角通常为几度到几十度， 光学透镜应能完成对激光器发出的激光进行准直、整形和匹配，与天线进一步 准直配合，达到预定的发散角。对光学透镜的总体要求是：损耗小( 透镜表面 镀增透膜) ，像差小。 分色片 对不同波长的反射、透过率不同，以减小发射光、接收光的损失和收、发 之间的影响。 合束片 将两支激光器的光束合为一束，要求有较高的合束精度，应达到发散角的 几十分之一，以充分利用光能量。 分光片 将接收到的光按合适的比例分为两路，一路送入a p t 接收探测器，一路送 入通信探测器作通信用。由于通信单元带宽宽，一般应将接收光的大部分送入 通信探测器，小部分送入a p t 探测器。 2 5 光电探测器件 光电探测是将接收到的光场转换成后续检测过程所要求的电流或电压波 形，是光接收机中最主要的功能。光电检测是使光敏材料通过产生自由电子对 输入光场进行响应而实现的。实际的光电探测器重要的参数包括响应函数、增 益、灵敏度、量子效率、暗电流和带宽等。 a p t 系统要达到一定的跟踪精度，关键是探测器要有足够高的位置分辨率 和灵敏度。同时，为了保证大的捕获空间范围，接收天线和探测器都需要有足够 大的视场角。视场角由下式决定： o 0 = 2 a r c a n 娑( 2 6 ) 2 式中f n 等效焦距，d r 为探测器孔径；可见较大的探测器孔径和较小的等效焦距有 利于视场角的增大。 选择探测器时，灵敏度也是一个必须考虑的参数。因为空问光通信中收到的 光强很弱，同时灵敏度也影响着分辨率的进一步提高。 电子科技大学硕士论文 同时光电探测器中存在许多内部噪声，主要的噪声来源是热噪声和散粒噪 声。热噪声是导电材料中载流子不规则热运动在材料两端产生的随机涨落电压。 噪声电压均方值u ；取决于材料的温度，并有如下关系： u ；= 4 k t f 2 r ( f ) d f ( 2 7 ) 式中，k 为波尔兹曼常数；t 为材料的绝对温度；r ( f ) 为电阻随频率的变化关系。 在单位时间内达到光敏表面的光子数和由它激励形成的光电子数是随机离 散的。在不同瞬间通过电路的电流密度也是不均匀的，它的电流平均值代表电路 的电流值。相对平均值的散布形成了电路的噪声。这种由于光、电载流子形成 和流动密度的涨落造成的噪声称为电路的散粒噪声。散粒噪声的功率谱密度与 探测器工作频率无关，它具有白噪声的频谱特性。 散粒噪声电流均方值i ：为： i i = 2 q i 。f ( 2 8 ) 式中，q 为电子电荷i ；i 。为光电流平均值，f 为检测电路的实际通频带。 在光通信a p t 技术中，位置误差信号提取是非常关键的一环，因此探测器 的选择也是非常重要的，因为a p t 系统要求位置探测器的响应快、分辨率高、 灵敏度高、光电输出线形良好等，所以对光电探测器的分析和研究是非常必要 的。 2 5 1 常用的探测器 作为空间光束跟瞄的探测器主要有位置敏感探测器件( p s d ) 、四象限器件 ( q d ) 、电荷耦合器件( c c d ) 等多种“”。 p s d 是利用半导体p n 结的“横向电阻效应”达到器件对光信号位置敏感 的目的。它由极为均匀的表面电阻层和双向电极检出信号，并通过放大和运算 获得被测位置。p s d 具有光电输出线性良好、分辨率高、响应快等特点，而且 信号处理电路简单，光敏面上无死区，可以获得连续的位置检出信号，可以用 低频调制的方法抑制背景光的干扰。但是p s d 灵敏度较低，边缘线性较差，在 作用距离不太长的地面光通信系统中是可采用的探测器之一。 四象限探测器件( q d ) 可以分为光电池q d 、光电二极管p i n q d 、四象 限雪崩光电管二极管a p d q d 等。在使用q d 作传感器的光电探测系统中，误 电子科技大学硕士论文 差信号的提取和计算一般都可以归结为光斑相对光电探测器中心的偏离量的计 算。它们一般具有较高的灵敏度和位置分辨率，若选择面积较大的q d ，可以满 足系统接收视场的要求。但是q d 的4 个象限的放大器应有尽量好的一致性和 稳定性，否则将对分辨率产生不利影响。 2 5 2 电荷耦合器件( c o d ) c c d 作为光电传感器在许多领域得到广泛应用，被检测对象的光信息通过光 学成像系统成像于c c d 的光敏面上，c c d 的光敏像元将其上的光强度转换成电荷 量。所以c c d 的突出特点是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件以电流 或者电压为信号，c c d 的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。因此，c c d 工 作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测“。 2 5 2 1c o d 器件的特点 c c d 器件是一种固体化器件，具有体积小、重量轻、电压及功耗低、可靠 性高、寿命长等一系列优点。 具有理想的“扫描”线性，可以进行象素寻址，可以变化“扫描”速度，畸 变小、尺寸重现性好，特别适合于定位、尺寸测量和成像传感等方面。 很高的空间分辨率。线阵器件现今已有7 0 0 0 像元器件、分辨能力可达7 um 。 有数字扫描能力。像元的位置可以由数字代码确定，便于和计算机结合。 光敏元间距的几何尺寸精确，可以获得很高的定位精度并d 0 n , u 量精度。如东芝 的2 0 4 8 为c c d 可达1 4 um ，5 0 0 0 位c c d 可达7 “m 。 具有很高的光电灵敏度和大的动态范围。目前好的器件，灵敏度可达0 0 1 l x ， 动态范围1 0 6 ：1 。 2 5 2 2c c d 的特性参数 分辨率 分辨率是图像传感器的重要特性，常用调制传递函数m t f 来评价。c c d 是很 多光敏元素排列组成的，像元位数越高的器件具有更高的分辨率。二维面阵c c d 的输出信号一般遵守电视系统的扫描方式，它在水平方向和垂直方向上的分辨 率是不同的，水平分辨率要高于垂直分辨率。所以评价面阵c c d 的分辨率时只 评价水平分辨率，并且用电视系统对图像分辨率的评价方法电视线数的评价 方法。电视线评价方法表明，在一副图像上，在水平方向能分辨的黑白条数为 电子科技大学硕士论文 其分辨率。水平分辨率与水平方向上c c d 的像元数量有关，像元数量越多，分 辨率越高。 在定位、测微系统中，我们更关心的是c c d 对空间位置变化的敏感程度， 空间光通信中的光束跟瞄更是如此，因而其空间分辨率的概念也稍有不同。由 c c d 的定位原理( 通过对时钟脉冲记数确定感光像元位置，通过感光像元的位 置来确定入射光斑点的位置) 可知，在使用c c d 的定位或测微系统中c c d 的 极限分辨率就等于像元的中心间距。目前，可达几个微米。当然，如果对c c d 定位系统采取一定的措施，也可以使其分辨率小于一个像元间距。 影响电荷耦合成像器件( c c d ) 分辨能力的因素有很多，而对不同的结构 形式，其影响因素也各不相同。一般情况下有以下几种：离散结构中积分单元 的尺寸，光生载流子的扩散，电荷转移等。 转移效率r l 和转移损失率e 电荷转移效率是表征c c d 性能好坏的重要参数。把一次转移后，到达下一 个势阱中的电荷与原来势阱中的电荷之比称为转移效率。如在t = 0 时，注入到 某电极的电荷下为q ( 0 ) ，在时间t 时，大多数电荷在电场的作用下向下一个电 极转移，但是总有- d , 部分电荷由于某种原因留在该电极下，若被留下来的电 荷为q ( 0 ，则转移效率为： n o ( o ) - o ( t ) l 一盟( 2 9 ) q ( o )o ( o ) 如果转移损失率定义为： ：盟 ( 2 1 0 ) 0 q ( o ) 则转移效率与损失效率问的关系为： n = 1 一e ( 2l1 ) 理想情况下n 应该等于1 ，但实际上电荷在转移中总是有损失的，所以n 总是小 于1 的( 常为0 9 9 9 9 以上) 。一个电荷q ( o ) 的电荷包，经过n 次转移后，所剩 下的电荷q ( n ) 为： q ( n ) = q ( o ) n “( 2 12 ) 这样，经过n 次转移前后电荷之间的关系为( 当e 很小时) ： 电子科技大学硕士论文 绁。e - n ( 当。很小时) ( 2 13 ) q ( o ) 影响电荷转移效率的主要因素是界面态对电荷的俘获。为此，常采用“胖零” 工作模式，即让“零”信号下也有一定的电荷。 响应率 响应率是表征c c d 光电转换特性的重要参数，一般用凡表示： r e = q 。( c j ) ( 2 j4 ) e 式中q 表示光敏元势阱中收集的电荷量，e 表示入射到光敏元上的光能量。显 然响应率与入射光频谱有关。 暗电流 c c d 传感器在无光照射或无电流注入情况下的输出信号即称为暗电流。暗 电流的根本起因在于半导体的热激发，具体有三个来源：( 1 ) 出于耗尽区里产 生的复合热激发，( 2 ) 耗尽区边缘的少子热扩散，( 3 ) 界面上产生中心的热激 发。应浚尽量减少暗电流，因为暗电流不但带来噪声也会降低势阱的容量。 噪声特性一灵敏度 c c d 的噪声主要有散粒噪声、转移噪声、热噪声等。其中，转移噪声是由 转移损失及界面俘获引起的，而不是“白噪声”。来自c c d 器件内部的噪声通 常可以利用改变器件内部结构及提高工艺水平来消除。而来自外部的噪声，如 背景噪声却不太容易消除，因为c c d 的信号是整帧输出的。灵敏度定义为器件 暗输出电压所对应的曝光量，高达o 0 1 勒克司( i x ) 。 动态范围 动态范围是表征器件探测光信号大小相对范围的参数，常用曝光量与噪声 等效曝光量之比表示，一般在1 0 0 0 以上。 响应时间 一般况耗尽区的光电响应以及势阱中电荷的收集都是在极短的时间内完成 的，当势阱完成电荷收集后，立即就由驱动脉冲将势阱中的电荷转移，以便减 小内部噪声对电荷的干扰机会。所以，c c d 的响应时间主要与驱动脉冲的频率 有关。脉冲频率一般在m h z 以上，故c c d 的响应时间约在us 量级。 2 0 电子科技大学硕士论文 第三章a p t 系统原理及关键技术 快速、精确的捕获、瞄准和跟踪( a p t ) 技术，是保证实现空间远距离光通 信，尤其是星际间光通信的必要核心技术。它需要获得的跟瞄精度非常高，同时 它所要抑制和消除的外部干扰在一个很宽的频率范围内，且幅值很大，从而决 定了它是一个高精度、高带宽的精密跟踪系统。另外，空间光通信系统的通信 信号光束发散角非常小，如果用信号光束进行捕获、瞄准和跟踪非常困难，所 以，要完成这一过程采用信标光来完成，而信号的接收由信号光来完成。 a p t 系统的功能是在接收端探测发射端发出的信标光，并对之进行捕获、瞄 准和跟踪，然后返回一信标光到发射端，借以完成点对点的锁定，在两端之间建立 通信链接。之后，双方用通信光束开始传输数据，实现通信。在整个通信过程中， 这一链接需要一直保持对准和捕获。为此，用通信光束来代替信标光束，继续维持 跟踪，直到通信结束。如果因某种原因，链接断开，这就需要a p t 系统尽快地重新 进行捕获、瞄准和跟踪。 a p t 系统的性能和跟瞄精度对拯个通信过程的成败有着至关重要的影响。 设发射端激光器的平均功率为p ，发射天线效率nt ，光束发散角为p ，接收端的 有效接收面积为a ，接收天线效率r tr ，两端距离为z ，则接收端接收到的光功率 p s 为： 只：掣( 3 1 ) 8 。z 光束发散角1 3 与接收端有效接收面积a 的关系为： p = 去 z ， 式中九为激光波长。 从上面的关系式可知，为使接收端接收到的能量最大，传输光束应尽可能的 窄。然而，光束宽度受到瞄准误差的限制。如果瞄准误差为e ，那么光束宽度必 须大到足以包含这个2e 误差，否则传输就可能失败，或者传输的数据就不可靠， 即误码率( b i te r r o rp r o b a b i l i t y ) 无法满足要求。这意味着系统的跟瞄精度应优于 光束宽度的一半。对于一个典型的卫星激光通信系统来说，其光束宽度约为1 0u t a d ，因此跟瞄精度必须优于5ur a d 。在实际设计中，跟踪精度一般应优于2pr a d ， 瞄准精度应优于1ur a d ”1 。这样高的跟瞄精度，加上复杂的工作环境以及可靠性 电子科技火学硕士论文 的要求，决定了a p t 系统的设计和实现是卫星激光通信系统中的一项非常关键 且难度很大的工程技术。 3 1a p t 系统的组成及工作原理 空间光通信中的a p t 系统一般采用复合控制系统结构，它可分为以下几个 部分：粗瞄准机构、精瞄准机构、超前瞄准机构、捕获及跟踪探测器、控制及 探测器电子学系统，见图3 1 1 0 , 2 ( 1 , 2 1 , 2 2 , 2 ：1 。 图3 1 空间光通信a p t 系统框图 3 1 1 粗瞄准机构 粗瞄准机构主要包括一个万向架和安装在上面的望远镜，一个中继光学机构 一个捕获探测器，套万向架角传感器设备，以及万向架伺服驱动电机。 在捕获阶段，粗瞄准机构工作在开环方式下。它接收命令信号( 该命令信号由 对方通信