机载无线激光通信对准-捕获-跟踪系统及动态飞行试验研究

机载无线激光通信具有通信速率高、抗干扰能力强、保密性好、布置灵活等优点,在天地一体化高速信息网络、军用保密通信、电磁干扰环境下可靠通信等应用中有着广阔前景。为解决机载环境下激光通信光轴对准难题,通过对无线激光通信系统特点和Y-12型飞机平台特性的分析,采用粗、精两级复合跟踪方案,设计了由被动减震结合主动抑制的粗跟踪单元和电磁振镜精跟踪单元组成的机载无线激光通信对准、捕获、跟踪(PAT)系统。Y-12飞机搭载该系统开展了双固定翼飞机间远距离、高速机载激光通信试验,验证了所设计的机载无线激光通信PAT系统的跟踪性能和机载环境适应性。

一种提升单探测器复合跟踪中粗跟瞄子系统预测精度和稳定性的方法

针对单探测器复合轴粗跟瞄预测过程中数据利用率不高的问题,提出了基于卡尔曼滤波和最小二乘法的实时预测方法,并通过实测振动数据进行仿真验证。结果显示:随着步长的增加,数据点之间的关联性降低,导致预测准确性和稳定性下降;数据利用率的提高又会增加数据点关联性,提升预测准确性和稳定性。在预测步长为25 ms即数据利用率为75%的情况下,达到预测误差最小和稳定性最优的平衡点。

移动场景下无线紫外光自动捕获对准跟踪系统

为了解决复杂地形和实际应用中移动设备间的通信问题,针对紫外光可进行非直视的特点,本文提出了一种移动场景下无线紫外光通信自动捕获对准跟踪的算法,并搭建以ARM为主处理器,控制电机进行转动的同时进行通信的硬件电路系统。该系统测试了算法的可行性,重点分析了捕获时间与主从节点间移动速度和主从节点间间隔距离的关系,证明该系统在主从节点20m范围内,主从节点移动速度不超过0.3m/s时能够较好的实现移动场景下的无线紫外光自动捕获对准和跟踪。

大气激光通信中稳定跟踪技术研究

为了研究大气激光通信中稳定跟踪所采用的器件及有效跟踪方法,分析了光束定位探测器件(电荷耦合器件和四象限光电探测器)的灵敏度特性,结合影响大气激光通信跟踪系统性能的五种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理.对质心跟踪算法和形心跟踪算法定位准确度的影响进行分析,得到在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论,并通过实验进行了验证.

基于自校正控制的空间光通信精跟踪系统设计

针对空间光通信捕获、跟踪、对准(acquisition,tracking,pointing,ATP)系统的精跟踪单元高度复杂、被控对象参数模型难以精确获得、存在慢变化随机干扰的特点,提出采用自校正PID(proportional,integral and derivative)控制来设计精跟踪的控制器,改善了系统动态性能,增强了系统对不确定因素的适应性。采用遗忘因子递推最小二乘法来进行参数辨识,能在线调整适应对象参数的变化,增强了系统的适应性和鲁棒性。通过仿真验证了算法的控制性能和参数辨识效果,算法的实时性也满足系统设计的要求。给出了ATP精跟踪系统的设计框图,进行了2.3 km的精跟踪实验。实验结果表明精跟踪系统采用自校正PID控制有较好的跟踪精度。

光斑缺碎情形下光学天线光轴对准实验研究

针对同时存在方位偏移及俯仰误差的情况,提出了一种适用于捕获、对准与跟踪系统的光斑检测方法.分析了破碎光斑与高斯完整光斑的位置误差;解决了当光束存在漂移、入射光束与天线视轴不平行同时存在而四象限探测器无法分别探测的问题.最后实验验证了本文方法的有效性,提高了检测的准确度.

大气激光通信光斑图像的快速复原与实时检测

针对大气湍流对激光通信中对信标光的捕获、跟踪与对准(ATP)的影响,提出了基于盲解卷积的快速复原与实时检测算法。采用一维点扩散函数重新构造方位退化模型,取代了原有经典二维退化模型;改进了约束共轭梯度算法中的约束算子,并通过改进的共轭梯度迭代算法求得对原始图像的估计;最后通过连通域计算提取估计结果中的光斑中心位置。采用现场可编程门阵列和数字信号处理器实现所提出的共轭梯度算法并提取光斑中心位置,满足了系统实时性要求。实验表明,所提出的快速复原算法能够实时复原分辨率为200pixel×200piexl,帧频为100 Hz的光斑图像,所提取的信标光光斑中心位置与事后计算结果的误差小于1pixel,能够满足激光通信系统对信标光的实时跟踪要求。

机载激光通信环境适应性及关键技术分析

首先介绍了机载激光通信系统的重要地位和国内外发展概况,重点阐述了机载激光通信系统特殊的外部环境约束条件,并对机载激光通信系统中的主要关键技术进行分析,最后指出了机载激光通信系统应用方向和发展趋势。

基于GPS的星地激光通信捕获对准研究

提出了基于GPS坐标解算实现星地激光通信捕获、跟踪和对准(ATP)初始捕获的方法。星地激光通信信标光跟踪系统通过对地面GPS坐标和卫星坐标的解算,得到地面光学天线的方位角和俯仰角,光学天线根据角度旋转对准信标光,从而将信标光引入粗跟踪CCD的视场。给出了GPS坐标解算算法和信标光方向角度随卫星坐标变化的仿真曲线。用二维电机进行了地面转台的捕获实验,对实验数据进行了捕获精度的分析,结果表明,通过GPS坐标解算能够快速地实现信标光的初始捕获。

基于改进卡尔曼滤波的激光补给无人机跟瞄方法研究

激光供能为无人机长时间工作提供了保障,但是激光供能对捕获、跟踪和对准(APT)系统具有较高的要求。本文针对无人机距离地面补给站远、激光跟踪延迟、无人机供给能量不足等问题,提出一种基于自适应卡尔曼滤波算法,采用当前统计模型构建,通过残差检测对无人机模型进行实时的修正,加快位置更新速度,实现激光对无人机的最优跟踪。经过仿真表明,传统卡尔曼滤波算法的误差角度在0.2°左右,本方法的误差角度在0.1°以内,能实现较好的跟踪效果。

利用二维反射镜实现无线光通信快速对准

针对无线光通信存在光束对准耗时长的问题,提出一种发射端采用图像跟踪,接收端采用二维反射镜控制的光束快速对准方法。依据几何光学理论计算了激光经二维反射镜后出射的扫描轨迹,并在无线光通信强度调制/直接检测系统上开展实验。实验结果表明:当通信距离为1.3km时,光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的12.5734pixel^(2)(5.1393pixel^(2))降至跟踪后的2.2770pixel^(2)(1.3697pixel^(2)),探测器输出电信号的幅值为92.4mV;当通信距离为10.3km时,光斑型心在x(y)方向的方差由跟踪前的18.8653pixel^(2)(10.5290pixel^(2))降至跟踪后的14.4970pixel^(2)(8.0287pixel^(2)),探测器输出电信号的幅值为74.4mV。所提方法无需将控制信号由接收端回传至发射端,在快速建立下行链路的同时即可实现上行链路的建立。

大气激光通信中稳定跟踪器件及算法研究

在大气激光通信中捕获对准跟踪(APT)是通信成功的前提。对空间激光通信中的捕获对准跟踪系统常用的两种光束定位探测器件CCD和四象限光电探测器(QD)的特性进行了深入分析,研究了影响大气激光通信跟踪系统性能的5种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理及对应仿真结果。结合大气湍流和探测器,针对质心跟踪算法和形心跟踪算法进行深入分析,得到并实验验证了在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论。

基于前馈补偿的空间光通信精跟踪控制研究

针对空间光通信精跟踪系统存在非线性、时延滞后的特性而难于建立精确的数学模型,设计了基于前馈补偿的模糊比例、积分和微分(PID)控制系统。采用camera-link接口的高帧频可开窗口CMOS相机和大规模FPGA芯片,设计了精跟踪处理控制平台。将图像处理、前馈补偿和模糊PID控制等功能全部集成在FPGA芯片内部,大大降低了系统体积和成本;将模糊PID与前馈补偿相结合,极大提高了系统的控制精度和抑制外部干扰的能力。测试结果表明,该系统稳定精度高、抗干扰能力强。