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空间激光通信旋转双棱镜光束指向系统偏差修正方法研究

邱赛  
【摘要】:当今社会,微波通信广泛应用于各行各业中,但随着技术的发展,人类社会需要的信息传输量日益增大,对于信息传输速度与传输容量的要求越来越高,微波通信并不能很好的满足人们的通信需求,相比于微波通信,波长更短,信息容量更大的激光通信逐渐兴起,并得到了广泛的应用。激光通信采用光作为信息载体,进行信息传输,通过捕获、对准、跟踪(APT)技术,建立并保持通信链路,保证整个通信系统的通信质量,因此APT技术对于激光通信系统尤为重要。传统的APT技术所用的指向机构有两种,分别为万向式指向机构和快反式指向机构,万向式指向机构采用电机带动两个正交的转动轴,可实现任意角度旋转,扫描范围较大。但万向式指向机构的缺点也很明显,万向式指向机构质量普遍偏大、体积大、转动惯量大,精度比较低,因此万向式指向机构普遍应用于激光通信的粗跟踪系统中。而快反式指向机构,采用音圈电机作为动力源,音圈电机通常只需带动一面质量比较轻的平面镜,因此快反式指向机构质量比较小,体积小,转动惯量小,指向精度比较高。但快反式指向机构的转动角度比较小,扫描范围较小,通常应用于激光通信的精跟踪系统中。现代的激光通信系统,一般采用万向式和快反式结合的指向机构,其具有扫描范围大,指向精度高等优势。但由于采用了万向式指向机构,它同样继承了万向式指向机构质量大、体积大、转动惯量大的缺点。空间激光通信对设备的质量、体积、转动惯量要求比较严苛,万向式与快反式结合的指向机构并不能很好的满足空间激光通信的需求。而旋转双棱镜指向机构采用两块独立旋转的棱镜实现光束的偏折,可在较小体积下实现大范围的扫描,旋转双棱镜式指向机构比万式指向机构更适用于空间激光通信环境。万向式和快反式的均为线性系统,其光束指向位置与电机转角的关系比较简单,而旋转双棱镜系统光束出射角与两棱镜转角为非线性关系,其指向规律比较复杂,光束出射角解算比较困难,此外,旋转双棱镜系统中存在的多种误差源也加大了光束出射角解算难度,这些因素在某种程度上限制了旋转双棱镜系统的广泛应用。旋转双棱镜系统出射光束的传统解算方法一共有两种,分别为一级近轴近似方法和非近轴光线追迹方法。一级近轴近似方法将棱镜视为顶角很小的光楔,光束在棱镜主截面内光束在棱镜主截面内偏转恒定的角度,双棱镜系统对光束总偏转角度为两棱镜偏转角度的矢量和。由于本方法采用了近轴条件下的薄棱镜近似,因此在远离光轴的区域,实际旋转双棱镜指向位置(即实际指向位置)与计算得到的出射光束指向位置偏差较大。非近轴光线追迹方法则无需考虑棱镜的形状,采用矢量形式对光束在旋转双棱镜系统的传播过程进行建模,根据折射定律,分析光束矢量在各个折射面上的折射规律,最终解算出旋转双棱镜出射光束指向位置。相比于一级近轴近似方法,非近轴光线追迹方法解算的光束位置更为精确。以上两种解算方法均未考虑旋转双棱镜系统中存在的误差源,它们计算的是理想情况下的光束指向位置。然而实际工程应用中,不可避免地引入系统误差源,对指向结果造成影响,因此本文对误差影响下的旋转双棱镜指向系统展开研究,并提出相应的修正算法修正旋转双棱镜系统的光束指向偏差。本文首先建立简单的旋转双棱镜原理验证系统,采用现有的模块进行组合,但未控制系统误差源,在短时间内搭建出旋转双棱镜原理验证实验平台,用于验证旋转双棱镜控制原理以及简单分析对出设光束影响较大的误差源。在原理验证系统搭建经验基础上,设计并搭建了旋转双棱镜偏差修正系统,此系统在设计上进行了优化,且设计了调整结构,便于在装调时减小系统误差。由于偏差修正系统设计更为合理,实验条件更为完善,本文仅在偏差修正系统中验证修正算法有效性。本文的误差分析和偏差修正均采用精度较高的偏差修正系统作为实验系统,首先对修正系统中各个误差源测量和分析,选出系统中对光束出射角有影响的误差因素,参考非近轴光线追迹解法的建模过程,将误差加入到光束指向模型中,根据矢量传播原理建立误差指向模型,并对各个误差求偏导分析,根据测量的误差数据,计算各个误差源对出射光束指向的影响。在误差分析后,本文提出两种修正算法对旋转双棱镜系统进行修正,分别为补偿棱镜转角修正方法和误差指向模型修正方法。补偿棱镜转角修正方法中,对比理想条件(没有误差源)下的指向区域和误差影响下的指向区域,两者基本重合,因此补偿棱镜转角修正方法采用非近轴光线追迹解法建立的修正模型,通过补偿两棱镜旋转角,将实际光束指向修正至理论光束指向位置,即非近轴光线追迹方法计算的光束指向位置。相比于补偿棱镜转角修正方法,误差指向模型修正时,详细分析了系统中存在的各个误差因素,并且这些误差均包含在误差指向模型中,在忽略随机误差情况下,理论上误差指向模型修正方法可修正所有的系统误差。误差指向模型修正方法选择误差分析结果中对出射光束影响较大的误差源,建立这些误差源与出射光束偏差间的全微分方程,采用二次函数拟合误差源变化规律,并采用最小二乘法进行回归计算各个参数,获取误差源拟合函数,整合至误差指向模型中修正光束指向偏差。采用MATLAB对上述两种修正方法进行修正,MATLAB仿真表明,补偿棱镜转角修正方法可有效修正旋转双棱镜指向误差;误差指向模型修正方法在进行最小二乘法计算的误差源参数计算时,获得的误差源拟合方程代入误差指向模型未能修正指向误差,经分析,拟合方程存在较多的未知数,不确定性较高,需采用其他拟合方法进行回归拟合。本文仅对MATLAB仿真通过的补偿棱镜转角修正方法应用于修正实验。经实验验证,补偿棱镜转角修正方法可有效修正指向误差,在99.57%指向区域中,将指向精度由0.1401°提高至0.0893°,将偏差最大值由1.8742°减小至1.4753°,有效修正了系统指向偏差。


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