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星间激光链路中畸变光斑复原算法的研究

佟玲  
【摘要】:卫星激光通信技术具有传输数据率高、保密性好、终端体积小、功耗低等突出优势,具有良好的应用前景,因此成为国内外科研机构的重点研究项目。在卫星激光通信过程中,对光束进行快速捕获和稳定跟踪,是建立和保持稳定通信链路过程中至关重要的环节,这两个步骤取得成功的关键在于对探测器上光斑的精准定位。在星间激光通信链路中,由于通信距离十分遥远,接收端接收到的光束近似为平行光,由于卡塞格伦光学系统在空间环境中受到温度非均匀变化带来的影响,镜片会发生热形变,镜片面型的改变会对传输光束造成波前畸变,探测器上接收到的光场能量分布就会发生变化,此时定位算法计算的光斑质心便会产生误差,对光束捕获和跟踪过程带来不利影响。在本文中,针对星间激光通信链路中,由于光学系统热形变带来的波前畸变引起定位误差的问题,提出复原算法对光斑的质心进行校正,在位置信息方面对畸变光斑图像进行恢复。首先通过对成像过程进行分析,基于夫琅禾费远场衍射规律和泽尼克多项式对波前函数的描述,建立波前畸变光斑光场分布模型;接下来在模型和探测到的图像之间建立目标函数,使用共轭梯度法对波前相位中的泽尼克多项式系数进行求解;最后基于波前畸变光斑模型和灰度质心定位算法,在光斑畸变前后的质心位置之间建立联系,对畸变光斑质心位置进行校正,最终实现对波前畸变光斑在位置上的复原。文中使用MATLAB软件对混合各种初级像差的畸变光斑进行复原,验证算法对光斑的复原效果;并且使用Zemax光学设计软件对卡塞格伦光学系统主镜热形变后的面型畸变进行模拟,得到相应畸变面型下的光斑图像,验证复原算法对畸变光斑的复原效果。


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