陳韻，于笑楠，江倫，張家齊，佟首峰

（長春理工大學 光電工程學院，長春 130022）

近年來，隨著空間激光通信技術的不斷發(fā)展，其在全球通信應用中的需求也愈發(fā)迫切［1-2］。由于微納衛(wèi)星具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短的特點，使其在空間激光通信領域展現(xiàn)出良好的應用前景［3］。依據(jù)國外微納衛(wèi)星平臺振動功率譜分析，近距離激光鏈路波束寬度為毫弧度量級，平臺在中高頻范圍內所引起的微弧度量級振動可忽略不計［4］。為了抑制衛(wèi)星平臺振動以建立穩(wěn)定的激光鏈路，瞄準捕獲跟蹤（APT）系統(tǒng)是關鍵。

由于微納衛(wèi)星自身體積功耗有限，無法搭載大質量、高功耗的通信終端，需選用微納器件作為激光通信終端的APT系統(tǒng)。APT系統(tǒng)主要由綜合控制單元、光學天線、伺服瞄準機構及光敏位置探測單元等組成。為了實現(xiàn)高精度、大視場、小體積、低功耗的APT系統(tǒng)，伺服瞄準機構與光敏位置探測單元是關鍵。四象限探測器以其響應速度快、靈敏度高和寬光譜范圍等特點，通常被選用作為精跟蹤光敏位置探測單元來確定光斑質心［5］。MEMS振鏡憑借其轉動范圍大、響應速率快、執(zhí)行精度高、體積小的優(yōu)勢，是目前伺服瞄準機構中比較理想的驅動元件。對于精跟蹤光斑探測器，其跟蹤視場受到跟蹤檢測分辨率、天空背景光和捕獲時間等因素限制。為了減小捕獲時間，提高捕獲概率，應盡量增加跟蹤視場角。當接收信標光斑較小時，不但對跟蹤視場角的要求降低，而且小光斑的光束能量更為集中，更利于探測器的檢測，增加跟蹤精度［6-8］。

本文首先從不同光斑大小對跟蹤精度影響入手，研究了其理論基礎，分析了光斑大小對四象限探測器跟蹤精度的影響，并根據(jù)實際系統(tǒng)分析了高斯模式的光斑，針對小光斑對QD跟蹤通信系統(tǒng)的影響，設計了一種小光斑捕獲跟蹤算法，并考慮系統(tǒng)的小型化、工程化的要求，設計了一套基于QD和MEMS振鏡伺服通信一體化系統(tǒng)的微納激光通信終端，進行了捕跟實驗驗證，并給出了相應實驗結果。

1 光斑檢測精度分析

四象限探測器可看作四個性能相同的光電二極管，并按照四個象限的形式要求排列而成的光電探測器件［9］。照射到探測器靶面上的光斑被分成四個部分，其面積記為SA、SB、SC、SD。面積大小與四個象限接收的光功率PA、PB、PC、PD以及四象限輸出的電壓UA、UB、UC、UD成正比。一般采用光斑質心算法判別光斑中心［10-11］。

如圖1所示，以QD的中心為坐標原點，十字溝道作為坐標軸建立直角坐標系，外圓為四象限探測器的感光靶面，R為其半徑；內圓為光源光斑，r為其半徑，O為四個象限的坐標原點，O′(x0,y0)為光斑中心的實際位置。

圖1 光斑與QD靶面位置示意圖

設Δx、Δy分別為橫向和縱向的脫靶量，則脫靶量、光斑分布面積、四個象限接收光功率以及四個象限輸出的電壓關系為：

式中，I(x,y)為坐標(x,y)處的光強；I0為峰值光強；ω為光束半徑。由上式可知當單位峰值光強I0一定時，光束束腰半徑與光斑強度呈正比。

在實際應用中激光光源照射到四象限探測器光敏面上的光斑光強分布可視為高斯分布，一、三象限輸出的光電流與二、四象限輸出的光電流為：

因此光斑質心所在位置的x坐標Dx為：

由上式可知探測器所得位置橫坐標Dx與坐標(x,y)所在處光強I(x,y)有一定關系。利用Matlab進行光斑強度與四象限探測器理論計算偏移量關系的數(shù)值仿真，設感光靶面半徑R=4，光斑半徑r=1，單位峰值光強I0，通過束腰半徑表征光斑強度，分別選擇束腰半徑ω=0.5、1、2、3，可得其理論計算偏移量和實際偏移量的關系曲線如圖2所示。

圖2 光斑強度與探測靈敏度Matlab仿真曲線

由關系曲線可知，隨著光斑的束腰半徑增大，光斑脫靶量與實際偏移量越來越接近，曲線斜率隨著光斑束腰半徑的增大而減小。隨著高斯光斑束腰半徑的減小，理論計算偏移量與實際偏移量的關系曲線斜率越來越大，即四象限探測器的靈敏度增大。

2 系統(tǒng)組成與算法設計

2.1 系統(tǒng)組成

激光通信載荷主要由綜合控制分系統(tǒng)、收/發(fā)光學分系統(tǒng)、APT分系統(tǒng)組成，可完成全雙工通信跟蹤功能，其光學架構與伺服系統(tǒng)結構如圖3所示。APT分系統(tǒng)由四象限探測器、模擬/數(shù)字（A/D）轉換、數(shù)字/模擬（D/A）轉換、振鏡驅動單元、MEMS振鏡等單元組成。四象限探測器使用800 nm紅外波段QA4000型號，選用808/850 nm波段激光器作為發(fā)射光源。伺服執(zhí)行機構選用MEMS振鏡，靶面直徑為5 mm，最大偏轉角度為±5°，16位分辨率。綜合控制單元采用ARM公司的STM32F103芯片作為主控單元，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。通過QD+MEMS振鏡的組合實現(xiàn)伺服通信一體化設計，最大程度上減小了激光通信載荷的體積功耗，載荷體積為98 mm×98 mm×60 mm，質量為622 g，穩(wěn)態(tài)功耗5.5 W。整機設計視場50 mrad，捕獲不確定區(qū)域20 mrad，發(fā)射束散角5 mrad，QA4000探測器靶面直徑4 mm，到達探測器靶面光斑直徑為1 mm。

圖3 微納激光通信終端光學架構與伺服系統(tǒng)結構示意圖

2.2 捕獲跟蹤算法設計

依據(jù)仿真結果，在選擇光斑大小時，既要考慮QD的檢測靈敏度，又要兼顧其動態(tài)跟蹤范圍。實際應用時，一般選擇光斑大小為QD光敏面尺寸的一半，具有較高的檢測靈敏度和較寬的動態(tài)檢測范圍。但是由于縮小光斑半徑對提高QD探測靈敏度有較大影響，擬采用減小光斑半徑的方法提高QD探測靈敏度。此時光斑能量在QD視場內分布情況如圖4所示，并據(jù)圖4中的3種能量分布情況設計了光斑半徑小于四分之一探測器靶面時的捕獲算法。

圖4 QD視場內光斑能量分布情況示意圖

微納衛(wèi)星激光通信終端光電跟瞄系統(tǒng)的捕獲跟蹤算法首先采用凝視-掃描的全光捕獲方式，再利用QD跟蹤通信復合探測技術，完成整個捕獲跟蹤過程。在光端機光軸實現(xiàn)初始指向以后，跟蹤振鏡在目標不確定區(qū)域內進行矩形螺旋掃描，逐漸縮小不確定區(qū)域范圍，直到目標進入跟蹤視場建立光閉環(huán)鏈路。捕獲算法邏輯框圖如圖5所示。

圖5 捕獲算法流程框圖

根據(jù)式（1）、式（2）計算結果可知，若通過Δx、Δy來控制光斑維持在QD靶心位置，需滿足光斑在四個象限均有分布的條件。首先，根據(jù)QD輸出電壓值大小判斷視場內光斑能量分布情況，當QD四象限均有電壓值輸出時，說明光斑能量在四個象限均有分布，此時直接依據(jù)解算的脫靶量Δx、Δy大小控制伺服執(zhí)行機構完成光束跟蹤；當QD僅有兩個象限輸出電壓值時，說明光斑能量分布于兩個象限之間，此時控制伺服振鏡使光斑沿著能量較低的兩個象限方向掃描，直至4個象限都出現(xiàn)電壓輸出，此時完成光斑捕獲，開啟光束跟蹤模式；當QD僅有一個象限輸出電壓值時，說明光斑能量僅位于單一象限，此時控制伺服振鏡使光斑沿x軸方向掃描直至兩個象限都有電壓輸出，然后依據(jù)第二種情況的處理方式完成光斑捕獲。

3 實驗

3.1 激光通信實驗平臺

搭建室內激光通信實驗系統(tǒng)測試微納激光通信終端跟蹤功能，實驗示意圖如圖6所示，實驗實物圖如圖7所示，激光通信載荷搭載于二維精密云臺上，通過云臺調整方位俯仰方向以模擬衛(wèi)星平臺粗指向功能。通過計算機模擬星務計算機與激光通信載荷通信，向通信載荷發(fā)送捕獲跟蹤指令并接收QD脫靶量信息完成激光通信載荷工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。

圖6 跟蹤實驗示意圖

圖7 微納激光通信終端捕獲跟蹤測試實物圖

3.2 捕獲跟蹤實驗

通過底部的二維精密云臺模擬粗指向功能，兩端的微納激光通信終端使用MEMS振鏡完成粗精復合系統(tǒng)對光斑進行跟蹤，圖8顯示了閉環(huán)跟蹤過程中MEMS振鏡x軸、y軸執(zhí)行量的變化以及QD解算的脫靶量變化曲線。圖8和圖9中橫軸為實驗時間采樣點，采樣間隔10 ms，圖8縱軸為MEMS振鏡的x、y軸執(zhí)行偏轉角，圖9縱軸為QD解算的脫靶量值。圖中1 870 ms與3 140 ms處的兩次階躍響應曲線推測為兩端激光載荷開啟跟蹤模式的時刻不同所導致的，由圖可知伺服系統(tǒng)執(zhí)行開始至完成捕獲用時2.2 s。

圖8 閉環(huán)跟蹤過程振鏡執(zhí)行量

圖9 光斑脫靶量變化曲線

待完成光斑捕獲后，開啟跟蹤模式，得到系統(tǒng)跟蹤曲線。圖10給出了伺服振鏡在跟蹤狀態(tài)下x軸與y軸的執(zhí)行量，圖11—圖12給出了跟蹤狀態(tài)下QD解算跟蹤誤差曲線。圖10—圖12中，橫軸均為實驗時間采樣點，采樣間隔10 ms，圖10縱軸為MEMS振鏡的x、y軸執(zhí)行偏轉角，圖11—圖12縱軸為QD解算的脫靶量值。

圖10 跟蹤狀態(tài)MEMS振鏡x、y軸執(zhí)行角度

圖11 跟蹤狀態(tài)x軸QD解算脫靶量

圖12 跟蹤狀態(tài)y軸QD解算脫靶量

對圖11、12光斑脫靶量進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到統(tǒng)計柱狀圖，如圖13所示。由圖可知x軸跟蹤誤差為83.892 μrad（3σ），y軸跟蹤誤差為83.520 μrad（3σ）。

圖13 跟蹤模式下x軸QD解算脫靶量數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖

室內實驗結果表明基于QD與MEMS振鏡的大視場小光斑的捕獲跟蹤算法可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，伺服系統(tǒng)運行良好，能夠保證激光通信鏈路的穩(wěn)定性。

圖14 跟蹤模式下y軸QD解算脫靶量數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖

4 結論

根據(jù)四象限探測器在空間激光通信跟蹤通信一體化的特點，設計了一套基于QD與MEMS振鏡為結構的微納激光通信終端，完成了全雙工全光捕獲跟蹤實驗。主要工作完成如下：（1）以QD與MEMS振鏡為伺服系統(tǒng)搭建了兩套微納激光通信終端，整機體積98 mm×98 mm×60 mm，質量622 g；（2）設計了一套大視場、高精度的小光斑捕獲跟蹤算法；（3）以STM32作為主控單元，完成脫靶量解算與伺服控制；（4）搭建激光通信實驗平臺，完成全光捕獲跟蹤實驗與跟蹤誤差分析，捕獲時間2.2 s，跟蹤誤差84 μrad。