梁靜遠(yuǎn)，陳瑞東，姚海峰，白 勃，曹明華，趙 黎，王 怡，鄧佳新

1 西安理工大學(xué)自動(dòng)化與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710048；2 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130013；3 中國(guó)計(jì)量大學(xué)信息工程學(xué)院，浙江 杭州 310018；4 蘭州理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院，甘肅 蘭州 730050；5 西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021；6 西安電子科技大學(xué)通信工程學(xué)院，陜西 西安 710119

1 引言

無(wú)線光通信同時(shí)具有微波通信和光纖通信的優(yōu)點(diǎn)[1]，是在實(shí)現(xiàn)空基、天基和陸基等通信鏈路的重要手段之一[2]，在軍事保密通信、應(yīng)急救援通信等領(lǐng)域具有廣闊發(fā)展前景。但由于機(jī)械抖動(dòng)和大氣信道中各種不確定性因素(如大氣湍流、雨、雪、揚(yáng)塵等)的影響，造成接收端光斑位置偏移甚至丟失光斑信息，從而使系統(tǒng)誤碼率增大，最終導(dǎo)致通信系統(tǒng)性能下降，給無(wú)線光通信鏈路的建立和保持帶來(lái)了困難[3]。因此，需要建立一套捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤(acquisition,pointing and tracking,APT)系統(tǒng)來(lái)防止通信鏈路中斷。在無(wú)線光通信系統(tǒng)中，要求搭載發(fā)射端和接收端的兩個(gè)平臺(tái)上的光學(xué)元件實(shí)時(shí)共視軸，這個(gè)過程通常稱為自動(dòng)瞄準(zhǔn)[4]。無(wú)線光APT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示，APT 系統(tǒng)包括粗、精跟瞄結(jié)構(gòu)及其伺服單元，在收發(fā)雙方完成初始指向后，信號(hào)光和信標(biāo)光經(jīng)過合束鏡后通過發(fā)射天線準(zhǔn)直發(fā)射輸出，由接收端的捕獲裝置開始掃描合成光束完成捕獲工作；位于接收端的分束鏡將經(jīng)過接收端的光束分別引導(dǎo)至跟蹤探測(cè)器和通信探測(cè)器；當(dāng)光束照射在接收端探測(cè)器感光面上，在伺服機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)下使收發(fā)兩端視軸瞄準(zhǔn)；最后根據(jù)接收端實(shí)時(shí)反饋的光斑信息，粗跟蹤結(jié)構(gòu)調(diào)整光束的方向令其垂直入射探測(cè)器中心，精跟蹤結(jié)構(gòu)進(jìn)一步消除未經(jīng)粗跟蹤結(jié)構(gòu)消除的跟蹤殘差，保證收發(fā)兩端視軸實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)。

圖1 無(wú)線光通信APT 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[5]Fig.1 Optical wireless communication APT system diagram[5]

本文介紹了無(wú)線光通信系統(tǒng)APT 方面的國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展和歷程，歸納總結(jié)了西安理工大學(xué)在該領(lǐng)域取得的研究成果，并根據(jù)現(xiàn)有的研究理論對(duì)APT 系統(tǒng)在無(wú)線光通信中的應(yīng)用前景和研究方向進(jìn)行了展望。

2 國(guó)外研究進(jìn)展

APT 系統(tǒng)是無(wú)線光通信系統(tǒng)中不可或缺的一部分，其作用是確保發(fā)射端與接收端光束完全實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)，從而建立穩(wěn)定的無(wú)線光通信鏈路。APT 系統(tǒng)的發(fā)展歷程與無(wú)線光通信系統(tǒng)的發(fā)展歷程幾乎是同步的。20 世紀(jì)70 年代，美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室(Jet Propulsion Laboratory，JPL)就開展了關(guān)于空基無(wú)線光通信系統(tǒng)方面的實(shí)驗(yàn)研究，德國(guó)宇航局(Deutsches Zentrum für Luft-und Raumfahrt,DLR)、歐洲航天局(European Space Agency,ESA)、日本航天局(National Space Development Agency of Japan,NASDA)等機(jī)構(gòu)都相繼進(jìn)行了星地、空地光通信鏈路實(shí)驗(yàn)。

1985 年，NASDA 研 制 了LUCE (Laser Utilizing Communication Equipment)系統(tǒng)，該系統(tǒng)中用于對(duì)準(zhǔn)和跟蹤的探測(cè)系統(tǒng)由電荷耦合元件 (charge-coupled device,CCD)和四象限探測(cè)器組成。實(shí)驗(yàn)表明該系統(tǒng)在強(qiáng)震動(dòng)環(huán)境下其瞄準(zhǔn)和跟蹤精度均優(yōu)于1 mrad[6]。

1994 年，JPL 研發(fā)了激光通信演示(optical communication demonstrator,OCD)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了光束的快速、精確瞄準(zhǔn)和穩(wěn)定跟蹤，數(shù)據(jù)傳輸速率為250 Mb/s[7]。

1994 年，日本郵政省(Ministry of Posts and Telecommunications,MPT)研發(fā)了激光通信設(shè)備(laser communication equipment,LCE)。該系統(tǒng)粗跟蹤結(jié)構(gòu)采用面陣CCD 探測(cè)，粗跟蹤精度32 μrad。精跟蹤結(jié)構(gòu)利用四象限探測(cè)器測(cè)量光束的位置信息，其精度可達(dá)2 μrad，且具有200 Hz 的抖動(dòng)補(bǔ)償能力[8]。

1999 年，Biswas 等人設(shè)計(jì)了一種衛(wèi)星激光通信終端(lasercom communication terminal,LCT)，其采用獨(dú)立的發(fā)射和接收天線，捕獲傳感器采用面陣CCD，使用伺服轉(zhuǎn)臺(tái)進(jìn)行瞄準(zhǔn)和跟蹤，該系統(tǒng)在跟蹤模式下CCD 工作的幀頻可達(dá)1.6 kHz[9]。

2002 年，ESA 利用半導(dǎo)體激光器星間鏈路實(shí)驗(yàn)(semiconductor laser inter-satellite link experiment,SILEX)系統(tǒng)建立了星間的光通信鏈路，該系統(tǒng)采用粗精結(jié)合的復(fù)合軸對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)，分別由直流步進(jìn)電機(jī)和快速反射鏡組成，其跟蹤精度可達(dá)2 μrad[10]。

2004 年，Guelman 等人采用了一種兩級(jí)的分層系統(tǒng)控制，下層控制電光收發(fā)器的云臺(tái)；上層是一個(gè)快速閉環(huán)控制系統(tǒng)，以控制波束寬度和方向，實(shí)現(xiàn)了無(wú)人機(jī)對(duì)地面的激光通信[11]。

2004 年，美國(guó)麻省理工學(xué)林肯實(shí)驗(yàn)室與JPL合作研發(fā)了火星激光通信演示系統(tǒng)(Mars laser communications demonstration system,MLCD)。該系統(tǒng)采用光子計(jì)數(shù)探測(cè)器和望遠(yuǎn)鏡接收陣列結(jié)構(gòu)。采用組合瞄準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)，提高了瞄準(zhǔn)精度，系統(tǒng)的通信速率最高可達(dá)10 Mb/s[12]。

2010 年，DLR 設(shè)計(jì)了一種無(wú)信標(biāo)激光通信終端(laser communication terminal,LCT)。在瞄準(zhǔn)和跟蹤過程中不使用信標(biāo)光，只用二維伺服轉(zhuǎn)臺(tái)控制反射鏡進(jìn)行螺旋掃描捕獲信號(hào)光，降低了機(jī)載激光通信終端的復(fù)雜度，平均跟蹤誤差為226 μrad[13]。

2012 年，Schmidt 等人設(shè)計(jì)了一種小型激光通信終端，該系統(tǒng)由一個(gè)提供寬視場(chǎng)的物鏡和用于控制光束轉(zhuǎn)向鏡的驅(qū)動(dòng)器組成。該系統(tǒng)在能夠?qū)崿F(xiàn)快速瞄準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，提供46°的寬視場(chǎng)[14]。

2013 年，DLR 進(jìn)行了空對(duì)地?zé)o線光通信實(shí)驗(yàn)。機(jī)載激光終端包括粗瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)和精瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)可將湍流和微震動(dòng)對(duì)跟蹤精度的影響減小到200 μrad 以下[15]。同年，DLR 進(jìn)行了“狂風(fēng)”戰(zhàn)斗機(jī)與地面端之間的機(jī)載激光通信實(shí)驗(yàn)。通信鏈路距離為50 km，數(shù)據(jù)傳輸速率為1.25 Gb/s，飛機(jī)搭載的APT 系統(tǒng)終端可實(shí)現(xiàn)79 km 的穩(wěn)定跟蹤[16]。

2016 年，Quintana 等人設(shè)計(jì)了一種由CCD 相機(jī)構(gòu)成的粗跟蹤模塊以及由空間光調(diào)制器和位置傳感器(PSD)構(gòu)成的精跟蹤模塊協(xié)同工作的跟蹤系統(tǒng)，將該系統(tǒng)應(yīng)用于空-地激光通信試驗(yàn)。最終在300 m范圍內(nèi)建立了2 Mb/s 的光通信鏈路，誤碼率約為2×10?4[17]。

2020 年，Antonello 等人設(shè)計(jì)了一種用于在軌激光通信的高精度瞄準(zhǔn)和跟蹤系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用粗、精兩級(jí)瞄準(zhǔn)結(jié)構(gòu)，重量為1.8 kg，通過模擬外部干擾環(huán)境，測(cè)得系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)誤差小于10 μrad[18]。

本文所引用的國(guó)外研究進(jìn)展匯總?cè)绫? 所示。

表1 國(guó)外研究進(jìn)展Table 1 Research progress abroad

從上述研究進(jìn)展可以發(fā)現(xiàn)，自開展無(wú)線光通信APT 系統(tǒng)研究以來(lái)，其應(yīng)用場(chǎng)景逐漸從地面站發(fā)展到機(jī)載光通信平臺(tái)(文獻(xiàn) [7,11,13～17])和星間光通信平臺(tái)上(文獻(xiàn)[4～6,8～9,10,12,18])，對(duì)跟瞄系統(tǒng)的精度要求也隨之提高。

3 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展

20 世紀(jì)90 年代起，我國(guó)多家科研單位和高校在無(wú)線光通信領(lǐng)域展開了深入研究，在快速瞄準(zhǔn)系統(tǒng)、復(fù)合軸控制系統(tǒng)、機(jī)載激光通信系統(tǒng)取得了一定的成果。目前國(guó)內(nèi)主要的研究機(jī)構(gòu)有長(zhǎng)春理工大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中科院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所、武漢大學(xué)和西安理工大學(xué)等。

1999 年，劉澤金等人設(shè)計(jì)了一種無(wú)線光通信系統(tǒng)自動(dòng)瞄準(zhǔn)方案。該方案利用反射鏡作為光束穩(wěn)定機(jī)構(gòu)，消除了系統(tǒng)中存在的光束漂移和機(jī)械震動(dòng)造成的收發(fā)兩端光軸偏差[4]。

2005 年，艾勇等人設(shè)計(jì)了一種空間光APT 方案，該方案利用CCD 傳感器作為圖像處理器件，以數(shù)字信號(hào)處理器件DSP 控制驅(qū)動(dòng)復(fù)合軸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，角度測(cè)量的相對(duì)誤差約為1.3%[19]。

2007 年，佟首峰等人對(duì)復(fù)合軸粗跟蹤伺服帶寬進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，模擬進(jìn)行了星際間無(wú)線光通信實(shí)驗(yàn)。當(dāng)伺服帶寬為16 Hz 時(shí)，粗跟蹤誤差和精跟蹤誤差分別為60 μrad 和4 μrad[20]。

2008 年，潘高峰設(shè)計(jì)了一種上、下行鏈路自動(dòng)瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。通過調(diào)整傾斜反射鏡的角度使發(fā)射端與CCD 測(cè)角儀瞄準(zhǔn)，收發(fā)兩端光軸的瞄準(zhǔn)精度可達(dá)20.52 μrad[21]。

2011 年，宋延嵩等人分析了外界約束環(huán)境對(duì)機(jī)載激光通信系統(tǒng)的影響，實(shí)現(xiàn)了兩架飛機(jī)間的無(wú)線光通信實(shí)驗(yàn)，飛機(jī)飛行高度為700 m，通信速率為1.5 Gb/s[22]。

2013 年，錢鋒等人提出了一種新型光斑探測(cè)相機(jī)的設(shè)計(jì)方案，該方案以較高像元占空比的探測(cè)器為基礎(chǔ)，降低了噪聲對(duì)探測(cè)器定位精度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用該方案可將噪聲對(duì)系統(tǒng)的定位誤差降低至0.007 pixel 以下，滿足系統(tǒng)的要求[23]。

2015 年，孟立新等人設(shè)計(jì)了一種用于機(jī)載激光通信系統(tǒng)的粗、精復(fù)合跟蹤機(jī)構(gòu)，可消除平臺(tái)震動(dòng)。仿真結(jié)果表明，該系統(tǒng)的粗、精跟蹤精度分別優(yōu)于23.97 μrad 和7.03 μrad[24]。

2017 年，張?jiān)热嗽O(shè)計(jì)了一種復(fù)合跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行機(jī)載激光通信實(shí)驗(yàn)，利用單環(huán)比例-積分-微分(proportional-integral-derivative,PID)算法控制快速反射鏡，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的跟蹤精度為10 μrad[25]。

2019 年，蔡美華進(jìn)行了關(guān)于單探測(cè)型復(fù)合軸系統(tǒng)粗精指向瞄準(zhǔn)的研究，通過建立一種解耦模型來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)兩端的粗、精瞄準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明利用該方法系統(tǒng)的跟蹤精度可達(dá)9.69 μrad[26]。

2020 年，任斌等人研究了四象限探測(cè)器在光束捕獲和跟蹤系統(tǒng)中的應(yīng)用，通過計(jì)算四象限探測(cè)器上的光斑位置來(lái)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，利用該方案系統(tǒng)的跟蹤精度優(yōu)于3 μrad[27]。

2021 年，李千等人針對(duì)粗、精跟蹤的性能要求分別設(shè)計(jì)了一種反向傳播(backpropagation,BP)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)位置檢測(cè)算法和多單元陣列探測(cè)位置檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光斑位置檢測(cè)系統(tǒng)的角分辨率分別為0.187 μrad 和0.903 μrad[28]。

西安理工大學(xué)在無(wú)線光通信捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤方面的研究進(jìn)展[29-40]將于本文第4 章展開，本文所引用的國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展匯總?cè)绫? 所示。

表2 國(guó)內(nèi)研究進(jìn)展Table 2 Domestic research progress

4 西安理工大學(xué)無(wú)線光通信系統(tǒng)中自動(dòng)瞄準(zhǔn)的研究進(jìn)展

為了保持收發(fā)雙方光端機(jī)收發(fā)視軸實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)，就需要設(shè)計(jì)快速、高精度的APT 系統(tǒng)[29]。典型的無(wú)線光通信APT 系統(tǒng)如圖2 所示[1]。主控制器根據(jù)收發(fā)兩端的位置完成初始指向，圖像處理單元根據(jù)光斑位置信息解算出二維轉(zhuǎn)臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角；角度控制系統(tǒng)實(shí)時(shí)反饋二維轉(zhuǎn)臺(tái)的偏轉(zhuǎn)角信息；主控制器再根據(jù)反饋信息向電機(jī)發(fā)出控制命令驅(qū)動(dòng)二維轉(zhuǎn)臺(tái)，以此實(shí)現(xiàn)光束的穩(wěn)定對(duì)準(zhǔn)和跟蹤。2000 年以來(lái)，西安理工大學(xué)柯熙政教授團(tuán)隊(duì)在無(wú)線光通信APT 系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光束初始捕獲、光斑精確瞄準(zhǔn)和遠(yuǎn)場(chǎng)光斑圖像檢測(cè)等典型無(wú)線光傳輸技術(shù)進(jìn)行了深入的理論研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，并取得了長(zhǎng)足進(jìn)展。

圖2 典型無(wú)線激光通信APT 系統(tǒng)圖[1]Fig.2 Typical wireless laser communication APT system diagram[1]

2005 年，劉長(zhǎng)城建立和分析了大氣激光通信中APT 系統(tǒng)內(nèi)的仿真模型，設(shè)計(jì)了一種光束自動(dòng)捕獲系統(tǒng)[30]；

2011 年，胡啟迪設(shè)計(jì)了利用CCD 進(jìn)行的信標(biāo)光光斑檢測(cè)方案[31]；

2016 年，楊沛松提出了同軸瞄準(zhǔn)檢測(cè)方法，根據(jù)該方法設(shè)計(jì)了瞄準(zhǔn)控制系統(tǒng)和跟蹤系統(tǒng)并進(jìn)行了外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[32]；同年，趙奇設(shè)計(jì)了一種初始捕獲系統(tǒng)，并進(jìn)行了1.3 km 的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[33]；同年，徐尉設(shè)計(jì)了一種光斑檢測(cè)系統(tǒng)并提出了相應(yīng)的圖像處理算法[34]；

2017 年，李世艷提出了一種光軸瞄準(zhǔn)方案，利用該方案可以有效提高系統(tǒng)檢測(cè)準(zhǔn)確度和瞄準(zhǔn)精度[35]；

2019 年，嚴(yán)希設(shè)計(jì)了一種光斑跟蹤系統(tǒng)，并進(jìn)行了5.2 km 的外場(chǎng)跟蹤實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)的跟蹤精度可達(dá)5.4 μrad[36]；

2020 年，景永康設(shè)計(jì)了一種光斑圖像檢測(cè)方法，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了100 km 激光通信實(shí)驗(yàn)[37]；同年，張璞在APT 系統(tǒng)內(nèi)嵌入高精度執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了高精度的瞄準(zhǔn)和跟蹤，設(shè)計(jì)了調(diào)焦系統(tǒng)并進(jìn)行了10.2 km和100 km 的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)[38]。

2021 年，梁韓立設(shè)計(jì)了可搭載于無(wú)人機(jī)上的APT系統(tǒng)，通過模擬機(jī)載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行了機(jī)載激光通信實(shí)驗(yàn)，其跟蹤精度可達(dá)2.42 μrad[39]；同年，柯熙政、楊尚君等人提出了一種快速瞄準(zhǔn)方法。該方法無(wú)需將控制信號(hào)由接收端反饋至發(fā)送端，可同時(shí)完成上、下行鏈路的建立。并進(jìn)行了1.3 km 和10.3 km 的外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[40]。

4.1 初始捕獲系統(tǒng)

初始捕獲系統(tǒng)主要由信標(biāo)光發(fā)射器、捕獲相機(jī)、數(shù)據(jù)交換模塊、伺服轉(zhuǎn)臺(tái)以及計(jì)算機(jī)等組成。為確定捕獲不確定區(qū)域的大小，做以下實(shí)驗(yàn)來(lái)大致估計(jì)出捕獲不確定區(qū)域的大致范圍。實(shí)驗(yàn)方位點(diǎn)如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)中有兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)A 和B，在點(diǎn)B 周圍尋找10 個(gè)點(diǎn)C～L 作為校準(zhǔn)點(diǎn)。

圖3 實(shí)驗(yàn)方位點(diǎn)示意圖[33]Fig.3 Schematic diagram of experimental azimuth[33]

記錄點(diǎn)A～L 的經(jīng)緯度、海拔高度數(shù)值，分別從10 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)指向基準(zhǔn)點(diǎn)B 的方位角與俯仰角大小，與真實(shí)方位角與真實(shí)俯仰角作比較，如表3 所示[33]。為了提高捕獲精度，捕獲不確定區(qū)域大概為算法誤差的3 倍[41]。通過計(jì)算求得系統(tǒng)的捕獲不確定區(qū)域θFOU約為12 mrad。

表3 捕獲不確定區(qū)域求解實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表[33]Table 3 Capture uncertain region to solve the experimental data record table[33]

4.2 粗精分級(jí)控制系統(tǒng)

粗精分級(jí)控制系統(tǒng)由二維云臺(tái)和壓電微動(dòng)平臺(tái)組成[42-43]，結(jié)構(gòu)如圖4 所示。粗跟蹤結(jié)構(gòu)采用二維云臺(tái)TGMZ-01，其方位調(diào)整范圍為0°～360°，俯仰范圍為?70°～70°。通過伺服電機(jī)控制兩個(gè)方向上的角度調(diào)節(jié)，控制算法采用增量式PID (比例+積分+微分)算法。

圖4 粗精分級(jí)控制系統(tǒng)[42?43]Fig.4 Composite axis pointing system[42?43]

精跟蹤結(jié)構(gòu)采用壓電微動(dòng)平臺(tái)，其方位角和俯仰角可在0 mrad～0.2 mrad，0 mrad～0.4 mrad 范圍內(nèi)變化。

粗跟蹤系統(tǒng)其測(cè)試結(jié)果如圖5 所示。為了抑制該系統(tǒng)的定位誤差，采用增量式PID 算法進(jìn)行控制。并進(jìn)行了目標(biāo)角度增量為0.03°時(shí)系統(tǒng)的抑制誤差性能測(cè)試。

圖5 抑制誤差前后角度增量 [43]。(a) 抑制誤差前；(b) 抑制誤差后Fig.5 Suppress the error before and after the angle increment[43].(a) Angle increment before error suppression;(b) Angle increment after error supperssion

圖6 為粗跟蹤結(jié)構(gòu)的響應(yīng)曲線，從結(jié)果可以看出，系統(tǒng)沒有超調(diào)量和大幅度振蕩，控制性能較為理想。

圖6 二維云臺(tái)響應(yīng)曲線[43]Fig.6 Alignment response curve[43]

壓電微動(dòng)平臺(tái)輸入電壓與角度的關(guān)系曲線如圖7所示，其中圖7(a)為θx方向電壓與角度關(guān)系曲線，圖7(b)為θz方向電壓與角度關(guān)系曲線。通過線性度計(jì)算公式δ=(Δymax/y)×100%可得θx方向和θz方向上的線性度分別為0.15%、0.14%。結(jié)果可近似認(rèn)為線性關(guān)系。其中Δymax為輸入電壓與角度位移關(guān)系曲線與理想擬合曲線的最大偏差，y為滿量程輸出值[43]。

圖7 輸入電壓與角度關(guān)系曲線[43]。(a) θx 方向控制電壓與角度；(b) θz 方向控制電壓與角度Fig.7 The relationship between input voltage and angle[43].(a) Control voltage and angle in θx direction;(b) Control voltage and angle in θz direction

4.3 光束檢測(cè)系統(tǒng)

光束瞄準(zhǔn)檢測(cè)系統(tǒng)光路圖如圖8 所示，光束經(jīng)過一塊分光棱鏡后分為通信光束和位置檢測(cè)光束。前者用來(lái)傳遞信息，后者照射在光學(xué)背投幕上成像。

圖8 光束檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖[5]Fig.8 Structure of beam detection system[5]

光束檢測(cè)的四種情況分別如圖9 所示。其中α表示入射光束與天線視軸的夾角，p表示光束偏移量。通過對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行離焦設(shè)計(jì)，可以克服系統(tǒng)無(wú)法檢測(cè)到光束偏移量的問題。

圖9 光束檢測(cè)的四種情況[5]。(a) α=0,p=0;(b) α≠0,p=0;(c) α=0,p≠0;(d) α≠0,p≠0Fig.9 Four kinds of situations of light beam detection[5].(a) α=0,p=0;(b) α≠0,p=0;(c) α=0,p≠0;(d) α≠0,p≠0

4.4 空基中繼無(wú)線光通信自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)

如圖10 所示為收發(fā)一體的無(wú)人機(jī)中繼APT 系統(tǒng)原理圖。六旋翼無(wú)人機(jī)搭載二維反射鏡和光學(xué)接收單元對(duì)地面端發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤，最終使得兩個(gè)地面端通過無(wú)人機(jī)中繼平臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向通信。地面端1 為發(fā)射端時(shí)，地面端2 為接收端；同理，地面端2 為發(fā)射端時(shí)，地面端1 為接收端。以此來(lái)實(shí)現(xiàn)收發(fā)一體化的無(wú)人機(jī)中繼激光通信[44]。

圖10 收發(fā)一體無(wú)人機(jī)中繼APT 系統(tǒng)[45]Fig.10 Transceiver integrated UAV relay APT system[45]

實(shí)驗(yàn)中信號(hào)光波長(zhǎng)為650 nm，發(fā)射光功率為2 mW，通信速率為10 Mb/s。發(fā)射端采用OOK 調(diào)制將視頻信號(hào)加載到光源上并經(jīng)過發(fā)射天線準(zhǔn)直發(fā)射輸出，二維反射鏡控制激光束經(jīng)過透鏡聚焦到通孔型四象限探測(cè)器上完成粗瞄準(zhǔn)過程[46]。探測(cè)器再將接收到的光信號(hào)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，信號(hào)經(jīng)解調(diào)后可在計(jì)算機(jī)上觀察到接收端采集的圖像信息。

如圖11 所示為接收端信號(hào)波形。發(fā)射端輸出的信號(hào)為10 Mb/s 的方波信號(hào)，從接收端信號(hào)的波形可以看出信號(hào)沒有發(fā)生較大的畸變，還是較為完整的方波信號(hào)。經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)滿足工作在10 Mb/s速率的性能指標(biāo)。

圖11 接收端示波器信號(hào)波形[45]Fig.11 The signal waveform of the oscilloscope at the receiving[45]

如圖12 所示為瞄準(zhǔn)過程中光斑中心坐標(biāo)位置分布。在4500 次光斑漂移后進(jìn)行重新瞄準(zhǔn)，采集光斑重新瞄準(zhǔn)后的圖像，通過圖像處理得到瞄準(zhǔn)后的光斑中心位置坐標(biāo)。圖中黑色“+”為目標(biāo)靶心位置，藍(lán)色坐標(biāo)點(diǎn)為瞄準(zhǔn)時(shí)刻光斑中心偏離目標(biāo)靶心的位置。經(jīng)過計(jì)算，系統(tǒng)的瞄準(zhǔn)精度可達(dá)2.42 μrad。

圖12 光斑中心坐標(biāo)位置分布[45]Fig.12 Coordinate position distribution of spot center[45]

4.5 無(wú)線光通信捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

4.5.1 1.3km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

1.3km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)圖及實(shí)物圖如圖13 所示。發(fā)射端位于西安理工大學(xué)金花校區(qū)的教學(xué)六樓8 層，接收端位于西安東二環(huán)凱森福景雅苑11 層[5]，通信鏈路距離為1.3 km。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是以NexStar 8SE 天文望遠(yuǎn)鏡為平臺(tái)。接收天線前后分別放置一個(gè)相機(jī)用于捕獲和跟蹤，整個(gè)系統(tǒng)置于單臂云臺(tái)上。

圖13 1.3 km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝配結(jié)構(gòu)圖[5]Fig.13 1.3 km far-field experimental system assembly structure diagram [5]

實(shí)驗(yàn)所測(cè)光斑數(shù)據(jù)如圖14 所示。在光斑跟蹤過程中，光斑在方位和俯仰兩個(gè)方向共有11 次和2 次漂出跟蹤閾值。經(jīng)系統(tǒng)調(diào)整后光斑均能重新返回坐標(biāo)原點(diǎn)[43]。

圖14 光斑位置坐標(biāo) (2016-05-25 22:46～2016-05-26 22:00,小雨,13 ℃～18 ℃)[5]。(a) 方位方向；(b) 俯仰方向Fig.14 Spot position coordinates (2016-05-25 22:46～2016-05-26 22:00,rainy,13 ℃～18 ℃)[5].(a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

4.5.2 5.2km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

5.2km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖如圖15 所示[47]。計(jì)算機(jī)處理來(lái)自CCD 相機(jī)采集到的光斑圖像信息并獲得光斑的位置坐標(biāo)，發(fā)送端接收到數(shù)據(jù)后根據(jù)光斑位置誤差信息控制光學(xué)天線的指向，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的穩(wěn)定跟蹤。

圖15 光斑跟蹤系統(tǒng)原理圖[47]Fig.15 Schematic diagram of beam tracking system[47]

如圖16 所示為試驗(yàn)所測(cè)光斑數(shù)據(jù)[47]，圖16(a)、16(b)分別為方位、俯仰兩個(gè)方向的光斑位置的漂移情況，數(shù)據(jù)采樣時(shí)間為12 h。如圖17 所示為試驗(yàn)所測(cè)光斑位置誤差統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，圖17(a)、17(b)分別為方位、俯仰兩個(gè)方向的數(shù)據(jù)。

圖16 光斑跟蹤曲線(2017-12-05 18:00～2017-12-06 6:00，多云，?1 ℃～9 ℃)[47](a) 方位方向；(b) 俯仰方向Fig.16 Tracking curve of beam (2017-12-05 18:00～2017-12-06 6:00,cloudy,?1 ℃～9 ℃)[47](a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

如圖17 所示，從光斑漂移結(jié)果可以看出，水平、俯仰兩個(gè)方向光斑分別有23 次、14 次漂出閾值，經(jīng)過跟蹤系統(tǒng)調(diào)整后光斑均能回到CCD 相機(jī)中心點(diǎn)位置。

圖17 光斑位置誤差統(tǒng)計(jì)(2017-12-05 18:00～2017-12-06 6:00，多云，?1°～9°)[47](a) 方位方向；(b)俯仰方向Fig.17 Statistical results of maintaining the beam position (2017-12-05 18:00～2017-12-06 6:00,cloudy,?1°～9°)[47](a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

4.5.3 10.2km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

10.2km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝配如圖18 所示，發(fā)射端由激光光源、光纖放大器、發(fā)射天線、二維瞄準(zhǔn)云臺(tái)及其驅(qū)動(dòng)器組成；接收端由接收天線、紅外CCD 相機(jī)及其控制器組成。

圖18 10.2 km 無(wú)信標(biāo)光APT 系統(tǒng)裝配圖[43]Fig.18 Assembly drawing of beacon free optical APT system of 10.2 km experiment[43]

實(shí)驗(yàn)過程中每隔1 min 對(duì)當(dāng)前光斑圖像進(jìn)行一次采樣，并經(jīng)過圖像處理后得到采樣時(shí)刻光斑位置，光斑的水平與俯仰偏差是指兩個(gè)不同狀態(tài)下的光斑位置中心的差值。

不同天氣條件下的光斑圖像檢測(cè)曲線如圖19、20、21 所示。從結(jié)果可以看出，光斑偏移量范圍為50 pixels～110 pixels[48]。

圖19 光斑中心坐標(biāo)曲線(2018-09-30 21:00～2018-10-01 00:00，晴，17 ℃)[48]。(a) 水平方向；(b) 俯仰方向Fig.19 Spot center coordinates curve (2018-09-30 21:00～2018-10-01 0:00,sunny,17 ℃)[48].(a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

圖20 光斑中心坐標(biāo)曲線(2018-10-01 21:00～2018-10-02 0:00，陰，12 ℃)[48]。(a)水平方向；(b)俯仰方向Fig.20 Spot center coordinates curve (2018.10.1 21:00～2018.10.2.0:00,cloudy,12 ℃)[48].(a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

圖21 光斑中心坐標(biāo)曲線(2018-10-02 21:00～2018-10-02 0:00，多云，14 ℃)[48]。(a) 水平方向；(b) 俯仰方向Fig.21 Spot center coordinates curve (2018-10-02 21:00～2018-10-02 0:00,cloudy,14 ℃)[48].(a) Azimuth direction;(b) Pitching direction

如圖22(a)和圖22(b)所示為實(shí)驗(yàn)過程中的光斑中心擬合曲線[48]。由結(jié)果可知光斑的中心位置坐標(biāo)會(huì)隨著外界環(huán)境的不同因素如溫度、濕度和風(fēng)速等而改變。

圖22 光斑中心擬合曲線[48]。(a) 光斑中心位置變化曲線；(b) 溫、濕度變化曲線Fig.22 Spot center fitting curve[48].(a) Change curve of spot center position;(b) Temperature and humidity curve

4.5.4 100km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

100 km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)實(shí)物圖及系統(tǒng)裝配圖分別如圖23 所示。實(shí)驗(yàn)采用粗精分級(jí)控制系統(tǒng)，發(fā)射端位于青海湖南岸共和縣二郎劍景區(qū)，海拔高度4015 m；接收端位于青海湖北岸的剛察縣泉吉鄉(xiāng)，海拔高度3955 m[43]。信號(hào)光波長(zhǎng)為1550 nm，系統(tǒng)采用雙發(fā)單收結(jié)構(gòu)。

圖23 100 km 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景[48]。(a) 接收端；(b) 發(fā)射端Fig.23 100 km field experiment scene[48].(a) Receiving terminal;(b) Transmitting terminal

100 km 外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)也采用矩形掃描的方式進(jìn)行光束捕獲，瞄準(zhǔn)和跟蹤過程與10.2 km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)類似。

光斑中心位置的變化曲線如圖24、25 所示。從光斑中心位置變化結(jié)果可以看出：由于大氣湍流效應(yīng)的影響和通信鏈路距離的增加，系統(tǒng)的跟蹤和瞄準(zhǔn)也更困難。

圖24 光斑中心坐標(biāo)變化曲線(第一次實(shí)驗(yàn))[48]。(a) 水平方向檢測(cè)光斑中心坐標(biāo)；(b) 俯仰方向檢測(cè)光斑中心坐標(biāo)(2019-08-18 23:00～2019-08-19 02:00，晴，14 ℃)Fig.24 Spot center coordinate change curve (The first experiment) [48].(a) Spot center coordinates in horizontal direction;(b) Spot center coordinates in pitch direction (2019-08-18 23:00～2019-08-19 02:00,sunny,14 ℃)

圖25 光斑中心坐標(biāo)變化曲線(第二次實(shí)驗(yàn)) [48]。(a) 水平方向檢測(cè)光斑中心坐標(biāo)；(b) 俯仰方向檢測(cè)光斑中心坐標(biāo)(2019-08-20 23:00～2019-08-20 02:00，陰轉(zhuǎn)小雨，9 ℃)Fig.25 Spot center coordinate change curve (The second experiment) [48].(a) Spot center coordinates in horizontal;(b) Spot center coordinates in pitch direction (2019-08-20 23:00～2019-08-20 02:00,cloudy and rainy,9 ℃)

4.6 收發(fā)非共視軸二維反射鏡快速瞄準(zhǔn)系統(tǒng)

如圖26 所示為快速瞄準(zhǔn)系統(tǒng)原理圖。通過改變二維反射鏡的偏轉(zhuǎn)角來(lái)實(shí)現(xiàn)光束掃描，主控計(jì)算機(jī)獲得光斑的位置信息后，向電機(jī)發(fā)送控制命令，電機(jī)驅(qū)動(dòng)二維反射鏡使光束與接收天線實(shí)時(shí)瞄準(zhǔn)，以此實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的跟蹤[40]。

圖26 利用二維反射鏡實(shí)現(xiàn)快速瞄準(zhǔn)的IM/DD 無(wú)線光通信系統(tǒng)[40]Fig.26 Wireless optical communication IM/DD system with fast alignment of two-dimensional mirror[40]

利用該系統(tǒng)進(jìn)行的遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)通信鏈路如圖27所示。發(fā)射端和接收端分別位于西安市白鹿原肖寨村和西安理工大學(xué)金花校區(qū)教學(xué)6 樓，通信鏈路長(zhǎng)度10.3 km。

圖27 10.3 km 無(wú)線光通信實(shí)驗(yàn)鏈路圖[40]Fig.27 Experiment of wireless optical communication for 10.3 km[40]

如圖28 所示為二維反射鏡位置坐標(biāo)的光束跟蹤曲線，其中X表示俯仰方向，Y表示水平方向，二維反射鏡在俯仰方向和水平方向分別調(diào)整了4 次、2 次。

圖28 光束跟蹤曲線(2021-07-24 23:00～2021-07-25 6:00)[40]。(a) 俯仰方向；(b) 水平方向Fig.28 Beam tracing curve (2021-07-24 23:00～2021-07-25 6:00)[40].(a) Pitching direction;(b) Azimuth direction

當(dāng)光斑逐漸移動(dòng)至相機(jī)中心點(diǎn)時(shí)，計(jì)算俯仰和方位方向上光斑中心位置坐標(biāo)變化的均值、方差以及功率譜密度估計(jì)(power spectral density,PSD)。結(jié)果如圖29 所示，由結(jié)果可以看出光斑的中心位置坐標(biāo)在方位方向上漂移量大于俯仰方向上的漂移量。

圖29 功率譜密度估計(jì)[40]。(a) X 方向；(b) Y 方向Fig.29 Power spectrum density estimate[40].(a) X position;(b) Y position

如圖30 所示為跟蹤過程中光斑的運(yùn)動(dòng)軌跡以及對(duì)應(yīng)的PSD。由結(jié)果可以看出光斑在俯仰和方位方向上的方差分別為14.4970 pixel2、8.0287 pixel2。

圖30 光斑跟蹤曲線及PSD[40]。(a) 光斑跟蹤曲線；(b) 方向跟蹤曲線；(c) X 方向功率譜密度估計(jì)；(d) Y 方向功率譜密度估計(jì)Fig.30 Spot tracking curve and PSD[40].(a) Curve of the beam tracking;(b) Curve of the beam tracking in X and Y directions;(c) X PSD;(d) Y PSD

如圖31 為收發(fā)兩端的信號(hào)波形。發(fā)射端功率為200 mW，當(dāng)跟蹤過程結(jié)束后，探測(cè)器進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換輸出的信號(hào)波形幅值為74.4 mV。

圖31 收發(fā)兩端信號(hào)波形[40]。(a) 發(fā)射信號(hào)；(b) 接收信號(hào)Fig.31 Receive and transmit signal waveforms[40].(a) Transmitting signal;(b) Receiving signal

4.7 不同系統(tǒng)總結(jié)分析

本章節(jié)總結(jié)了西安理工大學(xué)在APT 方面的研究進(jìn)展，分別介紹了初始捕獲系統(tǒng)、粗精分級(jí)跟蹤系統(tǒng)、光束檢測(cè)系統(tǒng)、空基中繼無(wú)線光通信自動(dòng)跟蹤控制系統(tǒng)、收發(fā)非共軸二維發(fā)射鏡快速瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的工作原理及實(shí)驗(yàn)分析。根據(jù)其應(yīng)用場(chǎng)景不同，現(xiàn)將其總結(jié)如下：

4.1～4.3 節(jié)分別針對(duì)捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤各個(gè)階段的實(shí)際需求設(shè)計(jì)了初始捕獲系統(tǒng)、粗精分級(jí)控制系統(tǒng)和光束檢測(cè)系統(tǒng)。其中初始捕獲系統(tǒng)通過位置校準(zhǔn)法即可實(shí)現(xiàn)快速捕獲，無(wú)需傳統(tǒng)捕獲系統(tǒng)中的定位裝置，減少了捕獲時(shí)間和系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本；粗精分級(jí)控制系統(tǒng)采用“二維云臺(tái)+壓電微動(dòng)平臺(tái)”作為跟瞄執(zhí)行機(jī)構(gòu)，可以抑制未經(jīng)粗跟瞄機(jī)構(gòu)消除的瞄準(zhǔn)和跟蹤殘差，進(jìn)一步提高跟瞄精度，其應(yīng)用場(chǎng)景在4.5.4 節(jié)中進(jìn)行了詳細(xì)介紹；光束檢測(cè)系統(tǒng)利用光斑質(zhì)心、形心位置等數(shù)據(jù)，可計(jì)算出試驗(yàn)過程中光束在俯仰、方位兩個(gè)方向上的偏移量。

收發(fā)非共軸二維反射鏡快速瞄準(zhǔn)系統(tǒng)發(fā)射端采用相機(jī)標(biāo)定，接收端通過控制二維反射鏡對(duì)光束進(jìn)行掃描，以光斑的位置信息作為反饋信號(hào)進(jìn)行跟蹤。傳統(tǒng)的長(zhǎng)軸瞄準(zhǔn)將探測(cè)器處的光斑位置信息進(jìn)行遠(yuǎn)距離回傳反饋，容易受到大氣湍流的影響。該系統(tǒng)利用圖像作為反饋信息調(diào)整發(fā)射天線的角度，無(wú)需進(jìn)行數(shù)據(jù)回傳，可以實(shí)現(xiàn)快速瞄準(zhǔn)且受外界環(huán)境影響較小。

由不同距離下的無(wú)線光遠(yuǎn)場(chǎng)通信實(shí)驗(yàn)可以看出，隨著通信鏈路距離的增長(zhǎng)，對(duì)APT 系統(tǒng)的伺服帶寬、俯仰方向和方位方向的自由度和分辨率等都會(huì)有更高的要求，這也是限制APT 系統(tǒng)工作距離的主要原因。例如：在10.2 km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，發(fā)射端僅采用二維瞄準(zhǔn)云臺(tái)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可完成瞄準(zhǔn)和跟蹤，其分辨率約為17.45 μrad；而在100 km 遠(yuǎn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，為了達(dá)到相應(yīng)的精度要求，采用二維云臺(tái)和壓電微動(dòng)平臺(tái)組成的粗精分級(jí)控制系統(tǒng)來(lái)完成瞄準(zhǔn)和跟蹤，壓電微動(dòng)平臺(tái)的分辨率約為0.01 μrad。

5 無(wú)線光通信系統(tǒng)的APT 發(fā)展展望

無(wú)線光通信系統(tǒng)的APT 發(fā)展的方向包括以下幾個(gè)方面：

1) 信標(biāo)光與信號(hào)光合并為一路信號(hào)，取消信標(biāo)光；

2) 采用發(fā)射天線與接收天線非共光路結(jié)構(gòu)，抑制大氣湍流對(duì)光束對(duì)準(zhǔn)的影響；

3) 將發(fā)射端和接收端緊耦合對(duì)準(zhǔn)變?yōu)榘l(fā)射端和接收端獨(dú)立控制，不需要將位置信息傳送給對(duì)方；

4) 將發(fā)射端和接收端瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤功能分解，發(fā)射端負(fù)責(zé)粗瞄準(zhǔn)，接收端負(fù)責(zé)精瞄準(zhǔn)與跟蹤，接收方自主調(diào)整光路，抑制大氣湍流對(duì)光斑漂移的影響[40]。

本文系統(tǒng)地分析了無(wú)線光通信中APT 系統(tǒng)的發(fā)展與應(yīng)用，并對(duì)西安理工大學(xué)在該領(lǐng)域的研究進(jìn)展及成果進(jìn)行了介紹。包括對(duì)設(shè)計(jì)的初始捕獲系統(tǒng)、粗精分級(jí)控制系統(tǒng)和光束檢測(cè)系統(tǒng)的性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析和驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以有效地實(shí)現(xiàn)快速捕獲和瞄準(zhǔn)，系統(tǒng)的跟蹤和瞄準(zhǔn)精度都得到了極大改善，提高了APT 系統(tǒng)的有效性和可靠性。