姜 鋒

(中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)45分隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

激光通信是通過(guò)激光進(jìn)行信息傳送的一種通信手段，它由發(fā)射與接收兩部分構(gòu)成。傳輸系統(tǒng)主要由激光器、光調(diào)制器、光發(fā)射天線組成。接收系統(tǒng)由接收天線，光學(xué)濾波器，光電探測(cè)器組成。要傳輸?shù)挠嵪⒈凰椭吝B接于激光的光電調(diào)制器，光調(diào)制器把訊息以激光調(diào)制，再經(jīng)由光發(fā)射天線傳輸[1]。激光束的定向能力強(qiáng)，需要在兩個(gè)終端之間沒(méi)有障礙，以確保發(fā)送和接收端的準(zhǔn)確定位。因此目前激光通信大多采用機(jī)載激光通信方式，也就是將通信的發(fā)送端與接收端安裝在飛機(jī)設(shè)備上，降低通信環(huán)境中的障礙物數(shù)量。與傳統(tǒng)通信方式相比，機(jī)載激光通信具有速率高、容量大、功耗低、保密性好、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，因此被廣泛應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。

激光通信實(shí)現(xiàn)無(wú)線激光通信終端之間捕獲、跟蹤功能。捕獲過(guò)程是指激光通信端機(jī)接收端搜索開(kāi)環(huán)不確定區(qū)域，尋找發(fā)射端信標(biāo)光的過(guò)程。跟蹤過(guò)程是指根據(jù)接收到的信標(biāo)光通過(guò)位置解算判斷其位置，調(diào)整光斑至其視軸中心并實(shí)時(shí)跟蹤監(jiān)測(cè)的過(guò)程。為保證機(jī)載激光通信工作的順利進(jìn)行，有必要設(shè)計(jì)通信跟蹤控制系統(tǒng)作為通信鏈接建立的約束輔助工具，以實(shí)現(xiàn)通信功能。機(jī)載激光通信跟蹤控制主要是在接收端檢測(cè)到發(fā)射端的信標(biāo)光，再進(jìn)行捕獲、跟蹤、控制，最后將一信標(biāo)光束送至發(fā)射機(jī)，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送和接收端的數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)前。國(guó)內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域研究學(xué)者紛紛對(duì)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)做出了研制。文獻(xiàn)[2]提出基于精、粗系統(tǒng)的激光通信跟蹤控制系統(tǒng)。摒棄了傳統(tǒng)的精、粗系統(tǒng)分別設(shè)計(jì)的思路，將兩個(gè)層次的子系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)自由度得到了最大程度的發(fā)揮。通過(guò)對(duì)這些自由度的綜合優(yōu)化，可以使系統(tǒng)在抑制階躍干擾、抑制復(fù)雜干擾、不敏感極點(diǎn)配置、控制增益最小等方面的設(shè)計(jì)需求，使激光通信跟蹤精準(zhǔn)度得到明顯的改善。文獻(xiàn)[3]提出了一種高數(shù)據(jù)速率的多波束自由空間光通信系統(tǒng)。已使用改進(jìn)的G-G分布模擬具有中等湍流的通道，此外，與單波束自由空間光通信相比，多波束自由空間光通信表現(xiàn)出改衰減減少，使用空間多樣化的發(fā)射機(jī)，能夠?qū)崿F(xiàn)自由空間光通信鏈路長(zhǎng)度、信噪比和功率的顯著增強(qiáng)。

然而在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，上述方法存在系統(tǒng)適應(yīng)性低、跟蹤控制效果不佳的問(wèn)題，為此引入全光捕獲法。

捕獲是機(jī)載激光通信的第一步，利用全光捕獲法替換傳統(tǒng)跟蹤控制系統(tǒng)的捕獲方式，在提高捕獲速度的同時(shí)，最大程度地提升激光捕獲的精準(zhǔn)度，間接實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)控制功能的優(yōu)化。

1 機(jī)載激光通信跟蹤控制硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 激光器設(shè)計(jì)

圖1表示的是全光捕獲法的工作原理。

圖1 全光捕獲法工作原理圖

為了給全光捕獲法的工作提供硬件支持，需要在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，加設(shè)激光器、激光告警器以及運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備。其中激光器也就是激光的發(fā)射裝置，在發(fā)射和接收端，激光的工作波長(zhǎng)分別為635 nm和532 nm。采用自動(dòng)溫控及自動(dòng)光功率調(diào)節(jié)的光源驅(qū)動(dòng)模塊，可調(diào)節(jié)0～200 mW的功率。非球面K9型準(zhǔn)直鏡頭，直徑為6 mm，焦距為11 mm，準(zhǔn)直發(fā)散角度為1 mrad，為近單模式。

1.2 激光告警器設(shè)計(jì)

根據(jù)其工作原理，可以將其劃分為光譜識(shí)別、成像識(shí)別和相干識(shí)別三種類型。在此次機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)全光捕獲法的運(yùn)行要求，采用成像式的激光告警器，它的探測(cè)區(qū)域?yàn)橹芟?20°，相鄰的探測(cè)器的視野重疊5°，分辨率不小于35°。

1.3 運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備設(shè)計(jì)

從圖1中可以看出，運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備是激光器、相機(jī)以及激光告警器的支撐設(shè)備，主要承擔(dān)全光捕獲的掃描，其驅(qū)動(dòng)部件和傳動(dòng)部件的合理設(shè)計(jì)是保證系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)行的關(guān)鍵。由于系統(tǒng)的負(fù)載很小，因此由步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制[4]。為保證系統(tǒng)的跟蹤性能和換向響應(yīng)速度，把電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角度位移值的輸出，驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)采用蝸輪蝸桿，通過(guò)蝸桿軸與電動(dòng)機(jī)軸之間的耦合作用實(shí)現(xiàn)了能量輸送，為系統(tǒng)的快速響應(yīng)提供保障。根據(jù)轉(zhuǎn)速及所需扭矩，選擇MRS105型精密電控轉(zhuǎn)動(dòng)平臺(tái)，可任意調(diào)節(jié)角度，并可設(shè)置零點(diǎn)光電轉(zhuǎn)換，必要時(shí)可調(diào)至伺服電機(jī)。在運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)備上安裝一個(gè)角度傳感器用于對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的速度進(jìn)行監(jiān)視和檢測(cè)。

1.4 目標(biāo)跟蹤探測(cè)器設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)采用 CMOS檢測(cè)器作為面陣元件，為避免信標(biāo)光干擾，信標(biāo)信號(hào)源選擇10 kHz脈沖。在這種情況下，4QD的脈沖輸出要進(jìn)行一個(gè)復(fù)雜的展寬維持過(guò)程，以滿足取樣閉環(huán)的要求。CMOS檢測(cè)器是一種集成元件，它的幀頻比脈沖頻率低，對(duì)它的性能沒(méi)有明顯的影響[5]。為了降低系統(tǒng)的延遲，采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列，實(shí)現(xiàn)了探測(cè)器驅(qū)動(dòng)、圖像預(yù)處理和信號(hào)位置計(jì)算的集成。為有效地降低衛(wèi)星平臺(tái)的振動(dòng)，要求探測(cè)器的幀頻率必須達(dá)到2 kHz以上，并且在保證探測(cè)分辨率和探測(cè)視野的前提下，將讀取窗設(shè)置為128 pixel*128 pixel，從而達(dá)到2.5 kHz的峰值。在跟蹤探測(cè)器的探測(cè)中，主機(jī)與跟蹤探測(cè)器的串行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)跟蹤器的啟動(dòng)、鎖定和釋放。當(dāng)主機(jī)發(fā)出啟動(dòng)命令后，跟蹤檢測(cè)器就會(huì)進(jìn)入搜尋狀態(tài)。在目標(biāo)鎖定狀態(tài)下，目標(biāo)進(jìn)入探測(cè)視野后，由計(jì)算機(jī)對(duì)跟蹤探測(cè)器發(fā)送捕獲命令，由跟蹤探測(cè)器進(jìn)行捕獲，利用圖像處理算法對(duì)物體進(jìn)行掃描，并實(shí)時(shí)地記錄物體與探測(cè)視角之間的角偏離，并將跟蹤誤差作為模擬電壓信號(hào)輸出[6]。在進(jìn)行跟蹤時(shí)，存在著產(chǎn)生振動(dòng)的可能性，從而使目標(biāo)偏離視野。而在目標(biāo)再次進(jìn)入視野后，跟蹤探測(cè)器仍能確保其位置。在主機(jī)下達(dá)命令后，跟蹤探測(cè)器返回到搜尋狀態(tài)。

1.5 跟蹤控制器設(shè)計(jì)

在主機(jī)和通信終端之間，跟蹤控制器是數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站。首先，主機(jī)向終端發(fā)送特定旋轉(zhuǎn)命令。接著，該跟蹤控制器向?qū)?yīng)的終端發(fā)送該控制命令，使該控制電機(jī)按規(guī)定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)至該位置[7]。同時(shí)，利用跟蹤控制器，將各個(gè)控制器和電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀況反饋給主機(jī)。在實(shí)際應(yīng)用中，主機(jī)僅向跟蹤控制器發(fā)出定位誤差，并將其嵌入到跟蹤控制器中，通過(guò)跟蹤控制器對(duì)各個(gè)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤。為提高跟蹤控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，同時(shí)方便以后系統(tǒng)的擴(kuò)展，選用DSP 芯片 TMS320LF2407A 作為控制器的運(yùn)算處理器件，優(yōu)化設(shè)計(jì)的跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 跟蹤控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

在控制器接口上設(shè)置一個(gè)通用的輸入/輸出端口，它可以通過(guò)輸入/輸出端口來(lái)觸發(fā)事件[8]。所以，在控制電路的設(shè)計(jì)中，增加了15個(gè)通用的輸入/輸出插頭，以備使用。

1.6 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

在目標(biāo)跟蹤探測(cè)器中，利用相機(jī)捕捉目標(biāo)場(chǎng)景，并將目標(biāo)影像經(jīng)由無(wú)線影像傳送至XH-AVT01型電視追蹤裝置，XH-AVT01電視追蹤裝置對(duì)所產(chǎn)生的目標(biāo)影像進(jìn)行處理，獲得物體的形態(tài)和相應(yīng)的方向資訊，并以模擬信號(hào)的形式輸出該信息[9]。由于模擬信號(hào)不能直接輸入到電腦中進(jìn)行操作，所以需要用 A/D變換模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)。A/D數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器的電路連接情況，如圖3所示。

圖3 AD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換電路圖

在A/D轉(zhuǎn)換模塊中，目標(biāo)信號(hào)的采集板主要包括A/D變換兩個(gè)部分。該系統(tǒng)采用IS61LV6416芯片作為A/D數(shù)據(jù)和程序存儲(chǔ)器。在TMS320LF2407A中，完成了調(diào)試后的程序。并選擇了A/D轉(zhuǎn)換專用芯片ADS774為其核心。為了避免在DSP芯片未發(fā)出接收命令的情況下，A/D數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕Y(jié)果被傳輸至數(shù)據(jù)總線，從而對(duì)A/D數(shù)據(jù)變換模塊產(chǎn)生一定的影響。ADS774連接到DSP的數(shù)據(jù)總線中，采用74LVC24的數(shù)據(jù)鎖存器，用于對(duì)A/D變換的數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行控制。

1.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器包括邏輯電路、H橋驅(qū)動(dòng)電路、H橋等組成部分。在執(zhí)行機(jī)構(gòu)工作時(shí)，控制器將方向、停止、PWM三個(gè)方向信號(hào)傳送到邏輯電路，從而產(chǎn)生一個(gè)控制信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)H橋。通過(guò)H橋型驅(qū)動(dòng)電路對(duì)控制信號(hào)進(jìn)行放大，并將其傳輸至H橋型，并通過(guò)H橋型電源開(kāi)關(guān)的接通來(lái)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的工作[10]。該電源模塊將12 V的電壓變換成5 V的電壓，用于控制邏輯和H橋的驅(qū)動(dòng)。

除了上述元件外，數(shù)據(jù)采集器、系統(tǒng)存儲(chǔ)器等設(shè)備均沿用傳統(tǒng)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的硬件設(shè)備。

2 機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2.1 構(gòu)建機(jī)載激光通信模型

機(jī)載激光通信模型主要由激光通信發(fā)送模塊、激光通信接收模塊以及通信傳輸信道三個(gè)部分組成，機(jī)載激光通信工作原理如圖4所示。

圖4 機(jī)載激光通信工作原理圖

激光通信發(fā)送需要經(jīng)歷數(shù)據(jù)編碼、脈沖以及調(diào)制三個(gè)步驟，首先利用編碼工作將待通信的數(shù)據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電信號(hào)，并將處理完成的數(shù)據(jù)加入到機(jī)載激光通信傳輸隊(duì)列中。為實(shí)現(xiàn)接收信號(hào)的同步與均衡，必須在發(fā)送信息塊中加入訓(xùn)練序列、保護(hù)間隔、尾位等附加信息，從而形成突發(fā)脈沖，并在突發(fā)脈沖下調(diào)制激光通信發(fā)送任務(wù)[11]。調(diào)制程序運(yùn)行過(guò)程中，串口接收模塊對(duì)起始位的高電平下降邊緣進(jìn)行檢測(cè)，并且在該水平值是0時(shí)采集數(shù)據(jù)位，并且數(shù)據(jù)位采集結(jié)果傳輸給PPM調(diào)制模塊。PPM調(diào)制模組進(jìn)行時(shí)隙計(jì)數(shù)，首先輸出3比特的起始位，當(dāng)計(jì)數(shù)值與串口數(shù)據(jù)位的數(shù)據(jù)相等時(shí)，計(jì)數(shù)值的時(shí)隙輸出高電平，余下的時(shí)隙輸出低電平。完成了機(jī)載激光通信數(shù)據(jù)的PPM調(diào)制[12]。通信數(shù)據(jù)通過(guò)機(jī)載激光通信信道到達(dá)通信接收端，通過(guò)預(yù)留存儲(chǔ)空間、數(shù)據(jù)驗(yàn)證以及解調(diào)等步驟完成一次機(jī)載激光通信任務(wù)。

2.2 利用全光捕獲法生成機(jī)載激光通信鏈路

在機(jī)載激光通信模型中，激光信號(hào)捕獲分為數(shù)據(jù)引導(dǎo)、視軸初始指向、開(kāi)環(huán)不確定區(qū)域掃描到目標(biāo)軸中心位置三個(gè)階段，在初始指向捕捉階段，一般使用大的信標(biāo)束散角進(jìn)行掃描，在兩個(gè)視軸中心位置后，通過(guò)更小的束散角發(fā)送[13]。在長(zhǎng)程飛機(jī)上，兩翼俯仰高度相差不大的情況下，全光捕捉的先決條件是成立的。在激光器、激光告警器以及運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)等硬件設(shè)備的支持下，假設(shè)激光器A為通信發(fā)送方，B為通信接收方，則利用全光捕獲法捕獲機(jī)載激光通信信號(hào)[14]。在激光告警器B檢測(cè)到通信發(fā)送者的信標(biāo)光時(shí)，進(jìn)行定位計(jì)算，判斷其不確定范圍，將通信接收者指向不確定區(qū)域，由通信接收者B發(fā)射的粗信標(biāo)光進(jìn)行掃描，并且以與通信發(fā)送者A不同的速度掃描。如果由光學(xué)終端A上的激光告警A檢測(cè)到通信接收者B所發(fā)出的粗信標(biāo)光，則通信發(fā)送者A停止全周掃描，計(jì)算通信接收者B的位置，判斷激光通信終端B的不確定區(qū)域，將指示通信發(fā)送者A對(duì)準(zhǔn)不確定區(qū)域，由通信發(fā)送者A發(fā)射的粗信標(biāo)光在捕捉不確定區(qū)域中進(jìn)行掃描，完成數(shù)據(jù)引導(dǎo)[15]。視軸初始指向的處理目的是確定通信目標(biāo)端的大致方位，利用方向校準(zhǔn)點(diǎn)，完成初始指向。記錄通信發(fā)射端的空間位置坐標(biāo)，并以此位置為中心，在適當(dāng)?shù)木嚯x內(nèi)找一個(gè)圓點(diǎn)作為定標(biāo)點(diǎn)，并將定標(biāo)點(diǎn)的空間坐標(biāo)進(jìn)行記錄，并對(duì)伺服轉(zhuǎn)盤進(jìn)行校正，以使信標(biāo)光軸對(duì)準(zhǔn)標(biāo)定點(diǎn)。根據(jù)本端、準(zhǔn)點(diǎn)、目標(biāo)端的空間位置坐標(biāo)，通過(guò)坐標(biāo)變換，得到信標(biāo)光軸從準(zhǔn)點(diǎn)到目標(biāo)端的位置所需要的方位角和俯仰角，角度求解公式如下：

(1)

公式(1)中變量α1和α2分別為表示的是當(dāng)前位置與目標(biāo)端以及與校準(zhǔn)點(diǎn)之間的角度，而β1和β2對(duì)應(yīng)的是校準(zhǔn)點(diǎn)與目標(biāo)端的變換坐標(biāo)后與當(dāng)前位置形成的夾角?？刂扑欧D(zhuǎn)臺(tái)，使信標(biāo)光光軸由校準(zhǔn)點(diǎn)指向目標(biāo)端，完成初始指向[16]。利用激光器設(shè)備將不確定區(qū)域掃描到目標(biāo)軸中心位置，得出接收視場(chǎng)為：

(2)

其中:θr表示的是激光器視場(chǎng)立體角，Δtcapture為全光捕獲法的連續(xù)捕獲時(shí)間，該變量的具體計(jì)算公式如下：

(3)

式中,L和dac分別表示的是通信距離和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服帶寬，c為機(jī)載激光在大氣環(huán)境中的傳輸速度，tres表示的是激光器的響應(yīng)時(shí)間[17]。將公式(3)的求解結(jié)果代入到公式(2)中，即可得出機(jī)載激光通信接收視場(chǎng)結(jié)果，完成通信信息的掃描。根據(jù)機(jī)載激光通信的全光捕獲結(jié)果，按照?qǐng)D5流程生成機(jī)載激光通信鏈路。

圖5 機(jī)載激光通信鏈路建立流程圖

按照上述方式，通過(guò)實(shí)時(shí)機(jī)載激光通信信號(hào)的捕獲結(jié)果得出機(jī)載激光通信鏈路的生成結(jié)果。

2.3 計(jì)算機(jī)載激光通信跟蹤目標(biāo)相對(duì)信息

根據(jù)機(jī)載激光通信跟蹤目標(biāo)的典型運(yùn)動(dòng)形式，計(jì)算相對(duì)幾何關(guān)系，為后續(xù)跟蹤與控制提供數(shù)據(jù)。根據(jù)機(jī)載激光通信跟蹤目標(biāo)和載機(jī)的位置坐標(biāo)，計(jì)算兩者之間的相對(duì)距離，計(jì)算結(jié)果如下：

(4)

其中:(xt,yt,zt)和(xc,yc,zc)分別對(duì)應(yīng)的是通信跟蹤目標(biāo)和載機(jī)在地面坐標(biāo)系中的位置坐標(biāo)。另外目標(biāo)的移動(dòng)速度可以表示為：

(5)

其中:vt為載機(jī)移動(dòng)速度，dt為t時(shí)刻目標(biāo)和載機(jī)之間的距離，Δtmove為通信目標(biāo)的移動(dòng)時(shí)間，T(α,β)表示的是由地面坐標(biāo)系到視線坐標(biāo)系的轉(zhuǎn)換矩陣，通過(guò)公式(1)的計(jì)算可以得出變量α和β的具體取值[18]。由此得出機(jī)載激光通信跟蹤目標(biāo)相對(duì)信息的計(jì)算結(jié)果。

2.4 光斑中心定位與實(shí)時(shí)跟蹤

機(jī)載激光通信光斑中心跟蹤的目的是保持光通信鏈路不受外界因素的影響而中斷，提高光通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。利用公式(6)判定捕獲的通信光斑中心位置的變化趨勢(shì)。

(6)

其中:UA、UB、UC和UD分別表示激光光源照射在光敏面四個(gè)象限所形成光斑信號(hào)光電壓值，計(jì)算結(jié)果δx和δy表示目標(biāo)光斑的中心位置在水平和豎直兩個(gè)方向上的變化量。當(dāng)系統(tǒng)處于跟蹤狀態(tài)時(shí)，針對(duì)目標(biāo)點(diǎn)偏移量、跟蹤閾值以及 CCD攝像機(jī)視野范圍等因素，采用了三種跟蹤模式。如果光點(diǎn)偏移比跟蹤門限小，表明目前機(jī)載激光通信鏈路無(wú)阻，而接收端繼續(xù)探測(cè)光點(diǎn)的偏移，而發(fā)射端無(wú)需對(duì)光束進(jìn)行定位。當(dāng)光點(diǎn)偏移比光束跟蹤門限大，且比激光器視場(chǎng)范圍小時(shí)，由接收端主機(jī)對(duì)激光光點(diǎn)進(jìn)行圖像處理，獲取光點(diǎn)大小和形狀中心的位置信息，利用這些信息作為反饋信號(hào)，由發(fā)射端的2 D瞄準(zhǔn)鏡或壓電微動(dòng)平臺(tái)來(lái)控制天線指向，使光點(diǎn)與靶心的偏差最小化，從而實(shí)現(xiàn)再次的校準(zhǔn)[19]。如果光點(diǎn)偏移比激光視野范圍大，則光通鏈路完全中斷，進(jìn)入開(kāi)環(huán)，激光接收端不能探測(cè)到光點(diǎn)，必須再次進(jìn)行捕獲對(duì)準(zhǔn)。結(jié)合光斑中心實(shí)時(shí)位置的預(yù)測(cè)結(jié)果，利用目標(biāo)跟蹤探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光通信跟蹤。

2.5 實(shí)現(xiàn)機(jī)載激光通信跟蹤控制

將機(jī)載激光通信跟蹤目標(biāo)信息的計(jì)算結(jié)果輸入到控制器中，輸出控制信號(hào)的輸出值為：

(7)

其中:Kp、KI和KD分別為比例系數(shù)、積分系數(shù)和微分系數(shù)，ek和ek-1對(duì)應(yīng)的是第k和k-1次采樣時(shí)刻的輸入偏差值，另外變量u0為控制器的初始值[20-22]。將機(jī)載激光通信模型的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)以及跟蹤信號(hào)結(jié)果輸入到公式(7)中，在控制器的作用下實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的機(jī)載激光通信跟蹤控制功能。

3 系統(tǒng)測(cè)試

以測(cè)試基于全光捕獲法的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的跟蹤與控制功能為目的，設(shè)計(jì)系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)的基本思想就是以人為控制的方式讓機(jī)載激光通信兩端按一定的幅度和周期進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，觀察系統(tǒng)的通信跟蹤效果，在控制程序的作用下判斷機(jī)載激光通信任務(wù)是否能夠正常進(jìn)行，由此驗(yàn)證優(yōu)化系統(tǒng)的跟蹤與控制功能是否能夠達(dá)到預(yù)期效果。

3.1 配置系統(tǒng)測(cè)試與開(kāi)發(fā)平臺(tái)

為充分考慮室內(nèi)和外場(chǎng)兩種機(jī)載激光通信情況，此次實(shí)驗(yàn)設(shè)置兩個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境，室內(nèi)通信環(huán)境中850 nm激光束在平行光管的作用下，發(fā)出符合實(shí)驗(yàn)要求的信號(hào)光。將兩個(gè)同型號(hào)的激光發(fā)射器安裝在飛機(jī)設(shè)備上，兩飛機(jī)之間的距離為500 m，設(shè)置通信串口的比特率為9 600 bps，中間無(wú)視軸遮擋。在機(jī)載激光通信系統(tǒng)中，發(fā)射端先用高清攝像機(jī)采集傳送時(shí)所需的影像，再由影像編碼器將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字訊號(hào)，再進(jìn)行壓縮。然后，把視頻信號(hào)通過(guò)視頻傳送系統(tǒng)輸入到調(diào)制器中，經(jīng)過(guò)電光調(diào)制，這時(shí)激光的輸出就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)具有視頻信號(hào)的激光。如果是短距離傳送，激光會(huì)直接發(fā)射，如果是長(zhǎng)距離傳送，激光會(huì)先經(jīng)過(guò)馬卡天線，然后再發(fā)射。在機(jī)載控制接收端，當(dāng)反射鏡上有光點(diǎn)信息時(shí)，由二維馬達(dá)旋轉(zhuǎn)臺(tái)控制反射鏡的傾角和方向，把激光信號(hào)反射到四象限檢測(cè)器上，再由四象限檢測(cè)器的通孔將激光信號(hào)送至四象限檢測(cè)器，再由通信檢測(cè)器接收，從而建立通信信道。將基于全光捕獲法的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)中的硬件設(shè)備進(jìn)行定標(biāo)和連接，連接方式如圖6所示。

圖6 機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)硬件設(shè)備連接結(jié)構(gòu)圖

按照相同的方式，將飛機(jī)以及激光發(fā)射器設(shè)備移動(dòng)到外場(chǎng)環(huán)境中，在無(wú)遮擋前提下將設(shè)備之間的距離延長(zhǎng)至2 000 m，形成外場(chǎng)機(jī)載激光通信環(huán)境。

3.2 設(shè)定全光捕獲法工作參數(shù)

由于優(yōu)化設(shè)計(jì)的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)應(yīng)用了全光捕獲法，為保證該方法能夠在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中正常運(yùn)行，需要在系統(tǒng)運(yùn)行之前對(duì)相關(guān)工作參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。設(shè)置全光捕獲的作用距離為8 km，捕獲時(shí)間和捕獲概率分別為2 min和98%，信標(biāo)光波長(zhǎng)為800 nm，信標(biāo)光束散角為5*30 mrad。在機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，導(dǎo)入上述設(shè)定的全光捕獲工作參數(shù)。

3.3 描述實(shí)驗(yàn)過(guò)程

在室內(nèi)環(huán)境中利用二維光電平臺(tái)和驅(qū)動(dòng)設(shè)備對(duì)移動(dòng)的物體進(jìn)行跟蹤測(cè)試。對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)生成光斑漂移量，并根據(jù)生成結(jié)果確定光斑移動(dòng)位置，以此作為機(jī)載激光通信的跟蹤位置。同時(shí)啟動(dòng)機(jī)載激光通信任務(wù)以及跟蹤控制系統(tǒng)，將一個(gè)具有±4 mrad的隨機(jī)變量添加到接收機(jī)的上位機(jī)初始指向程序中，并將接收端的潛望式轉(zhuǎn)臺(tái)的方向和傾角軸線分別指向該隨機(jī)點(diǎn)。瞄準(zhǔn)完畢，定時(shí)啟動(dòng)，發(fā)送方在接收端不確定的位置用旋轉(zhuǎn)臺(tái)和振鏡組合進(jìn)行分子區(qū)掃描。在接收端檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)光后，將根據(jù)反饋的位置偏差進(jìn)行修正，在整個(gè)采集過(guò)程中，收發(fā)雙端將會(huì)通過(guò)交叉掃描方式不斷地優(yōu)化視角對(duì)齊，減小捕捉不確定性，減小掃描角，直至信號(hào)束到達(dá)檢測(cè)器視野，停止掃描，并記錄全光捕獲結(jié)束。啟動(dòng)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)，根據(jù)全光捕獲結(jié)果得出通信跟蹤與控制結(jié)果，圖7表示的是室內(nèi)激光通信環(huán)境中的跟蹤控制結(jié)果。

圖7 機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)輸出結(jié)果

同理可以得出外場(chǎng)環(huán)境中機(jī)載激光通信的跟蹤控制輸出結(jié)果，為了保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可信度，在各個(gè)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中設(shè)置多次實(shí)驗(yàn)。

3.4 設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試指標(biāo)

此次系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)分別從跟蹤功能和控制功能兩個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置跟蹤偏移量作為跟蹤功能的測(cè)試指標(biāo)，其數(shù)值結(jié)果為：

(8)

式中,(xact-i,yact-i)和(xtrack-i,ytrack-i)分別為機(jī)載激光通信目標(biāo)的實(shí)際位置坐標(biāo)和跟蹤結(jié)果坐標(biāo)，Num表示的是系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中輸出跟蹤結(jié)果的次數(shù)。另外系統(tǒng)控制功能設(shè)置的量化測(cè)試指標(biāo)為通信誤碼率和丟包率，系統(tǒng)的控制效果越好對(duì)應(yīng)機(jī)載激光通信誤碼率和丟包率越低，控制效果測(cè)試指標(biāo)的數(shù)值結(jié)果為：

(9)

其中:Wsend和Wreceive分別為機(jī)載激光通信數(shù)據(jù)的發(fā)送量和接收量，Wsend∩Wreceive表示的是接收數(shù)據(jù)中的正確通信數(shù)據(jù)量。為了保證基于全光捕獲法的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的優(yōu)化效果，要求通信跟蹤偏移量不得高于2 m，通信誤碼率和丟包率均不得高于2%。

3.5 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)的提取與比對(duì)，得出系統(tǒng)機(jī)載激光通信跟蹤功能的測(cè)試結(jié)果，如表1所示。

表1 機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)跟蹤功能測(cè)試結(jié)果

將表1中的數(shù)據(jù)代入到公式(8)中，得出機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)在室內(nèi)和外場(chǎng)通信環(huán)境下的平均跟蹤偏移量分別為0.625 m和1.125 m。與預(yù)設(shè)值相比，偏移量分別降低了1.375 m及0.875 m，體現(xiàn)了其良好的優(yōu)化效果。另外系統(tǒng)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)控制功能的測(cè)試結(jié)果，如表2所示。

表2 機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)控制功能測(cè)試數(shù)據(jù)表

通過(guò)公式(9)的計(jì)算，得出室內(nèi)和外場(chǎng)通信環(huán)境下系統(tǒng)的平均通信誤碼率分別為0.381%和0.168%，平均丟包率為0.028%和0.739%，均低于2%，相較預(yù)設(shè)值的通信誤碼率和丟包率均得到了較好的優(yōu)化。由此證明，優(yōu)化設(shè)計(jì)的基于全光捕獲法的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)具有良好的跟蹤和控制功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)分析機(jī)載激光通信的特性以及跟蹤控制需求，利用全光捕獲法對(duì)機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并經(jīng)過(guò)測(cè)試驗(yàn)證了系統(tǒng)的功能，使機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)在滿足精度要求的同時(shí)又具有一定的自適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)在室內(nèi)和外場(chǎng)通信環(huán)境下的平均跟蹤偏移量分別為0.625 m和1.125 m，平均通信誤碼率分別為0.381%和0.168%，平均丟包率為0.028%和0.739%，較預(yù)設(shè)值均表現(xiàn)出了良好的優(yōu)化效果，有效提升了機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的應(yīng)用性能。

在未來(lái)研究中，將以機(jī)載激光通信的多目標(biāo)跟蹤控制為研究方向，進(jìn)一步完善機(jī)載激光通信跟蹤控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其能夠?qū)崿F(xiàn)多目標(biāo)機(jī)載激光通信的跟蹤控制，提升系統(tǒng)效率。