基于QD与MEMS振镜的微纳激光通信终端伺服技术研究.docx

? ? 基于QD与MEMS振镜的微纳激光通信终端伺服技术研究 ? ? 陈韵，于笑楠，江伦，张家齐，佟首峰 （长春理工大学 光电工程学院，长春 130022） 近年来，随着空间激光通信技术的不断发展，其在全球通信应用中的需求也愈发迫切［1-2］。由于微纳卫星具有重量轻、体积小、成本低、研制周期短的特点，使其在空间激光通信领域展现出良好的应用前景［3］。依据国外微纳卫星平台振动功率谱分析，近距离激光链路波束宽度为毫弧度量级，平台在中高频范围内所引起的微弧度量级振动可忽略不计［4］。为了抑制卫星平台振动以建立稳定的激光链路，瞄准捕获跟踪（APT）系统是关键。 由于微纳卫星自身体积功耗有限，无法搭载大质量、高功耗的通信终端，需选用微纳器件作为激光通信终端的APT系统。APT系统主要由综合控制单元、光学天线、伺服瞄准机构及光敏位置探测单元等组成。为了实现高精度、大视场、小体积、低功耗的APT系统，伺服瞄准机构与光敏位置探测单元是关键。四象限探测器以其响应速度快、灵敏度高和宽光谱范围等特点，通常被选用作为精跟踪光敏位置探测单元来确定光斑质心［5］。MEMS振镜凭借其转动范围大、响应速率快、执行精度高、体积小的优势，是目前伺服瞄准机构中比较理想的驱动元件。对于精跟踪光斑探测器，其跟踪视场受到跟踪检测分辨率、天空背景光和捕获时间等因素限制。为了减小捕获时间，提高捕获概率，应尽量增加跟踪视场角。当接收信标光斑较小时，不但对跟踪视场角的要求降低，而且小光斑的光束能量更为集中，更利于探测器的检测，增加跟踪精度［6-8］。 本文首先从不同光斑大小对跟踪精度影响入手，研究了其理论基础，分析了光斑大小对四象限探测器跟踪精度的影响，并根据实际系统分析了高斯模式的光斑，针对小光斑对QD跟踪通信系统的影响，设计了一种小光斑捕获跟踪算法，并考虑系统的小型化、工程化的要求，设计了一套基于QD和MEMS振镜伺服通信一体化系统的微纳激光通信终端，进行了捕跟实验验证，并给出了相应实验结果。 1 光斑检测精度分析 四象限探测器可看作四个性能相同的光电二极管，并按照四个象限的形式要求排列而成的光电探测器件［9］。照射到探测器靶面上的光斑被分成四个部分，其面积记为SA、SB、SC、SD。面积大小与四个象限接收的光功率PA、PB、PC、PD以及四象限输出的电压UA、UB、UC、UD成正比。一般采用光斑质心算法判别光斑中心［10-11］。 如图1所示，以QD的中心为坐标原点，十字沟道作为坐标轴建立直角坐标系，外圆为四象限探测器的感光靶面，R为其半径；内圆为光源光斑，r为其半径，O为四个象限的坐标原点，O′(x0,y0)为光斑中心的实际位置。 图1 光斑与QD靶面位置示意图 设Δx、Δy分别为横向和纵向的脱靶量，则脱靶量、光斑分布面积、四个象限接收光功率以及四个象限输出的电压关系为： 式中，I(x,y)为坐标(x,y)处的光强；I0为峰值光强；ω为光束半径。由上式可知当单位峰值光强I0一定时，光束束腰半径与光斑强度呈正比。 在实际应用中激光光源照射到四象限探测器光敏面上的光斑光强分布可视为高斯分布，一、三象限输出的光电流与二、四象限输出的光电流为： 因此光斑质心所在位置的x坐标Dx为： 由上式可知探测器所得位置横坐标Dx与坐标(x,y)所在处光强I(x,y)有一定关系。利用Matlab进行光斑强度与四象限探测器理论计算偏移量关系的数值仿真，设感光靶面半径R=4，光斑半径r=1，单位峰值光强I0，通过束腰半径表征光斑强度，分别选择束腰半径ω=0.5、1、2、3，可得其理论计算偏移量和实际偏移量的关系曲线如图2所示。 图2 光斑强度与探测灵敏度Matlab仿真曲线 由关系曲线可知，随着光斑的束腰半径增大，光斑脱靶量与实际偏移量越来越接近，曲线斜率随着光斑束腰半径的增大而减小。随着高斯光斑束腰半径的减小，理论计算偏移量与实际偏移量的关系曲线斜率越来越大，即四象限探测器的灵敏度增大。 2 系统组成与算法设计 2.1 系统组成 激光通信载荷主要由综合控制分系统、收/发光学分系统、APT分系统组成，可完成全双工通信跟踪功能，其光学架构与伺服系统结构如图3所示。APT分系统由四象限探测器、模拟/数字（A/D）转换、数字/模拟（D/A）转换、振镜驱动单元、MEMS振镜等单元组成。四象限探测器使用800 nm红外波段QA4000型号，选用808/850 nm波段激光器作为发射光源。伺服执行机构选用MEMS振镜，靶面直径为5 mm，最大偏转角度为±5°，16位分辨率。综合控制单元采用ARM公司的STM32F103芯片作为主控单元，确保系统的稳定工作。通过QD+MEMS振镜的组合实现伺服通信一体化设计，最大程度上减小了激光通信载荷的体积功耗，载荷体积为98 mm×98 mm×60 mm，质量为6