空间激光通信收发同轴角锥标校技术研究
发布时间：2021-04-27 12:12
面对空间信息需求的急速增长,在通信方面具有很大潜力的空间激光通信系统越来越受到重视。空间光通信的通信容量大,通信过程难以被截获,高效而安全,同时光通信终端结构较简单,极大的减少了体积和重量,在保证通信能力的前提下,也顺应了卫星小型化、轻型化的发展趋势。通信终端的光学天线系统设计对通信的质量,以及终端整体的体积、重量都有着重要的影响。本文所属课题选用收发同轴模式的光学天线系统,采用角锥棱镜作为反馈装置,能够有效的减少了光学天线系统的体积及重量。角锥棱镜具由优秀的后向反射特性,但其本身不可避免的存在异形反射光斑以及由加工带来的二面角误差的问题。目前,国内对角锥应用于高精度光学检测系统的研究工作,缺少对这一问题的探讨。除此之外,收发同轴系统对四象限探测器检测数据的后端处理电路具有高效、灵活、成本低、实时性强的要求,而FPGA具有的并行运算能力非常适用与此角锥标校系统,故本文选择基于FPGA平台进行后端电路的数字系统的设计。本文针对收发同轴角锥标校技术完成了一下内容的研究:（1）设计了收发同轴角锥标校的光学原理,并经行了仿真模拟。利用矩阵光学、矢量光学的方法建立了角锥棱镜的后向反射模型,选择几...
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究概况及发展趋势
1.2.1 国外激光终端收发系统
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 收发同轴标校技术光学原理
2.1 光路原理设计
2.2 角锥姿态对测量的影响简析
2.2.1 偏摆角对检测的影响
2.2.2 俯仰角对检测的影响
2.2.3 滚转角对检测的影响
2.3 角锥反射器数学模型
2.3.1 角锥棱镜反射矩阵
2.3.2 坐标系变换矩阵
2.4 四象限探测器位置检测算法
2.4.1 中心近似法
2.4.2 多项式拟合法
2.4.3 几何近似法
2.5 模型质心偏移仿真结果
2.6 探测器仿真结果与分析
2.7 本章小结
第3章 光斑检测原理介绍
3.1 四象限探测器工作原理
3.1.1 光生伏特原理
3.2 四象限探测器位置检测原理
3.3 光斑能量分布模型
3.3.1 高斯分布模型
3.3.2 均匀分布模型
3.4 影响探测器检测的因素
3.4.1 光斑的大小与位置
3.4.2 暗区对探测器的影响
3.5 本章小结
第4章 收发同轴实时检测电路设计
4.1 电路系统设计
4.2 四象限探测器选用
4.3 低噪声电流前置放大器选用
4.4 FPGA信号处理电路
4.4.1 芯片选型
4.4.2 电源电路设计
4.4.3 外围电路设计
4.5 AD采集模块设计
4.5.1 AD7606工作模式介绍
4.5.2 AD7606电源部分电路
4.5.3 AD7606采集电路设计
4.6 R485串口设计
4.7 本章小结
第5章 模块设计与系统仿真
5.1 硬件描述语言与环境
5.1.1 硬件描述语言 Verilog HDL
5.1.2 系统开发环境 Quartus Ⅱ
5.1.3 状态机设计思想
5.2 数据采集AD部分驱动设计
5.3 异步FIFO设计
5.3.1 FIFO介绍
5.3.2 FIFO的重要参数参数
5.3.3 异步FIFO设计
5.4 RS485控制器设计
5.5 仿真与测试
5.5.1 AD仿真波形测试
5.5.2 FIFO仿真测试
5.6 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法[J]. 唐彦琴,顾国华,钱惟贤,陈钱,张骏. 红外与激光工程. 2017(02)
[2]斜入射条件下角锥棱镜光学特性分析[J]. 周斌,刘秉琦,张瑜. 激光与红外. 2011(11)
[3]基于RS-485主从通信协议的改进[J]. 周建章,赵颖. 电子质量. 2011(01)
[4]角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析[J]. 杨雨川,罗晖. 红外与激光工程. 2010(03)
[5]关于四象限探测器确定光斑位置的研究[J]. 路静. 科技风. 2009(19)
[6]激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响[J]. 刘万里,欧阳健飞,曲兴华. 光学精密工程. 2009(02)
[7]光镊系统中QD器件标定与非线性修正技术研究[J]. 王自强,魏衡华,谷勇强,李银妹. 自动化仪表. 2007(09)
[8]小角度测量的光学方法[J]. 周红锋,宫爱玲. 计量技术. 2006(07)
[9]角锥棱镜用于激光直线度测量的特性分析[J]. 匡萃方,冯其波,刘斌. 光学技术. 2005(02)
[10]用矢量方法分析角锥棱镜的反射特性[J]. 匡萃方,冯其波,刘欣. 应用光学. 2004(02)
博士论文
[1]基于四象限探测器的高精度激光光斑位置检测技术研究[D]. 吴佳彬.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]星地量子通信高精度ATP系统研究[D]. 钱锋.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[3]卫星光通信光学系统优化设计及性能评测方法研究[D]. 俞建杰.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]星载激光通信终端光学系统研究[D]. 程彦彦.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2012
[2]空间光通信中光学天线系统的设计及性能分析[D]. 冉英华.电子科技大学 2009
[3]卫星光通信APT系统设计实现[D]. 李昕.华中科技大学 2007
[4]角锥棱镜角度误差测量系统的研究[D]. 林来宾.华中科技大学 2007
[5]空间光通信系统的研究与设计[D]. 王萍萍.武汉大学 2004
本文编号：3163446
【文章来源】：中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)陕西省
【文章页数】：92 页
【学位级别】：硕士
【文章目录】：
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 研究背景和意义
1.2 国内外研究概况及发展趋势
1.2.1 国外激光终端收发系统
1.2.2 国内研究现状
1.3 本文主要研究内容
第2章 收发同轴标校技术光学原理
2.1 光路原理设计
2.2 角锥姿态对测量的影响简析
2.2.1 偏摆角对检测的影响
2.2.2 俯仰角对检测的影响
2.2.3 滚转角对检测的影响
2.3 角锥反射器数学模型
2.3.1 角锥棱镜反射矩阵
2.3.2 坐标系变换矩阵
2.4 四象限探测器位置检测算法
2.4.1 中心近似法
2.4.2 多项式拟合法
2.4.3 几何近似法
2.5 模型质心偏移仿真结果
2.6 探测器仿真结果与分析
2.7 本章小结
第3章 光斑检测原理介绍
3.1 四象限探测器工作原理
3.1.1 光生伏特原理
3.2 四象限探测器位置检测原理
3.3 光斑能量分布模型
3.3.1 高斯分布模型
3.3.2 均匀分布模型
3.4 影响探测器检测的因素
3.4.1 光斑的大小与位置
3.4.2 暗区对探测器的影响
3.5 本章小结
第4章 收发同轴实时检测电路设计
4.1 电路系统设计
4.2 四象限探测器选用
4.3 低噪声电流前置放大器选用
4.4 FPGA信号处理电路
4.4.1 芯片选型
4.4.2 电源电路设计
4.4.3 外围电路设计
4.5 AD采集模块设计
4.5.1 AD7606工作模式介绍
4.5.2 AD7606电源部分电路
4.5.3 AD7606采集电路设计
4.6 R485串口设计
4.7 本章小结
第5章 模块设计与系统仿真
5.1 硬件描述语言与环境
5.1.1 硬件描述语言 Verilog HDL
5.1.2 系统开发环境 Quartus Ⅱ
5.1.3 状态机设计思想
5.2 数据采集AD部分驱动设计
5.3 异步FIFO设计
5.3.1 FIFO介绍
5.3.2 FIFO的重要参数参数
5.3.3 异步FIFO设计
5.4 RS485控制器设计
5.5 仿真与测试
5.5.1 AD仿真波形测试
5.5.2 FIFO仿真测试
5.6 本章小结
第6章 总结与展望
6.1 本文工作总结
6.2 未来工作展望
参考文献
致谢
作者简历及攻读学位期间发表的学术论文与研究成果
【参考文献】：
期刊论文
[1]四象限探测器基于高斯分布的激光光斑中心定位算法[J]. 唐彦琴,顾国华,钱惟贤,陈钱,张骏. 红外与激光工程. 2017(02)
[2]斜入射条件下角锥棱镜光学特性分析[J]. 周斌,刘秉琦,张瑜. 激光与红外. 2011(11)
[3]基于RS-485主从通信协议的改进[J]. 周建章,赵颖. 电子质量. 2011(01)
[4]角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析[J]. 杨雨川,罗晖. 红外与激光工程. 2010(03)
[5]关于四象限探测器确定光斑位置的研究[J]. 路静. 科技风. 2009(19)
[6]激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响[J]. 刘万里,欧阳健飞,曲兴华. 光学精密工程. 2009(02)
[7]光镊系统中QD器件标定与非线性修正技术研究[J]. 王自强,魏衡华,谷勇强,李银妹. 自动化仪表. 2007(09)
[8]小角度测量的光学方法[J]. 周红锋,宫爱玲. 计量技术. 2006(07)
[9]角锥棱镜用于激光直线度测量的特性分析[J]. 匡萃方,冯其波,刘斌. 光学技术. 2005(02)
[10]用矢量方法分析角锥棱镜的反射特性[J]. 匡萃方,冯其波,刘欣. 应用光学. 2004(02)
博士论文
[1]基于四象限探测器的高精度激光光斑位置检测技术研究[D]. 吴佳彬.中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所) 2016
[2]星地量子通信高精度ATP系统研究[D]. 钱锋.中国科学院研究生院（上海技术物理研究所） 2014
[3]卫星光通信光学系统优化设计及性能评测方法研究[D]. 俞建杰.哈尔滨工业大学 2009
硕士论文
[1]星载激光通信终端光学系统研究[D]. 程彦彦.中国科学院研究生院(西安光学精密机械研究所) 2012
[2]空间光通信中光学天线系统的设计及性能分析[D]. 冉英华.电子科技大学 2009
[3]卫星光通信APT系统设计实现[D]. 李昕.华中科技大学 2007
[4]角锥棱镜角度误差测量系统的研究[D]. 林来宾.华中科技大学 2007
[5]空间光通信系统的研究与设计[D]. 王萍萍.武汉大学 2004
本文编号：3163446
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