大气湍流下的光斑定位方法研究

发布时间：2020-03-19 09:23

【摘要】：空间光通信是在星间和星地间建立高速通信链路的重要有效手段,相比于微波通信,光通信具有通信容量大、传输速率高、保密性好、功耗低等诸多优点,引起了世界各国学者的广泛关注。在星地空间光通信中,地面和卫星之间存在着一段长距离的大气,而大气中时刻存在着湍流效应,会使通过其中的光束发生漂移、扩展和光强起伏等现象,导致接收端探测到的光斑出现不同程度的畸变。传统的光斑定位方法对对称性良好、分布均匀的光斑具有较高的定位精度,但随着光斑畸变程度增大,传统定位方法精度也会一定程度的降低。虽然目前的自适应光学技术已经可以实时探测并矫正由大气湍流引起的光束波前相位畸变,但由于系统设计、计算机处理能力和存在数据测量误差等原因,应用仍然受限。因此有必要研究适用于大气湍流情况下的光斑定位方法。本文分析了大气湍流对光斑质心和形心位置的影响,利用Zernike多项式法,生成大气相位屏并对受湍流影响的光斑进行仿真,以分析湍流影响下可能出现的光强分布情况和特征。根据湍流对光斑分布的影响提出了一种根据光斑畸变程度对质心形心加权的定位方法,并进行了验证。在此基础上,利用BP神经网络在处理内部机制复杂问题时的优势,提出一种基于BP神经网络的光斑定位方法,以光斑的特征数据,如形心、质心、峰值、峰的数目等,作为神经网络的输入值,通过训练模型的方式对光斑特征加权。进行了大气外场实验,在不同天气、不同时间段下通过11.16 km的城市水平链路采集了大量受湍流影响的光斑图像,提取出畸变程度不同的光斑特征,并对提出的基于BP神经网络的光斑定位算法进行了验证。验证结果表明本文提出的算法能够有效的提升大气湍流影响下的畸变光斑的定位精度。
【图文】：

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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文标光被地面终端捕获时，信标光束到达接受系统的望远镜，镜对光束中的杂散光进行过滤，再通过一组光学透镜聚焦到CD得到的激光光斑进行图像处理和分析，确定信标光光斑的射光束和光学天线光轴之间的跟瞄偏差角。地面终端再根据向，调整接收天线的方向，以持续锁定跟踪地面终端。通信模块开始发出信号光，，信号光与信标光的频率各不相同端天线后被分为两路，一路进入通信回路，另一路通过光学焦平面上光电探测器上。CCD 探测器再将入射光束转化为2-1 所示为光束入射角与接收端探测器上光斑位置的关系，在立坐标系OXY-Z，其OX轴是透镜中心轴线与探测器中心之测器的竖直平面内，并与 OY 轴垂直。

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气湍流的基本理论大气湍流球大气是我们赖以生存的环境，同时也是一个非常复杂的系统。大气为提供氧气、过滤掉太阳有害的紫外辐射、阻挡地球辐射的外溢，也为声介质。但另一方面，大气也遮蔽了我们的眼睛，使我们无法对之外的宇真切[36, 37]。束在湍流大气中传输的分析是大气光学中最为困难的部分之一。大气介质折射率随机起伏，会导致在其中传输的激光的波前阵面畸形，使得性变差，光束的光学质量降低，导致光束出现随机漂移、激光束能量在的重新分布、激光束传输路径长度的起伏、光强起伏等现象。如图 2-2 所激光通信中，大气湍流对激光束的这些影响会导致接收端探测到的激畸变、展宽和破碎等。随着传输距离的增大和湍流强度的增强，湍流大造成的上述影响会更为明显，严重影响到了空间光通信中星地链路的。因此有必要定量的描述大气湍流对激光光斑特征的改变。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1;O357.5

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