四象限探测器的跟踪与通信复合探测技术
发布时间：2020-10-30 23:24
针对空间激光通信系统小型化设计的需求,提出了使用雪崩二极管(APD)型四象限探测器实现跟踪与通信复用的方案,用以降低通信系统的体积和功耗,提高光能量的利用率。简述了系统总体方案的组成与工作原理,在室内搭建测试平台,对跟踪与通信复用模式下的数据采集、通信速率、极限灵敏度、跟踪精度等探测性能进行测试。结果表明:采用靶面直径为4mm的APD型InGaAs四象限探测器,在曼彻斯特编码、强度调制/直接探测条件下,通信速率可达10 Mb/s,探测灵敏度为-35.4dBm,误码率为10~(-6)。当光斑直径为四象限探测器光敏面直径的一半左右时,光斑位置检测的最小分辨率为2μm,探测范围可达0.8 mm,角分辨率为0.8μrad。初步验证了使用APD型四象限探测器用于跟踪与通信复合探测技术的可行性,为空间激光通信系统小型化设计提供技术支持。
【部分图文】：
Ｄ）条件下，得到了通信速率为１０Ｍｂ／ｓ，探测灵敏度为－３５．４ｄＢｍ，误码率（ＢＥＲ）为１０－６的技术指标，初步验证了四象限探测器在低速率通信条件下跟踪与通信复合探测技术的可行性，为空间激光通信系统小型化和低功耗设计提供了技术支持。２四象限探测器跟踪与通信复合探测原理２．１四象限探测器的跟踪原理四象限探测器的本质是四个独立且性能几乎完全一样的光电二极管按照平面直角坐标系排列而成，通过检测光电流的大小，解算出光斑的坐标信息，为伺服单元提供脱靶量［７］。如图１所示，假设光斑在ＱＤ上的形状为圆形，能量分布服从均匀分布，且光斑覆盖四个象限。根据各象限中的光功率与该象限中光斑面积图１光束偏转角度与偏移量的关系Ｆｉｇ．１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｂｅａｍａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｓｅｔ成正比，得到光斑在ＱＤ光敏面上的相对偏移量Δｘ，Δｙ，即Δｘ＝Ｋｘ（ＳＡ＋ＳＤ）－ＳＢ＋Ｓ（Ｃ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｘ（ＰＡ＋ＰＤ）－ＰＢ＋Ｐ（Ｃ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｘ（ＩＡ＋ＩＤ）－ＩＢ＋Ｉ（Ｃ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，（１）Δｙ＝Ｋｙ（ＳＡ＋ＳＢ）－ＳＣ＋Ｓ（Ｄ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｙ（ＰＡ＋ＰＢ）－ＰＣ＋Ｐ（Ｄ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｙ（ＩＡ＋ＩＢ）－ＩＣ＋Ｉ（Ｄ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，
较弱，该方法主要应用在光斑偏离光敏面中心，只落在某一象限或某两个象限之间的情况。ＭＲＣ根据接收到的四路信号的信噪比，选择不同的加权因子实现最佳合并，该技术对信号的改善效果最明显，但是算法相对复杂，在硬件上较难实现，不适合空间激光通信系统。ＥＧＣ要求光斑均匀落在四个象限上，采用相同增益系数对四条支路分别进行处理，获得最大的信号能量，提高接收信噪比，其改善效果仅次于ＭＲＣ。针对三种分集合并方式对信噪比提高的程度，利用Ｍａｔｌａｂ仿真分析了四象限探测器分集数量与信噪比关系，如图３所示。从图３可以看出，相较于无分集接收，三种分集接收合并技术都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ对信噪比的改善能力最为显著，ＳＣ效果最差。当光斑落在四个象限即分集数Ｎ为４时，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ对信噪比的提高能力分别为３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系统采用分集技术，ＳＣ对信号的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。图３三种合并方法的性能对比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ图４不同分集数下信噪比与误码率的关系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ图４为分集数Ｎ为２和４时三种分集合并方式及无分集（ＮＣ）时的信噪比与误码率的关系曲线图。可以看出，在信噪比一定的情况下，光斑分布在两个象限即Ｎ＝２时，无分集时的误码率最大，ＭＲＣ
技术都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ对信噪比的改善能力最为显著，ＳＣ效果最差。当光斑落在四个象限即分集数Ｎ为４时，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ对信噪比的提高能力分别为３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系统采用分集技术，ＳＣ对信号的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。图３三种合并方法的性能对比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ图４不同分集数下信噪比与误码率的关系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ图４为分集数Ｎ为２和４时三种分集合并方式及无分集（ＮＣ）时的信噪比与误码率的关系曲线图。可以看出，在信噪比一定的情况下，光斑分布在两个象限即Ｎ＝２时，无分集时的误码率最大，ＭＲＣ误码率最０９０６００９－３
【相似文献】
本文编号：2863141
【部分图文】：
Ｄ）条件下，得到了通信速率为１０Ｍｂ／ｓ，探测灵敏度为－３５．４ｄＢｍ，误码率（ＢＥＲ）为１０－６的技术指标，初步验证了四象限探测器在低速率通信条件下跟踪与通信复合探测技术的可行性，为空间激光通信系统小型化和低功耗设计提供了技术支持。２四象限探测器跟踪与通信复合探测原理２．１四象限探测器的跟踪原理四象限探测器的本质是四个独立且性能几乎完全一样的光电二极管按照平面直角坐标系排列而成，通过检测光电流的大小，解算出光斑的坐标信息，为伺服单元提供脱靶量［７］。如图１所示，假设光斑在ＱＤ上的形状为圆形，能量分布服从均匀分布，且光斑覆盖四个象限。根据各象限中的光功率与该象限中光斑面积图１光束偏转角度与偏移量的关系Ｆｉｇ．１Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｔｈｅｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎｏｆｌｉｇｈｔｂｅａｍａｎｄｐｏｓｉｔｉｏｎｏｆｆｓｅｔ成正比，得到光斑在ＱＤ光敏面上的相对偏移量Δｘ，Δｙ，即Δｘ＝Ｋｘ（ＳＡ＋ＳＤ）－ＳＢ＋Ｓ（Ｃ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｘ（ＰＡ＋ＰＤ）－ＰＢ＋Ｐ（Ｃ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｘ（ＩＡ＋ＩＤ）－ＩＢ＋Ｉ（Ｃ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，（１）Δｙ＝Ｋｙ（ＳＡ＋ＳＢ）－ＳＣ＋Ｓ（Ｄ）ＳＡ＋ＳＢ＋ＳＣ＋ＳＤ＝Ｋｙ（ＰＡ＋ＰＢ）－ＰＣ＋Ｐ（Ｄ）ＰＡ＋ＰＢ＋ＰＣ＋ＰＤ＝Ｋｙ（ＩＡ＋ＩＢ）－ＩＣ＋Ｉ（Ｄ）ＩＡ＋ＩＢ＋ＩＣ＋ＩＤ，
较弱，该方法主要应用在光斑偏离光敏面中心，只落在某一象限或某两个象限之间的情况。ＭＲＣ根据接收到的四路信号的信噪比，选择不同的加权因子实现最佳合并，该技术对信号的改善效果最明显，但是算法相对复杂，在硬件上较难实现，不适合空间激光通信系统。ＥＧＣ要求光斑均匀落在四个象限上，采用相同增益系数对四条支路分别进行处理，获得最大的信号能量，提高接收信噪比，其改善效果仅次于ＭＲＣ。针对三种分集合并方式对信噪比提高的程度，利用Ｍａｔｌａｂ仿真分析了四象限探测器分集数量与信噪比关系，如图３所示。从图３可以看出，相较于无分集接收，三种分集接收合并技术都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ对信噪比的改善能力最为显著，ＳＣ效果最差。当光斑落在四个象限即分集数Ｎ为４时，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ对信噪比的提高能力分别为３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系统采用分集技术，ＳＣ对信号的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。图３三种合并方法的性能对比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ图４不同分集数下信噪比与误码率的关系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ图４为分集数Ｎ为２和４时三种分集合并方式及无分集（ＮＣ）时的信噪比与误码率的关系曲线图。可以看出，在信噪比一定的情况下，光斑分布在两个象限即Ｎ＝２时，无分集时的误码率最大，ＭＲＣ
技术都在一定程度上提高了信噪比，ＭＲＣ对信噪比的改善能力最为显著，ＳＣ效果最差。当光斑落在四个象限即分集数Ｎ为４时，ＳＣ、ＥＧＣ和ＭＲＣ对信噪比的提高能力分别为３．１９ｄＢ、５．２６ｄＢ和６．０２ｄＢ，即通信系统采用分集技术，ＳＣ对信号的能量提高了８％，ＥＧＣ提高了３５％，ＭＲＣ提高了９９．９％。图３三种合并方法的性能对比Ｆｉｇ．３Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｒｅｅｃｏｎｓｏｌｉｄａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓ图４不同分集数下信噪比与误码率的关系Ｆｉｇ．４Ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐｂｅｔｗｅｅｎｓｉｇｎａｌｎｏｉｓｅｒａｔｉｏａｎｄｂｉｔｅｒｒｏｒｒａｔｅｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｄｉｖｅｒｓｉｔｉｅｓ图４为分集数Ｎ为２和４时三种分集合并方式及无分集（ＮＣ）时的信噪比与误码率的关系曲线图。可以看出，在信噪比一定的情况下，光斑分布在两个象限即Ｎ＝２时，无分集时的误码率最大，ＭＲＣ误码率最０９０６００９－３
【相似文献】
相关期刊论文 前6条
1 徐代升;;四象限探测系统信号光斑的优化设计[J];湖南理工学院学报(自然科学版);2007年01期
2 张金瑞;母一宁;王贺;张智;;四象限精跟踪光轴检测模型与误差分析[J];半导体光电;2014年02期
3 梁巍巍;殷瑞光;李慧;赵宏鹏;张文攀;;激光损伤四象限探测器对制导武器的影响[J];红外与激光工程;2013年10期
4 陈梦苇;杨应平;贾信庭;冷芬;;四象限探测器光斑中心定位算法研究[J];武汉理工大学学报(交通科学与工程版);2013年05期
5 魏枫林;母一宁;尚瑞瑞;刘泉;;基于四象序列的最大熵原则的光轴对准方法[J];红外与激光工程;2013年07期
6 Jon Munson;;可提供任意极性电压和电流的四象限电源[J];电子设计技术;2004年05期
相关硕士学位论文 前1条
1 杨兆龙;基于四象限探测器的光斑位置检测数据采集与处理系统的设计及实现[D];中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所);2015年
本文编号：2863141
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/xinxigongchenglunwen/2863141.html
