跟蹤體系論文：光通訊跟蹤體系的設計

前言：本站為你精心整理了跟蹤體系論文：光通訊跟蹤體系的設計范文，希望能為你的創作提供參考價值，我們的客服老師可以幫助你提供個性化的參考范文，歡迎咨詢。

本文作者：董冉艾勇肖永軍單欣作者單位：武漢大學

精跟蹤子系統結構

1精跟蹤系統硬件結構

精跟蹤系統的硬件結構可分為探測單元、控制單元、執行單元3個部分，其基本組件參數如表1所示。探測單元采用的是PhotonFocus公司的MV-D1024E-160型CMOS相機，其最大分辨率為1024×1024，開窗為256×256時幀頻最高可達到2200frame/s。控制單元為一臺PC機加上SiliconSofeWare公司的MicroEnableIV型圖像采集卡、一塊AC6631隔離通用4路12位D/A卡(只用到兩路)。執行單元為Newport公司的FSM300型音圈電機，其最大機械擺角為±26.2mrad，精度≤1μrad。如圖1所示，望遠鏡鏡筒中接收到的光線經過一系列反射鏡和透鏡后聚焦在相機的光敏面上成像，圖像數據通過CAMERLINK線傳遞給圖像采集卡，再由PC機處理，然后PC機控制D/A卡輸出相應的電壓制使得音圈電機產生偏轉。

2精跟蹤系統軟件及算法

作為控制單元處理器的PC機有3點主要任務：(1)控制相機及圖像采集卡；(2)將圖像信息進行處理并得到要相應的控制電壓；(3)控制D/A卡輸出相應電壓。其中第二項任務是重點也是難點所在，它又可以分為光斑的中心計算和跟蹤控制的電壓值計算。精跟蹤系統需要高頻率、高精度地得到光斑中心的位置。高精度的算法需要更大的時間開銷，也就是說精度和速度必須統一起來設計出一個最優化的算法。該系統設計了以下算法：(1)用域值分割的方法減小背景噪聲的影響。自適應域值通常需要全像素范圍的計算，因此采用固定域值分割的方法，利用人工PC機上取點得到背景值可以大幅減小運算量。不足之處是，當背景噪聲發生較大變化時，無法及時調整，會造成質心定位的不準確。(2)國內外文獻顯示，對于精跟蹤來說，質心法是一種比較適宜的光斑中心的計算方法[5-6]，所有高于域值的像素點均參與運算，所有低于域值的像素點當作是零。這種方法的缺點是，當離質心較遠的像素出現大于域值的噪聲點時，將很大地影響質心的精度，因此通常域值會取偏大一些，這樣雖然會減小光斑的實際范圍，但其對質心精度的影響較小[7]。跟蹤控制的電壓值計算采用的是增量式PID算法。經過優化后的最終算法，在處理256×256分辨率的圖像時，從接收圖像到發出控制電壓耗時約為0.3ms，已經完全能滿足實時處理精跟蹤相機2200幀頻圖像的要求，且受外界背景光影響較小，在白天仍然能正常工作。

實驗過程及結果分析

通信實驗在武漢大學信息學部實驗大樓和工學部主教學樓之間進行，兩樓直線距離約為2km。實驗時信息學部上的發射端向工學部的接收端同時發射650nm信標光和1550nm信號光。由于粗跟蹤和精跟蹤之間未建立反饋鏈接，因此采用的是跟蹤標定點的方法，即粗跟蹤將其CCD上的光斑保持在某個給定點時，精跟蹤相機上的光斑進入視場，精跟蹤將光斑穩定在光敏面上的給定點時，信號光接收光功率被最大化。接收端下方的一維旋轉平臺以指定角速度轉動，模擬發射端在水平面上運動的情況。精跟蹤系統的PC機由C++編寫的程序里有坐標的記錄功能，將其保存下來繪成隨幀號變化的圖形。共采集了旋轉平臺在不同的6種角速度下的光斑質心X、Y軸坐標。圖2、3為其中的兩組，中間的劇烈變化部分為精跟蹤停止工作時的曲線，用于與跟蹤狀態下的曲線進行對比。同時，在原本放置APD的地方放置了光功率計記錄光功率的變化，并將數據傳送到PC機中，通過LabView編寫的程序將其保存下來。

1精跟蹤相機端實驗結果及分析

對于精跟蹤系統來說，需要跟蹤補償的光線傾斜角相當大一部分低頻是由粗跟蹤的殘差造成的，大氣湍流造成的抖動幅度則要小的多。因此，表2列出了運動平臺在不同運動速度下粗跟蹤系統的殘差，而由于光路中透鏡的變換，粗跟蹤中X軸的抖動在精跟蹤中表現為Y軸的抖動，Y軸則表現為X軸。可以看到表中粗跟蹤系統在平臺運動角速度大于0.8(°)/s時，其殘差已經大于精跟蹤的500μrad視場，但精跟蹤系統的執行機構—音圈電機的偏轉范圍高達±26mrad，且其反應速度和相機幀頻都相當高，而粗跟蹤的殘余抖動頻率相對較低，一般僅為幾Hz，因此，只要光斑進入過精跟蹤視場，即使總偏移角度大于500μrad，仍然可以被有效跟蹤到。經過精跟蹤系統的補償后，在定點及各種不同運動速度時的光斑質心變化如圖2、3及表3所示。由于轉臺慣量等原因，粗跟蹤的殘差隨模擬運動速度的變快而變大，也就是精跟蹤在單位時間內要補償的角度傾斜也在增大，因此預計精跟蹤后的光斑坐標浮動也將隨著運動速度的變快而變大。由于是一維轉動，表3中，只有精跟蹤的Y方向也就是粗跟蹤的X方向質心坐標標準差的變化基本符合課題組的預測。但是最大偏移量卻呈現出無規律的變化，初步推斷是由于最大偏移量本身受突發因素的影響較大，而每組數據的記錄時間只有幾十秒，樣本不夠大而導致的。圖3中，當平臺運動速度較高時，跟蹤曲線出現了沒有被補償到的低頻抖動，且其頻率基本和粗跟蹤的殘余抖動一致，課題組推斷這是因為粗跟蹤殘差已經達到毫弧度級，經過望遠鏡放大，在精跟蹤光路中則達到了十幾毫弧度，做為執行機構，音圈電機在大幅度偏轉時響應速度較慢，而且在粗跟蹤殘差很大時，到達精跟蹤相機的光斑不僅產生了位移還產生了高頻的明顯形變，從而產生了質心的變化。

2光功率計實驗結果及分析

由于跟蹤系統最終是為通信服務的，為了得到跟蹤系統對通信的效果和影響，把能向PC機傳輸數據的光功率計接入了在原通信系統中用來接收信號光的光纖處，以10kHz的頻率采集耦合后的光功率，以此來評估跟蹤對通信系統的影響。實驗結果如圖4、圖5及表4所示。實驗結果表明在各種平臺運動速度下，接收到的光功率的均值、標準差基本和平臺不動時的定點實驗時采集到的數據一致。上節中，精跟蹤相機端實驗結果中的精跟蹤殘差由于幅度較小，而耦合有一定的接收面積，在光功率上基本沒有體現出隨著平臺運動速度而變化的特點。表4中還加入了兩組未開啟精跟蹤時的數據對比，可以看到第一組數據記錄過程中，光斑完全未能耦合入光纖中，其數據基本可認為是背影噪聲，而在第二組數據中，有短時間的耦合成功，但標準差遠遠大于開啟跟蹤時。而表4中的最大起伏值除了一組完全未能耦合的以外基本相同，課題組推斷，是由于光斑閃爍變化的幅度本身就已經達到了光功率計能測量到的上限，所以文中的最大起伏已經是由閃爍引起的而不是光斑位移引起的，而這是一維的精跟蹤系統無能為力的。

結論

APT系統一直是激光通信系統能否成功的關鍵技術。設計的APT系統中的精跟蹤部分，通過對精跟蹤相機端實驗數據和光功率計實驗數據的分析，可以認為該設計基本達到了設計目標，能夠當目標以小于1.2(°)/s的角速度運動時，將誤差保持在系統的允許范圍內，保障了鏈路的暢通。同時，通過實驗，也發現了一些問題：(1)由于精跟蹤與APD接收模塊之間無反饋回路，因此只能靠人工定出光功率較高的點，而光功率本身由于閃爍、飄移等十分不穩定，定出的較高點往往并不一定是效果最好的點。(2)當粗跟蹤殘差較大時，精跟蹤會出現未補償的低頻抖動，這點有望通過控制算法的改進來解決。