空间激光通信中四象限光电探测器环形光斑检测及误差补偿

李生民; 张圆清

doi:doi:10.3788/CJL201744.1106005

中国激光, 2017, 44 (11): 1106005, 网络出版: 2017-11-17

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Annular Facula Detection and Error Compensation of Four-Quadrant Photoelectric Detector in Space Laser Communication

李生民 ^1,2张圆清 ^1,2,*

作者单位

¹ 陕西省复杂系统控制与智能信息处理重点实验室, 陕西西安 710048

² 西安理工大学自动化与信息工程学院, 陕西西安 710048

图 & 表

图 1. QD工作原理图

Fig. 1. Working principle of QD

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图 2. 卡式光学天线系统结构示意图

Fig. 2. Structural schematic of Cassegrain optical antenna system

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图 3. 能量呈高斯分布的光斑模型。 (a)完整圆形光斑;(b)环形光斑

Fig. 3. Models of facula with Gaussian distribution energy. (a) Complete circular facula; (b) annular facula

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图 4. APT系统结构示意图。(a)精跟踪光束对准检测系统;(b)光束横向漂移;(c)光束与接收天线视轴夹角误差

Fig. 4. Structural schematic of APT system. (a) Beam alignment detection system for fine tracking; (b) beam transverse drift; (c) angle error of beam and receiving antenna boresight

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图 5. (a)环形光斑检测示意图;(b) (0.14,0)处的x解算值分布图

Fig. 5. (a) Schematic of annular facula detection; (b) distribution of calculated values of x at (0.14, 0)

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图 6. QD环形光斑能量分布图。 (a)光束已对准;(b) 0
Fig. 6. Annular facula energy distributions of QD. (a) Beam has been aligned; (b) 0
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图 7. 环形光斑与完整光斑算法的误差分析。(a) X轴输出结果与实际光斑位置;(b)检测灵敏度

Fig. 7. Error analysis of annular facula and complete facula algorithms. (a) X-axis output results and position of actual facula; (b) detection sensitivity

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图 8. Rd=1 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 8. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rd=1 mm

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图 9. Rx=0.3 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 9. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rx=0.3 mm

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图 10. 补偿算法示意图。 (a)补偿值;(b)补偿角度误差

Fig. 10. Schematic of compensation algorithm. (a) Compensation value; (b) compensation of angle error

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图 11. 实验系统示意图

Fig. 11. Diagram of experimental system

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图 12. 光斑搜索过程示意图。(a)螺旋扫描路径图;(b)扫描过程输出数据图

Fig. 12. Schematic of facula search process. (a) Path of helical scanning; (b) output data of scanning process

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图 13. 遮光比确定时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'变化的实测数据图

Fig. 13. Measured data of variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when shading ratio is determined

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图 14. 环形光斑位置偏移量检测结果

Fig. 14. Detection value of position offset of annular facula

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图 15. 精对准光斑脱靶量

Fig. 15. Miss distance of facula in fine tracking

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表 1环形光斑误差值补偿过程计算

Table1. Compensation process calculation of annular facula error value

Annular faculadetectionvalue /mm	Completefacula slope(tanθ)	Annularfacula slope(tanα)	F /mm	e /mm	s /mm	Actual angleerror /μrad
0.052			0.059	0.023	0.082	16.4
0.102			0.116	0.044	0.161	32.1
0.121	1.267	0.883	0.137	0.053	0.190	38.1
0.136			0.154	0.059	0.213	42.6

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表 2环形光斑偏移量补偿值e

Table2. Offset compensation value e of annular facula

Offset /mm	Detection value /mm	e /mm
0.02	0.0023	0.0004
0.04	0.0021	0.0046
0.06	0.0052	0.0024
0.08	0.0040	0.0007
0.10	0.0088	0.0046
0.12	0.0102	0.0050
0.14	0.0121	0.0052
0.16	0.0136	0.0097
0.18	0.0162	0.0093
0.20	0.0181	0.0103
0.22	0.0202	0.0102
0.24	0.0228	0.0094
0.26	0.0233	0.0116
0.28	0.0247	0.0106
0.30	0.0297	0.0092

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李生民, 张圆清. 空间激光通信中四象限光电探测器环形光斑检测及误差补偿[J]. 中国激光, 2017, 44(11): 1106005. Li Shengmin, Zhang Yuanqing. Annular Facula Detection and Error Compensation of Four-Quadrant Photoelectric Detector in Space Laser Communication[J]. Chinese Journal of Lasers, 2017, 44(11): 1106005.

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图 1. QD工作原理图

Fig. 1. Working principle of QD

图 2. 卡式光学天线系统结构示意图

Fig. 2. Structural schematic of Cassegrain optical antenna system

图 3. 能量呈高斯分布的光斑模型。 (a)完整圆形光斑;(b)环形光斑

Fig. 3. Models of facula with Gaussian distribution energy. (a) Complete circular facula; (b) annular facula

图 4. APT系统结构示意图。(a)精跟踪光束对准检测系统;(b)光束横向漂移;(c)光束与接收天线视轴夹角误差

Fig. 4. Structural schematic of APT system. (a) Beam alignment detection system for fine tracking; (b) beam transverse drift; (c) angle error of beam and receiving antenna boresight

图 5. (a)环形光斑检测示意图;(b) (0.14,0)处的x解算值分布图

Fig. 5. (a) Schematic of annular facula detection; (b) distribution of calculated values of x at (0.14, 0)

图 6. QD环形光斑能量分布图。 (a)光束已对准;(b) 0
Fig. 6. Annular facula energy distributions of QD. (a) Beam has been aligned; (b) 0
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Fig. 6. Annular facula energy distributions of QD. (a) Beam has been aligned; (b) 0
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图 7. 环形光斑与完整光斑算法的误差分析。(a) X轴输出结果与实际光斑位置;(b)检测灵敏度

Fig. 7. Error analysis of annular facula and complete facula algorithms. (a) X-axis output results and position of actual facula; (b) detection sensitivity

图 8. Rd=1 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 8. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rd=1 mm

图 9. Rx=0.3 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 9. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rx=0.3 mm

图 10. 补偿算法示意图。 (a)补偿值;(b)补偿角度误差

Fig. 10. Schematic of compensation algorithm. (a) Compensation value; (b) compensation of angle error

图 11. 实验系统示意图

Fig. 11. Diagram of experimental system

图 12. 光斑搜索过程示意图。(a)螺旋扫描路径图;(b)扫描过程输出数据图

Fig. 12. Schematic of facula search process. (a) Path of helical scanning; (b) output data of scanning process

图 13. 遮光比确定时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'变化的实测数据图

Fig. 13. Measured data of variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when shading ratio is determined

图 14. 环形光斑位置偏移量检测结果

Fig. 14. Detection value of position offset of annular facula

图 15. 精对准光斑脱靶量

Fig. 15. Miss distance of facula in fine tracking

表 1环形光斑误差值补偿过程计算

Table1. Compensation process calculation of annular facula error value

表 2环形光斑偏移量补偿值e

Table2. Offset compensation value e of annular facula

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图 1. QD工作原理图

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图 2. 卡式光学天线系统结构示意图

Fig. 2. Structural schematic of Cassegrain optical antenna system

图 3. 能量呈高斯分布的光斑模型。 (a)完整圆形光斑;(b)环形光斑

Fig. 3. Models of facula with Gaussian distribution energy. (a) Complete circular facula; (b) annular facula

图 4. APT系统结构示意图。(a)精跟踪光束对准检测系统;(b)光束横向漂移;(c)光束与接收天线视轴夹角误差

Fig. 4. Structural schematic of APT system. (a) Beam alignment detection system for fine tracking; (b) beam transverse drift; (c) angle error of beam and receiving antenna boresight

图 5. (a)环形光斑检测示意图;(b) (0.14,0)处的x解算值分布图

Fig. 5. (a) Schematic of annular facula detection; (b) distribution of calculated values of x at (0.14, 0)

图 6. QD环形光斑能量分布图。 (a)光束已对准;(b) 0Fig. 6. Annular facula energy distributions of QD. (a) Beam has been aligned; (b) 0 下载图片 查看原文

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图 7. 环形光斑与完整光斑算法的误差分析。(a) X轴输出结果与实际光斑位置;(b)检测灵敏度

Fig. 7. Error analysis of annular facula and complete facula algorithms. (a) X-axis output results and position of actual facula; (b) detection sensitivity

图 8. Rd=1 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 8. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rd=1 mm

图 9. Rx=0.3 mm时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'的变化

Fig. 9. Variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when Rx=0.3 mm

图 10. 补偿算法示意图。 (a)补偿值;(b)补偿角度误差

Fig. 10. Schematic of compensation algorithm. (a) Compensation value; (b) compensation of angle error

图 11. 实验系统示意图

Fig. 11. Diagram of experimental system

图 12. 光斑搜索过程示意图。(a)螺旋扫描路径图;(b)扫描过程输出数据图

Fig. 12. Schematic of facula search process. (a) Path of helical scanning; (b) output data of scanning process

图 13. 遮光比确定时目标光斑偏移量x随光斑中心坐标X'变化的实测数据图

Fig. 13. Measured data of variation in target facula offset x with facula center coordinate X' when shading ratio is determined

图 14. 环形光斑位置偏移量检测结果

Fig. 14. Detection value of position offset of annular facula

图 15. 精对准光斑脱靶量

Fig. 15. Miss distance of facula in fine tracking

表 1环形光斑误差值补偿过程计算

Table1. Compensation process calculation of annular facula error value

表 2环形光斑偏移量补偿值e

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Fig. 6. Annular facula energy distributions of QD. (a) Beam has been aligned; (b) 0
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