为了补偿卫星平台随机振动引起的空间光-单模光纤耦合效率损失，对比分析了基于章动算法和随机并行梯度下降(SPGD)算法的参数选取对算法稳定性和收敛速度的影响，并在典型卫星振动谱条件下对2种算法的补偿效果进行了评估。仿真结果表明：章动算法补偿后的平均耦合效率为81.26%，均方根误差为7.2×10-4；SPGD算法补偿后的平均耦合效率为80.72%，均方根误差为1.9×10-3。相比于SPGD算法，在最优情况下章动算法的均方根误差降低了62.1%，其稳定性更好。
卫星激光通信 随机振动 光纤耦合 章动 随机并行梯度下降 satellite laser communication random vibration optical fiber coupling nutation stochastic parallel gradient descent
1 国网广安供电公司，四川 广安638000
2 四川大学 电子信息学院，成都 610065
在激光通信系统中，激光光斑的检测精度对于通信系统具有重要意义。为了提高光斑定位精度，提出采用基于光电探测器的激光章动定位算法，分析了空间光到单模光纤耦合基本原理，研究了横向偏移对耦合效率的影响，推导了章动定位算法的表达式，利用Matlab仿真分析了章动算法的定位精度和影响章动扫描的参数。仿真结果表明：章动定位算法得到的光斑定位精度为0.04μm，满足通信系统对于光斑检测的要求。
光电探测器 激光章动 光通信 光斑检测 photodetector laser nutation optical communication light spot detection
1 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
为了克服自由空间光通信系统中大气湍流、机械平台振动等因素的影响,提出了一种基于峰值功率反馈结合快速反射镜的章动耦合方案,并搭建了章动实验平台。通过快速反射镜引入一定频率和幅度的正弦扰动进行动态跟踪实验,结果表明,在跟踪状态且耦合效率不低于55%时,系统的最大耦合范围能达到1.1 mrad。同时设计的跟踪算法可以很好地校正大幅度扰动,使探测器接收光功率的均方误差由开环时的9.91%降低到闭环时的0.81%。测试了系统在不同信噪比下的章动耦合效率,结果表明,耦合效率随信噪比的降低而降低。
光通信 单模光纤耦合 峰值功率反馈 激光章动 耦合效率 中国激光
2020, 47(11): 1106003
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合研究中心, 吉林 长春 130022
在光纤激光通信系统中, 为了克服准误差、随机角抖动误差、大气湍流像差对单模光纤耦合效率的影响, 本文设计了单模光纤章动跟踪耦合系统。首先基于模场匹配原理, 分析了径向偏差和光斑大小对耦合效率的影响。其次在理论分析的基础上, 对激光章动跟踪系统进行了设计, 主要包括激光器、准直镜、快速反射镜、耦合透镜以及光电探测器, 并以光电探测器的能量反馈完成了激光章动跟踪算法设计。最后搭建了实验平台, 对系统进行了实验测试。通过实验测试得到, 在激光章动跟踪时单模光纤的耦合效率为53.5%, 并测试了径向偏差以及光斑大小对耦合效率的影响, 得到了相应的曲线。耦合效率满足系统要求, 并且实验测试曲线与理论分析的仿真曲线基本一致。
空间激光通信 单模光纤耦合 激光章动跟踪 耦合效率 径向偏差 光斑半径 space laser communication single mode fiber coupling laser nutation tracking coupling efficiency radial offset spot radius
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory of Space Laser Communication and Detection Technology, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
2 Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering, University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
3 Laboratory of Space Laser Engineering, Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 201800, China
The influences of nutation trail accuracy, simplification of coupling model, spot position jitter, and power variation of incident light on the detection error are analyzed theoretically. Under the condition of satisfying the requirements, the nutation radius is less than 1.13 μm, the accuracy of the nutation trail is less than 0.04 μm, and the detection range is [?5 μm, +5 μm]. The nutation frequency is 160 times spot position jitter frequency and 100 times intensity jitter frequency of incident light. The analysis is of great significance for determining nutation radius and frequency in the tracking system based on fiber nutation.
fiber nutation detection error tracking system Chinese Optics Letters
2020, 18(2): 020604
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。
光纤光学 空间激光通信 单模光纤耦合 激光章动 耦合效率 中国激光
2019, 46(11): 1105001
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电探测技术研究部, 吉林 长春 130039
2 中国科学院大学, 北京 100049
基于模场匹配原理,分析了倾斜像差对耦合效率的影响,并在理论分析的基础上,对激光章动跟踪方法进行了仿真分析,研究了章动算法参数对算法动态性能的影响。利用快速反射镜和PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光电二极管对仿真分析结果进行实验验证。结果表明,章动半径与收敛速度成反比,同时半径增大会引起稳态振荡幅度增大,而采样点数的增多会导致算法收敛速度下降。此外,所提算法对一定范围内的动态扰动有明显的抑制作用。
光通信 自由空间光通信 单模光纤耦合 激光章动 能量反馈 快速反射镜
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光通信与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
在自由空间相干光通信的精跟踪系统中, 利用光纤章动或快反镜章动探测角度误差具有降低损耗、简化系统结构等优势, 但这两种方法都需要引入机械运动部件。为此, 提出了利用声光偏转器实现无机械扫描的信号光角度误差的提取方法, 建立了提取角度误差的理论模型, 分析了可能的误差来源, 搭建了一套验证探测角度误差的系统, 测量精度优于1/10信号光发散角, 不会影响后续的相干解调。
光通信 相干 精跟踪 章动 角度误差 声光偏转器 中国激光
2018, 45(10): 1006001
1 上海航天控制技术研究所，上海 201109
2 中国航天科技集团公司红外探测技术研发中心，上海 201109
玫瑰扫描机制下的红外制导跟踪系统采用单元探测器，不具备直接测试绕动大小的能力，因此这类产品调试后剩余动平衡的风险较大。利用方位信息提取原理建立了扫描轨迹能量分布分析工具，对绕动不平衡条件下位标器方位信息提取误差进行了研究，确定了以光学系统坐标系为平衡基准的工艺方法。提出了分别检测与平衡两轴惯性积的策略，得到的精细化算法有助于提高平衡精度等级。
玫瑰扫描 动平衡 绕动 方位信息提取 正交分解法 rosette scanning dynamic balancing nutation bearing finding orthogonal decomposition
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光信息传输与探测技术重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学物质科学与技术学院, 上海 200120
基于模场匹配原理，分析了耦合效率与抖动幅度、艾里斑半径和单模光纤模场半径比值的关系。为了减小随机角抖动对耦合效率的影响，提出了基于激光章动的空间光到单模光纤的自动耦合方案，利用数据采集卡算出脱靶量并输出补偿电压。分析了算法精度的影响因素、激光章动信号频率与抖动频率的关系，用Matlab仿真及实验验证了算法的可行性。实验得到脱靶量角度精度约为3 μrad，结合空间激光通信系统验证了系统的可行性。没有扰动时系统的耦合效率为67%；引入扰动并用控制系统进行扰动补偿后，系统的耦合效率提高了6.5%，响应速度为40 Hz。耦合系统结构简单，控制算法精度高，控制器信号处理速度快，对空间光到单模光纤的耦合具有重要意义。
光通信 光纤耦合 指向误差 激光章动 数据采集卡
