文摘

收购、定位和跟踪系统是机载激光通信的一个重要组成部分,前提和保证正常的通信链路。为了解决激光通信链路的自动跟踪的问题在机载环境下,快速捕获、对准和跟踪终端实现之间的横梁。本文提出了一种步进电机作为控制伺服系统和四象限探测器探测单元的自动跟踪方法。脉冲宽度调制信号控制步进电机的旋转速度和结合的位置分布在四象限探测器实现高精度的光束光斑跟踪。在此基础上,进行室内模拟实验。经过多次实验,跟踪精度优于2.5μrad,它表明,该系统可以应用于机载激光通信、验证,该方法具有良好的自动跟踪为机载激光通信性能。

1。介绍

作为一种自由空间光通信(FSO),无人机(UAV)机载激光通信具有通信容量大,隐蔽性好,抗电磁干扰能力强、和小型终端大小。与地面激光通信相比,机载激光通信不会阻塞干扰和障碍在地面上,它具有更好的流动性。然而,机载激光通信不仅受环境因素如大气湍流和背景光,但相对运动的无人机平台和设备也会增加难度的大小建立激光通信链路(1,2]。

激光通信系统,方法,捕获、对准和跟踪用于建立和维护准确和可靠的激光通信链路。在这个阶段,由于大型传统APT系统的尺寸和重量,飞机,高空平台,或大型无人机通常用作运载平台通信继电器用于机载激光通信。然而,本文使用了一个小six-rotor无人机搭载平台,所以光和快速部署机载激光通信自动跟踪控制系统是必要的。

使用四象限探测器(QD)作为系统的捕获和跟踪探测器不需要额外的高功率激光灯塔,灯塔传输分支,和信标光接收探测器。它可以减少复杂性,系统的功耗和体积,有助于实现轻量级和小型化激光加载3,4]。四象限探测器研究由美国海军研究实验室(5)可以实现检测灵敏度−50 dBm沟通接待,使用时,其响应−55 dBm当用于跟踪。2017年,美国计划进行“激光通信继电器演示验证实验(6]。这个实验将被用来验证数据中继功能的激光通信系统和射频通信系统。系统从地面站接收光束信号,然后将信号转发到另一个地面站来验证激光通信技术的有效性和可靠性。目前,许多国内机构先后对机载激光通信技术进行研究。其中,长春科技大学完成了通信测试实验两个描述飞机在2013年(7),通信距离为144公里,通信速率2.5 GB / s。2017年,34研究所(中国电子科技集团6)发起了一项小型研究旋转翼无人机和无人驾驶飞机进行通信与通信实验1.25 Gb / s和通信距离为6.7公里。国防科技大学(8]研究了影响四象限探测器的激光束骑在信号灯跟踪制导导引头,和它的位置检测灵敏度可以精确到0.947μm。系统中的跟踪测试由长春光学研究所良好的力学和物理、中国科学院(9),静态跟踪精度达到了0.18μm。然而,与国际研究和发展相比,我国的研究和实验机载激光通信技术相对落后,没有足够的经验设计的光和激光通信系统的小型化,特别是研究无人机激光通信系统。

本文针对机载激光通信的小型化和轻量要求six-rotor无人机的自动跟踪系统。我们设计一种新型的机载激光通信结构,使用步进电机和四象限探测器实现光束捕获、对准和跟踪。

2。梁的方法采集、指向和跟踪

2.1。自动跟踪控制系统结构

机载激光通信自动跟踪控制系统由激光发射单元,一个目标驱动器,一个通孔四象限探测器、放大器和控制单元。实验原理图如图1。地面激光发出的直射光穿过卡塞格林望远镜和准直透镜发出平行光,通过大气信道传输后,达到镜面由步进电机控制的无人机方面(10]。在这个时候,步进电机开始扫描。当激光束反射和接收的光接收装置由光学镜头和四象限探测器,它关注于感光表面金属化孔四象限探测器通过一个光学镜头,和四象限探测器产生光电流根据接收到的光能量,每个象限。放大器的电流信号处理电路的电压信号输出,和控制单元将电压信号转换为光斑的位置信息和提要回步进电机实现光束捕获。拍摄完成后,然后驱动步进电机调整光斑的位置,执行和调整工作,直到光斑位置电压达到设定的阈值,即建立通信链路通过四象限探测器的中心通孔。

2.2。步进电机的工作原理

传统APT系统大都使用大型伺服转台直接移动巨大的光学天线实现捕获,对准和跟踪功能。大型伺服转台有许多光学精密设备,结构复杂,很难装配,并部署时间长。因此,很难在短时间内建立一个无线激光通信链路。在本文中,两个步进电机用于形成一个二维旋转阶段控制镜子,调整激光的反射角度,从而控制激光点的位置,并实现捕获、对准和跟踪的激光。此外,二维旋转阶段不需要精确的光学元件,具有结构简单,易于装配,易于维护,快速部署,可以迅速在短时间内建立一个点对点的激光通信链路。

步进电机是一种设备,将电脉冲信号转换成角位移(11),其运动过程一步一步的在一个固定的角度(12,这个角叫做角的基本步骤 。当基本步角或多重积分的基本步骤角不能达到所需的旋转角度,需要细分步进电机(13]。细分是平均分配的基本步骤的角度。如果细分数字x,实际的角步进电机的步1 / x角的基本步骤。由此,步进电机的旋转角度之间的关系和可获得的脉冲数14]: 在哪里是实际的电机的旋转角度;电动机的基本步角;x是细分的数量;和一个是接收到的脉冲数。步进电机的速度之间的关系,还可以获得脉冲频率: 在哪里N代表电机的实际速度;电动机的基本步角;x是细分的数量;和f收到的是脉冲的脉冲频率。因此,可以控制通过控制角位移输入脉冲的数量来实现精确定位;同时,电机旋转的速度可以控制通过控制脉冲频率来实现调速的目的(15]。

2.3。四象限探测器的工作原理

四象限探测器具有宽动态范围的特点,快速响应,灵敏度高、体积小和广泛应用领域的光电跟踪(16]。四象限探测器是一种光电装置由集成电路光刻技术。四象限探测器是一种光电装置由集成电路光刻技术。感光表面同样分为四个区域具有相同的形状。每个区域相当于一个独立的光电设备,和四个象限有相同的性能参数(15]。

四象限探测器定位光斑,光斑落在探测器光敏面,和四象限探测器转换四通道光电流信号根据接收到的光能量的大小。假设激光点是一个圆形斑能量分布均匀,每个象限的光电流转换位置的面积成正比的感光表面象限。因此,相对偏移量E_x,E_y上的光斑中心X设在和Y设在感光表面可获得(17]: 在哪里年代_一个,年代_B,年代_C,年代_D光的区域景点分布在四个光敏面,分别;我_一个,我_B,我_C,我_D光的电流点分布在四个光敏面,分别;U_一个,U_B,U_C,U_D分别是电压的光斑分布在四个光敏面;和K四象限探测器的检测灵敏度。

3所示。工作的收购模式,指出,和跟踪

3.1。跟踪和定位的工作方法

在实验中,脉冲宽度调制(PWM)波形的频率由一个单片机用于改变步进电机的转速,实现调速的功能。PWM方波信号的高级和低级与一个常数变化周期和占空比可以调整。它的高和低水平V_H和V_l,分别。典型的PWM波形在实际电路如图2。

图的PWM波形2可以表示为 在哪里T_p脉宽调制的周期时间;T_年代PWM的高层时间;和k谐波的数量。然后,平均电压负载可以表示为(18] 在哪里V_avr的平均负载和电压是PWM的工作周期。假设的低级PWM电压值是0 V,公式(5)可以简化为

可以看出,PWM平均电压变化负载通过调整工作周期(19]。

3.2。光斑检测的工作模型

梁的位置检测系统主要由信号放大处理单元和跟踪处理单元,及其基本构成如图3。本文中使用四象限探测器有一个孔的直径1.5毫米在中间的信号光通过。检测器输出弱电流信号时,光电流弱电流信号转换成更大的电压信号通过trans-impedance放大器,然后将负电压转换为正电压通过反向放大方法,并将其发送给跟踪处理单元通过输出缓冲电路。跟踪处理单元使用单片机为主要控制芯片,主要实现了跟踪装置的配置、数据接收和处理和数据反馈。

当光斑信息检测器检测,电机减速控制,即转速的方位和俯仰二维转台的减缓提高对准精度并启动调整过程。在这个时候,有四种情况下对应的四个象限,如图4。以下使用第一象限为例,详细描述四种情况。当光斑在第一象限,跟踪机制将光斑水平,而且会有两种情况。案例一:当光点移动到第一象限与第二象限的边界,也就是说,当第二象限的输出电压大于阈值,方位运动停止,俯仰运动开始,光斑垂直向下移动。四个输出电压低于阈值时,停止移动和定位跟踪机制完成。例B:向右移动的过程中,在某一时刻,四个输出电压都低于阈值,跟踪机制停止移动,完成校准。第一象限对齐点的运动轨迹如图4(一)。

4所示。实验研究

4.1。硬件选择

(一)微控制器:系统控制单元采用STM32F103ZET6 Cortex-M3为32位的微处理器核心。它的工作频率为72 MHz,高速缓冲存储器,可实现高速内存和外围设备之间的数据传输19]。(b)目标跟踪和执行机构:系统选择两两相混合式步进电机形成指向致动器的跟踪和镜子的方位和俯仰运动。电机需要配合相应的驱动电路正常工作。选择sd - 20403细分驱动程序,它可以驱动各种两相电机。(c)四象限探测器:通孔QSQ16-THD四象限探测器使用的系统。感光表面的直径是5.05毫米,探测器灵敏度对应波长650纳米的激光是0.4 A / W和信号输出幅度范围是0∼5 V。四象限探测器有一个通孔的直径1.5毫米传输激光。它需要配合放大模块来处理和分析检测信号和饲料的信号处理器。

4.2。结果分析

机载激光通信系统用于实现快速激光捕获和建立一个通信链路。通信波长650 nm,发出的光功率为2兆瓦。激光在传输端加载视频信号,通信速率是10 Mb / s。图5(一个)显示了传输结束,图5 (b)显示了机载控制接收端,图5 (c)显示了通信接收端。

激光发射端发射准直和扩束后,通过大气信道传输后,到达反射镜由步进电机的二维转台控制。二维转台在接收机首先进行光栅扫描。在实验中,以120度的方位运动范围为一个例子,PWM波形的参数设置,整个扫描时间在不同条件下表所示1。

从表可以看出1的反应时间范围内,步进电机,扫描时间的PWM输入频率成反比。尽管不同职责的扫描时间比率是一样的在同样的PWM输入频率,这是在实验中发现,不同的责任比例对步进电机的平滑度产生影响。

在扫描过程中,每一个象限的电压值的四象限探测器可以通过读取串口调试助手。如果四象限探测器检测到的信号,它将停止扫描命令。如图6在被捕前,20个样品,实验结果在某些时刻显示第一象限的电压值是0.827 V,第二象限的电压值是0.670 V,第三象限的电压值是0.757 V,和第四象限的电压值是1.003 V。这个时候,系统已完成收购操作。

收购完成后,指出执行命令,和串口调试助手检测到的电压值的每个象限四象限探测器。指向成功之后,每个象限的电压值的四象限探测器可以通过读取串口调试助手,和20个样本是随机选择的,如图7。第一象限的电压值是0.276 V,第二象限的电压值是0.281 V,第三象限的电压值是0.247 V,和第四象限的电压值是0.325 V。四个象限的电压值都小于阈值电压。

图8显示了在对齐时间点的位置分布。在测试期间,到4500年调整实验后发现漂流,现场调整时间收集的照片,和现货质心坐标对齐后通过图像处理获得的。在图8,黑色“+”是目标的靶心位置;让它的坐标是(0,0),和蓝色“☆”是抵消现货中心的位置相对于目标的靶心的时候对齐。

假设相对应的误差角度方位和俯仰方向方向和 ,分别为n测量,径向角偏差和它的平均值可以表示为

然后,的对准精度可以表示为

计算公式(8),调整精度( )这个系统可以达到2.42μrad。

5。结论

本文首先因素如成本、安全、大小、和灵活性,考虑到轻的要求,小型化和低功耗的机载激光通讯系统。计划使用步进马达、镜子和通孔四象限探测器实现联合检测的捕获和跟踪,提出了一个轻量级和fast-deployable机载激光通信自动跟踪控制系统的设计。系统使用STM32处理器为核心构建一个控制回路,并使用的跟踪方法四象限探测器的光电检测完成光斑的实时跟踪,测试和验证。测试结果表明,该跟踪精度优于2.5μrad的室内模拟机载环境,验证该方案的可行性。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。