基于QD與MEMS振鏡的微納激光通信終端伺服技術(shù)研究

陳韻，于笑楠，江倫，張家齊，佟首峰

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022）

近年來，隨著空間激光通信技術(shù)的不斷發(fā)展，其在全球通信應(yīng)用中的需求也愈發(fā)迫切［1-2］。由于微納衛(wèi)星具有重量輕、體積小、成本低、研制周期短的特點(diǎn)，使其在空間激光通信領(lǐng)域展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景［3］。依據(jù)國外微納衛(wèi)星平臺振動功率譜分析，近距離激光鏈路波束寬度為毫弧度量級，平臺在中高頻范圍內(nèi)所引起的微弧度量級振動可忽略不計［4］。為了抑制衛(wèi)星平臺振動以建立穩(wěn)定的激光鏈路，瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤（APT）系統(tǒng)是關(guān)鍵。

由于微納衛(wèi)星自身體積功耗有限，無法搭載大質(zhì)量、高功耗的通信終端，需選用微納器件作為激光通信終端的APT系統(tǒng)。APT系統(tǒng)主要由綜合控制單元、光學(xué)天線、伺服瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)及光敏位置探測單元等組成。為了實現(xiàn)高精度、大視場、小體積、低功耗的APT系統(tǒng)，伺服瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)與光敏位置探測單元是關(guān)鍵。四象限探測器以其響應(yīng)速度快、靈敏度高和寬光譜范圍等特點(diǎn)，通常被選用作為精跟蹤光敏位置探測單元來確定光斑質(zhì)心［5］。MEMS振鏡憑借其轉(zhuǎn)動范圍大、響應(yīng)速率快、執(zhí)行精度高、體積小的優(yōu)勢，是目前伺服瞄準(zhǔn)機(jī)構(gòu)中比較理想的驅(qū)動元件。對于精跟蹤光斑探測器，其跟蹤視場受到跟蹤檢測分辨率、天空背景光和捕獲時間等因素限制。為了減小捕獲時間，提高捕獲概率，應(yīng)盡量增加跟蹤視場角。當(dāng)接收信標(biāo)光斑較小時，不但對跟蹤視場角的要求降低，而且小光斑的光束能量更為集中，更利于探測器的檢測，增加跟蹤精度［6-8］。

本文首先從不同光斑大小對跟蹤精度影響入手，研究了其理論基礎(chǔ)，分析了光斑大小對四象限探測器跟蹤精度的影響，并根據(jù)實際系統(tǒng)分析了高斯模式的光斑，針對小光斑對QD跟蹤通信系統(tǒng)的影響，設(shè)計了一種小光斑捕獲跟蹤算法，并考慮系統(tǒng)的小型化、工程化的要求，設(shè)計了一套基于QD和MEMS振鏡伺服通信一體化系統(tǒng)的微納激光通信終端，進(jìn)行了捕跟實驗驗證，并給出了相應(yīng)實驗結(jié)果。

1 光斑檢測精度分析

四象限探測器可看作四個性能相同的光電二極管，并按照四個象限的形式要求排列而成的光電探測器件［9］。照射到探測器靶面上的光斑被分成四個部分，其面積記為SA、SB、SC、SD。面積大小與四個象限接收的光功率PA、PB、PC、PD以及四象限輸出的電壓UA、UB、UC、UD成正比。一般采用光斑質(zhì)心算法判別光斑中心［10-11］。

如圖1所示，以QD的中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，十字溝道作為坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系，外圓為四象限探測器的感光靶面，R為其半徑；內(nèi)圓為光源光斑，r為其半徑，O為四個象限的坐標(biāo)原點(diǎn)，O′(x0,y0)為光斑中心的實際位置。

圖1 光斑與QD靶面位置示意圖

設(shè)Δx、Δy分別為橫向和縱向的脫靶量，則脫靶量、光斑分布面積、四個象限接收光功率以及四個象限輸出的電壓關(guān)系為：

式中，I(x,y)為坐標(biāo)(x,y)處的光強(qiáng)；I0為峰值光強(qiáng)；ω為光束半徑。由上式可知當(dāng)單位峰值光強(qiáng)I0一定時，光束束腰半徑與光斑強(qiáng)度呈正比。

在實際應(yīng)用中激光光源照射到四象限探測器光敏面上的光斑光強(qiáng)分布可視為高斯分布，一、三象限輸出的光電流與二、四象限輸出的光電流為：

因此光斑質(zhì)心所在位置的x坐標(biāo)Dx為：

由上式可知探測器所得位置橫坐標(biāo)Dx與坐標(biāo)(x,y)所在處光強(qiáng)I(x,y)有一定關(guān)系。利用Matlab進(jìn)行光斑強(qiáng)度與四象限探測器理論計算偏移量關(guān)系的數(shù)值仿真，設(shè)感光靶面半徑R=4，光斑半徑r=1，單位峰值光強(qiáng)I0，通過束腰半徑表征光斑強(qiáng)度，分別選擇束腰半徑ω=0.5、1、2、3，可得其理論計算偏移量和實際偏移量的關(guān)系曲線如圖2所示。

圖2 光斑強(qiáng)度與探測靈敏度Matlab仿真曲線

由關(guān)系曲線可知，隨著光斑的束腰半徑增大，光斑脫靶量與實際偏移量越來越接近，曲線斜率隨著光斑束腰半徑的增大而減小。隨著高斯光斑束腰半徑的減小，理論計算偏移量與實際偏移量的關(guān)系曲線斜率越來越大，即四象限探測器的靈敏度增大。

2 系統(tǒng)組成與算法設(shè)計

2.1 系統(tǒng)組成

激光通信載荷主要由綜合控制分系統(tǒng)、收/發(fā)光學(xué)分系統(tǒng)、APT分系統(tǒng)組成，可完成全雙工通信跟蹤功能，其光學(xué)架構(gòu)與伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。APT分系統(tǒng)由四象限探測器、模擬/數(shù)字（A/D）轉(zhuǎn)換、數(shù)字/模擬（D/A）轉(zhuǎn)換、振鏡驅(qū)動單元、MEMS振鏡等單元組成。四象限探測器使用800 nm紅外波段QA4000型號，選用808/850 nm波段激光器作為發(fā)射光源。伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)選用MEMS振鏡，靶面直徑為5 mm，最大偏轉(zhuǎn)角度為±5°，16位分辨率。綜合控制單元采用ARM公司的STM32F103芯片作為主控單元，確保系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。通過QD+MEMS振鏡的組合實現(xiàn)伺服通信一體化設(shè)計，最大程度上減小了激光通信載荷的體積功耗，載荷體積為98 mm×98 mm×60 mm，質(zhì)量為622 g，穩(wěn)態(tài)功耗5.5 W。整機(jī)設(shè)計視場50 mrad，捕獲不確定區(qū)域20 mrad，發(fā)射束散角5 mrad，QA4000探測器靶面直徑4 mm，到達(dá)探測器靶面光斑直徑為1 mm。

圖3 微納激光通信終端光學(xué)架構(gòu)與伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 捕獲跟蹤算法設(shè)計

依據(jù)仿真結(jié)果，在選擇光斑大小時，既要考慮QD的檢測靈敏度，又要兼顧其動態(tài)跟蹤范圍。實際應(yīng)用時，一般選擇光斑大小為QD光敏面尺寸的一半，具有較高的檢測靈敏度和較寬的動態(tài)檢測范圍。但是由于縮小光斑半徑對提高QD探測靈敏度有較大影響，擬采用減小光斑半徑的方法提高QD探測靈敏度。此時光斑能量在QD視場內(nèi)分布情況如圖4所示，并據(jù)圖4中的3種能量分布情況設(shè)計了光斑半徑小于四分之一探測器靶面時的捕獲算法。

圖4 QD視場內(nèi)光斑能量分布情況示意圖

微納衛(wèi)星激光通信終端光電跟瞄系統(tǒng)的捕獲跟蹤算法首先采用凝視-掃描的全光捕獲方式，再利用QD跟蹤通信復(fù)合探測技術(shù)，完成整個捕獲跟蹤過程。在光端機(jī)光軸實現(xiàn)初始指向以后，跟蹤振鏡在目標(biāo)不確定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行矩形螺旋掃描，逐漸縮小不確定區(qū)域范圍，直到目標(biāo)進(jìn)入跟蹤視場建立光閉環(huán)鏈路。捕獲算法邏輯框圖如圖5所示。

圖5 捕獲算法流程框圖

根據(jù)式（1）、式（2）計算結(jié)果可知，若通過Δx、Δy來控制光斑維持在QD靶心位置，需滿足光斑在四個象限均有分布的條件。首先，根據(jù)QD輸出電壓值大小判斷視場內(nèi)光斑能量分布情況，當(dāng)QD四象限均有電壓值輸出時，說明光斑能量在四個象限均有分布，此時直接依據(jù)解算的脫靶量Δx、Δy大小控制伺服執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成光束跟蹤；當(dāng)QD僅有兩個象限輸出電壓值時，說明光斑能量分布于兩個象限之間，此時控制伺服振鏡使光斑沿著能量較低的兩個象限方向掃描，直至4個象限都出現(xiàn)電壓輸出，此時完成光斑捕獲，開啟光束跟蹤模式；當(dāng)QD僅有一個象限輸出電壓值時，說明光斑能量僅位于單一象限，此時控制伺服振鏡使光斑沿x軸方向掃描直至兩個象限都有電壓輸出，然后依據(jù)第二種情況的處理方式完成光斑捕獲。

3 實驗

3.1 激光通信實驗平臺

搭建室內(nèi)激光通信實驗系統(tǒng)測試微納激光通信終端跟蹤功能，實驗示意圖如圖6所示，實驗實物圖如圖7所示，激光通信載荷搭載于二維精密云臺上，通過云臺調(diào)整方位俯仰方向以模擬衛(wèi)星平臺粗指向功能。通過計算機(jī)模擬星務(wù)計算機(jī)與激光通信載荷通信，向通信載荷發(fā)送捕獲跟蹤指令并接收QD脫靶量信息完成激光通信載荷工作狀態(tài)的實時監(jiān)測。

圖6 跟蹤實驗示意圖

圖7 微納激光通信終端捕獲跟蹤測試實物圖

3.2 捕獲跟蹤實驗

通過底部的二維精密云臺模擬粗指向功能，兩端的微納激光通信終端使用MEMS振鏡完成粗精復(fù)合系統(tǒng)對光斑進(jìn)行跟蹤，圖8顯示了閉環(huán)跟蹤過程中MEMS振鏡x軸、y軸執(zhí)行量的變化以及QD解算的脫靶量變化曲線。圖8和圖9中橫軸為實驗時間采樣點(diǎn)，采樣間隔10 ms，圖8縱軸為MEMS振鏡的x、y軸執(zhí)行偏轉(zhuǎn)角，圖9縱軸為QD解算的脫靶量值。圖中1 870 ms與3 140 ms處的兩次階躍響應(yīng)曲線推測為兩端激光載荷開啟跟蹤模式的時刻不同所導(dǎo)致的，由圖可知伺服系統(tǒng)執(zhí)行開始至完成捕獲用時2.2 s。

圖8 閉環(huán)跟蹤過程振鏡執(zhí)行量

圖9 光斑脫靶量變化曲線

待完成光斑捕獲后，開啟跟蹤模式，得到系統(tǒng)跟蹤曲線。圖10給出了伺服振鏡在跟蹤狀態(tài)下x軸與y軸的執(zhí)行量，圖11—圖12給出了跟蹤狀態(tài)下QD解算跟蹤誤差曲線。圖10—圖12中，橫軸均為實驗時間采樣點(diǎn)，采樣間隔10 ms，圖10縱軸為MEMS振鏡的x、y軸執(zhí)行偏轉(zhuǎn)角，圖11—圖12縱軸為QD解算的脫靶量值。

圖10 跟蹤狀態(tài)MEMS振鏡x、y軸執(zhí)行角度

圖11 跟蹤狀態(tài)x軸QD解算脫靶量

圖12 跟蹤狀態(tài)y軸QD解算脫靶量

對圖11、12光斑脫靶量進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，得到統(tǒng)計柱狀圖，如圖13所示。由圖可知x軸跟蹤誤差為83.892 μrad（3σ），y軸跟蹤誤差為83.520 μrad（3σ）。

圖13 跟蹤模式下x軸QD解算脫靶量數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖

室內(nèi)實驗結(jié)果表明基于QD與MEMS振鏡的大視場小光斑的捕獲跟蹤算法可以實現(xiàn)穩(wěn)定跟蹤，伺服系統(tǒng)運(yùn)行良好，能夠保證激光通信鏈路的穩(wěn)定性。

圖14 跟蹤模式下y軸QD解算脫靶量數(shù)據(jù)統(tǒng)計直方圖

4 結(jié)論

根據(jù)四象限探測器在空間激光通信跟蹤通信一體化的特點(diǎn)，設(shè)計了一套基于QD與MEMS振鏡為結(jié)構(gòu)的微納激光通信終端，完成了全雙工全光捕獲跟蹤實驗。主要工作完成如下：（1）以QD與MEMS振鏡為伺服系統(tǒng)搭建了兩套微納激光通信終端，整機(jī)體積98 mm×98 mm×60 mm，質(zhì)量622 g；（2）設(shè)計了一套大視場、高精度的小光斑捕獲跟蹤算法；（3）以STM32作為主控單元，完成脫靶量解算與伺服控制；（4）搭建激光通信實驗平臺，完成全光捕獲跟蹤實驗與跟蹤誤差分析，捕獲時間2.2 s，跟蹤誤差84 μrad。