星間激光通信中四象限探測(cè)器的定位精度研究

　　摘要：在星間激光通信中，精跟蹤單元常采用四象限探測(cè)器用于光斑位置定位，定位誤差的大小直接影響精跟蹤單元的測(cè)角精度。為實(shí)現(xiàn)微弧度量級(jí)的測(cè)角精度，文章研究了影響探測(cè)器定位誤差的各個(gè)噪聲因素，并根據(jù)星間光通信的實(shí)際情況進(jìn)行了簡(jiǎn)化分析，提出了定位誤差的具體計(jì)算方法，最后通過(guò)具體算例評(píng)估了各噪聲因素的影響程度。研究結(jié)果表明，提高發(fā)射功率可以在一定范圍內(nèi)提高接收端信號(hào)的信噪比，減小定位誤差，進(jìn)而減小測(cè)角誤差，提高測(cè)角精度。但定位誤差并非隨發(fā)射功率的增大而線性減小，當(dāng)發(fā)射功率增大到一定程度之后，定位誤差的減小有限，這時(shí)再單純通過(guò)增大發(fā)射功率來(lái)提高測(cè)角精度代價(jià)將非常大。

　　本文源自光通信研究 發(fā)表時(shí)間：2021-03-18《光通信研究》(雙月刊)創(chuàng)刊于1975年，是國(guó)家光纖通信技術(shù)工程研究中心、光纖通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室——武漢郵電科學(xué)研究院主辦的光通信方面的專業(yè)刊物，本刊主要刊載光通信領(lǐng)域的學(xué)術(shù)論文、研究成果的技術(shù)報(bào)告、工程設(shè)計(jì)方案、施工及維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，綜述國(guó)內(nèi)外光纖通信先進(jìn)技術(shù)和有關(guān)理論及最新動(dòng)態(tài)等。可供從事光纖通信工作以及相關(guān)學(xué)科的科研、設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工、維護(hù)等方面的科技人員和大專院校師生參考。本刊學(xué)術(shù)性和技術(shù)內(nèi)容并重，發(fā)行量大，是全國(guó)通信行業(yè)影響較大的刊物之一。現(xiàn)已成為越來(lái)越多的科研、工程技術(shù)和管理人員科學(xué)決策的重要依據(jù)。

　　關(guān)鍵詞：四象限光電探測(cè)器;定位誤差;噪聲因素;精跟蹤單元

　　0 引言

　　隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各類高帶寬儀器在衛(wèi)星上得到大量應(yīng)用，使得對(duì)衛(wèi)星信息傳輸量的需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)[1]。星間激光通信技術(shù)因其傳輸容量大、發(fā)射功率小和抗干擾能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，正成為大容量和高碼率衛(wèi)星通信的理想選擇。

　　由于星間激光通信距離遠(yuǎn)，激光發(fā)散角小，為建立可靠、穩(wěn)定的通信鏈路，需要“捕獲 —對(duì)準(zhǔn)—跟蹤”(Acquisition Pointing and Tracking，APT)系統(tǒng)達(dá)到微弧度量級(jí)的跟蹤精度才能完成。而精跟蹤探測(cè)器的光斑定位精度決定著 APT 系統(tǒng)的最終跟蹤精度[2]，是通信鏈路建立的關(guān)鍵。從探測(cè)頻段、探測(cè)帶寬和性價(jià)比上來(lái)講，四象限探測(cè)器(Four-Quadrant Detector，F(xiàn)QD)都是精跟蹤探測(cè)器較為理想的選擇[3]。因此，為了精確獲取光斑的位置，有必要對(duì) FQD 定位精度的誤差分配進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析。

　　針對(duì) FQD 的定位誤差問(wèn)題，文獻(xiàn)[4]用實(shí)驗(yàn)的方法確立了定位誤差與輸出電壓的關(guān)系，但并未明確定位誤差的來(lái)源;文獻(xiàn)[5]具體分析了可能引起定位誤差的噪聲因素，但并未對(duì)影響程度進(jìn)行評(píng)估;文獻(xiàn)[6]針對(duì)大氣激光通信分析了影響探測(cè)器定位精度的誤差來(lái)源，但未考慮星間通信的情形。本文將結(jié)合星間光通信的實(shí)際，分析影響 FQD 定位精度的各類噪聲因素，并從誤差分析的角度給出具體的誤差計(jì)算公式，最后通過(guò)算例評(píng)估各類因素對(duì)定位精度的影響程度。

　　1 定位原理

　　1.1 FQD 的工作原理

　　FQD 是一種位置敏感型光電探測(cè)器，其光敏面由 4 個(gè)完全相同的光電二極管按照一定順序排列組成，形成 4 個(gè)象限區(qū)域 A、B、C 和 D，如圖 1 中所示。當(dāng)光束入射到光敏面時(shí)， 4 個(gè)象限所感受的光能量不同，所形成的光電流大小也不同。通過(guò)比較光電流大小可確定光斑中心相對(duì)于探測(cè)器原點(diǎn)的偏移量。

　　圖 1 所示為光斑脫靶圖，當(dāng)激光束成像于探測(cè)器的光敏面上時(shí)，光斑(圖 1 中陰影部分所示)在 4 個(gè)象限上被分成 4 個(gè)部分，每個(gè)象限產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的光電流，光電流大小可通過(guò)測(cè)量電路較容易的獲得。此時(shí)可定義水平脫靶量