星地激光链路高精度跟瞄偏差角度获取方法研究

摘要

在星地激光通信系统中，激光束宽非常窄且接收视场小，为了快速建立和稳定保持长距离星地激光通信链路，激光通信终端必须具有高精度光束瞄准能力和高精度稳定跟踪能力。获得高精度跟瞄偏差角是长距离星地激光通信系统能够快速建立和稳定保持星地激光通信链路的重要保证。研究高精度跟瞄偏差角获取方法是十分紧迫和必要的。
　　大气信道是星地激光通信信道的组成部分，作为信息载体的激光光束穿过大气层时会受到大气湍流的影响。在星地激光通信系统中，大气的湍流效应将影响信标激光光束在跟瞄系统接收终端形成的光斑光强分布，产生光斑畸变，降低瞄准捕获跟踪精度，使系统探测精度下降，瞄准偏差增大，接收功率降低，误码率增加，严重时甚至使星地激光链路的建立和保持变得困难。寻找能够有效校正或降低大气湍流影响的激光光斑中心获取方法，对星地激光链路的建立和稳定保持具有重要意义。
　　本文研究的问题是，如何利用接收激光终端CMOS获得的入射激光信标光束的光斑光强分布，抑制大气湍流对跟瞄偏差角探测精度造成的影响，寻找获得高精度跟瞄偏差角的方法。这是星地激光通信链路快速建立和稳定保持的关键问题之一。
　　首先对国内外星地卫星激光通信技术的研究进展进行了概述，介绍了跟瞄偏差角度基础理论和探测机理，对跟瞄偏差角度的获取方法进行了分析。在此基础上进一步开展了本文的研究工作。
　　提出了利用接收激光终端CMOS获得的光强分布灰度数字图像，再生纵横单向凸图像的方法。在滤除畸变二值含噪光斑图像噪声过程中，利用亮点像素到全图几何中心的欧氏距离作为判断该像素是否为单点噪声的判别准则。沿水平方向和垂直方向将光斑重构为单连通凸图像。以此再生纵横单向凸图像的几何中心接近入射激光光束在接收激光终端CMOS上的理想光斑中心，获得了更高精度的跟瞄偏差角。给出了再生纵横单向凸图像形心方法计算公式的几何意义。研究了滤除畸变二值含噪光斑图像单点噪声的滤波阈值获取。结合不断变化的大气湍流对光斑的影响，将每一帧受到大气扰动的畸变光斑与单点噪声的滤波阈值联系起来，提出了二值图像单点噪声滤波阈值长记忆动态优化方法，综合滤波阈值的历史记忆逐帧优化当前滤波阈值。
　　提出高精度跟瞄偏差角获取的迭代频谱相位分布再生方法。根据衍射光学理论迭代生成频谱相位分布，只利用远距离接收激光终端CMOS获得的光强分布，构成入射激光光束在CMOS处的光场分布，经过近似卷积处理得到相位校正后光斑的光强分布，并结合再生纵横单向凸图像形心方法，稳定获得高精度跟瞄偏差角。给出了迭代频谱相位校正后，跟瞄偏差角度的计算公式。对迭代频谱相位分布再生方法确定迭代初值选取进行了研究。将相位迭代初值的选取与光斑峰值相联系，使相位迭代初值随着大气湍流不断变化。研究了采用迭代初值选取策略后迭代频谱相位分布再生方法收敛速度变化，并与传统方法相对比。分析了对迭代频谱相位分布再生方法产生的误差，确定校正系数。
　　根据大气信道下光传播理论，模拟激光光束经长距离传输后的光畸变场，建立数值仿真模型。利用两个光学终端在距离为11.2km的城市链路上进行了星地激光链路跟瞄偏差角度探测地面模拟实验。通过仿真及实验对不同大气闪烁指数下的静态光斑图像和沿一定轨迹移动的动态光斑图像进行研究。
　　本文提出了再生纵横单向凸图像形心方法和迭代频谱相位分布再生方法，利用星地激光通信系统接收激光终端CMOS获得的入射激光光束光斑的光强分布，抑制大气湍流对星地激光通信激光光束的影响，计算获得高精度跟瞄偏差角，有利于提高星地激光通信捕获瞄准跟踪系统的性能，快速建立并稳定保持星地激光通信链路。这些研究工作对于星地激光通信系统的优化设计和提高系统的通信性能具有重要理论指导意义和实际应用价值。

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第1章 绪论

1.1 课题研究的目的和意义

1.2 国内外星地激光通信的发展概况

1.3 星地激光链路中跟瞄偏差角度的获取方法

1.4 本论文的主要研究内容

第2章 再生纵横单向凸图像形心方法的建模研究

2.1 引言

2.2 再生纵横单向凸图像形心方法

2.3 再生纵横单向凸图像形心方法中图像阈值分割法的选择

2.4 再生纵横单向凸图像形心方法数值仿真

2.5 本章小结

第3章 采用再生纵横单向凸图像形心方法计算跟瞄偏差角的实验研究

3.1 引言

3.2 星地激光链路跟瞄偏差角度探测地面模拟实验系统及方案

3.3 星地激光链路跟瞄偏差角度探测地面模拟实验结果及分析

3.4 本章小结

第4章 迭代频谱相位分布再生方法的建模研究

4.1 引言

4.2 迭代频谱相位分布再生方法理论建模

4.3迭代频谱相位校正跟瞄偏差角度误差分析

4.4迭代频谱相位分布再生方法校正效果仿真研究

4.5 本章小结

第5章 迭代频谱相位分布再生方法校正效果的实验研究

5.1 引言

5.2 星地激光链路地面模拟迭代频谱相位分布再生校正系统及实验方案

5.3 迭代频谱相位分布再生方法对跟瞄偏差角校正的实验结果及分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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