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基于双PSD的三维测角传感器精度分析

红外与激光工程 2024年第2期53卷 98-108页

作者：赵文赫白杨杨王劲凯张立中长春理工大学机电工程学院吉林长春130022 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

在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中,对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台,需要考虑非接触三轴角度测量方法,目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂,占用空间大,无法适用于如机载、星载等... 详细信息

在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中,对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台,需要考虑非接触三轴角度测量方法,目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂,占用空间大,无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此,文中提出了基于双位置敏感探测器(PSD)的非接触三轴角度测量方案,使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射,将光源在两片PSD上汇聚成像,利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成,分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差,提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理,分析了滤波器的相频响应特性,并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽,验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g,尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明,34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%,在±2°测量范围内单轴测量时,方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°,组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°,文中所提出的三维测角传感器精度较高,满足机载等场景的使用要求。

关键词：三轴姿态角度测量非接触测量位置敏感探测器滤波带宽响应频率

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基于宽谱段天空背景光辐射计的长春地区实测

激光与光电子学进展 2024年第13期61卷 163-171页

作者：李尹佟首峰张雷张恒曹玉玺长春理工大学光电工程学院长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心

为了深入研究宽谱段背景光辐射，满足实时测量天空背景辐射的科研试验任务需求，自主设计了一套宽谱段天空背景光辐射计，能实现全天空扫描和定点观测两种测量模式，扩展了可测量波段，完成了200～2500 nm波段积分辐亮度的测量。基于设... 详细信息

为了深入研究宽谱段背景光辐射，满足实时测量天空背景辐射的科研试验任务需求，自主设计了一套宽谱段天空背景光辐射计，能实现全天空扫描和定点观测两种测量模式，扩展了可测量波段，完成了200～2500 nm波段积分辐亮度的测量。基于设备的总体结构原理图，详细介绍了各个分系统部件的研制方案，给出了各项详细的技术指标以及设备的标定原理和实验，并对设备的不确定度进行了分析，结果符合不确定度的要求，证明了其可靠性。利用宽谱段背景辐射计在长春地区进行实测，并对数据进行简要分析，测量结果满足辐射变化规律，为科研和具体应用提供了一种新的有效方式。

关键词：大气光学背景辐射辐射标定测量设备

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基于笼屉结构的机载高能激光系统光学中舱温度适应性研究

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红外与激光工程 2024年第4期53卷 100-109页

作者：李响周晨朱永奇董科研高亮安岩席文强刘玉海长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 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 长春理工大学机电工程学院吉林长春130022

相较于车载、舰载设备,机载设备受体积及工作环境的限制,发展较为缓慢。针对机载设备的轻小型化要求,系统采用“光路堆叠”思想,提出笼屉式分层结构,实现了系统体积的要求。因光学中舱中包含精跟踪及主激光支路,温度变化时各支路间的光... 详细信息

相较于车载、舰载设备,机载设备受体积及工作环境的限制,发展较为缓慢。针对机载设备的轻小型化要求,系统采用“光路堆叠”思想,提出笼屉式分层结构,实现了系统体积的要求。因光学中舱中包含精跟踪及主激光支路,温度变化时各支路间的光轴一致性难以保证,导致跟踪目标发生偏移,主激光支路无法对目标进行精确打击,严重影响系统的工作。为解决上述问题,对光学中舱进行有限元仿真分析,研究光学中舱在20±5℃情况下各镜片的变形。对镜片变形中影响光轴偏折的刚体位移进行提取计算,计算出单个镜片的偏转角度。根据反射棱镜安装误差理论对各支路间的光轴偏移量进行计算,分析精跟踪支路与主激光支路光轴一致性偏差。经过仿真分析,系统精跟踪支路与主激光支路光轴方位偏差为109.634μrad,俯仰偏差为132.952μrad。在实验室中进行25℃温度实验,结果表明,系统精跟踪支路与主激光支路光轴方位偏差为104.019μrad,俯仰偏差为125.009μrad,与仿真结果误差分别为5.40%、6.35%,验证了仿真结果的合理性。

关键词：高能激光系统笼屉结构稳态热分析刚体位移光轴一致性

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空间分集光密钥生成的信道相关性影响

光学精密工程 2024年第13期32卷 2128-2140页

作者：李辉娄岩赵义武陈纯毅侯艺浩赵圣亚秦心怡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 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学计算机科学技术学院吉林长春130022

利用无线光信道本身的特性实现光密钥生成和分发,可为高速星地保密通信提供安全和高效的保障。开展了无线光信道空间分集密钥生成系统相邻子信道相关性的研究。通过实现功率谱反演产生的Kolmogorov大气湍流相位屏,构建了无线光信道(WOC... 详细信息

利用无线光信道本身的特性实现光密钥生成和分发,可为高速星地保密通信提供安全和高效的保障。开展了无线光信道空间分集密钥生成系统相邻子信道相关性的研究。通过实现功率谱反演产生的Kolmogorov大气湍流相位屏,构建了无线光信道(WOC)信道中的多输入多输出(MIMO)模型,采用蒙特卡罗模拟了高斯光束经大气湍流传输特性,比较了不同湍流强度和光束传输距离对光强分布的影响,分析了大气湍流强度、相邻两接收孔径之间的距离、接收孔径、传输距离、光波波长对相邻子信道相关性的影响。结果表明,相邻两接收孔径接收到的光信号功率的相关性随相邻两接收孔径的直径和波长的增大而增加,随相邻两接收孔径之间的距离、光波的传输距离、湍流强度的增加而减小。在大气折射率结构常数C_(n)^(2)为5×10^(-14)m^(-2/3)、接收口径为0.03 m、传输距离为2000 m的近地水平链路条件下,相邻信道之间的距离在0.07 m时接收到的光信号功率的相关性近似为零,此时两个相邻信道彼此独立。该结果可为建立空间分集大气光信道密钥提取系统提供参考。

关键词：无线光通信多输入多输出信道相关性密钥生成湍流相位屏

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基于随机调制实现光信道测量样本去相关分析

红外与激光工程 2024年第4期53卷 243-253页

作者：侯艺浩娄岩陈纯毅赵圣亚李辉李琼秦心怡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 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学重庆研究院重庆401135 长春理工大学计算机科学技术学院吉林长春130022

从大气光信道中可以提取两个合法通信方用来加密其传输的机密信息的公共密钥。首先,为了打破湍流引起的光学波动的相关时间对每秒提取的不相关光信道测量样本的数量限制,提出了为合法通信双方配备随机调制的方法,并针对其实现测量样本... 详细信息

从大气光信道中可以提取两个合法通信方用来加密其传输的机密信息的公共密钥。首先,为了打破湍流引起的光学波动的相关时间对每秒提取的不相关光信道测量样本的数量限制,提出了为合法通信双方配备随机调制的方法,并针对其实现测量样本去相关性进行了理论分析;其次,利用OptiSystem软件仿真分析了大气光信道水平路径传输距离为1 km,中湍流,调制方式为幅度调制条件下,合法通信方在无调制、单调制、双调制三种不同调制的情况下对光信道测量样本自相关性的影响。针对单调制的情形,分析了不同大气光信道传输系数相干时间、伪随机码生成速率、传输距离和信噪比对光信道测量样本自相关性的影响。结果表明,对比无调制情况,在相同采样间隔内,观测到的光信道测量样本的测量数据变化次数增多;同时施加随机调制的发射光信号,在小于湍流引起的光学波动的相关时间的采样间隔下,观测到的光信道测量样本,在滞后100个样本的延迟时间后的自相关性,从无调制情况下的0.676降低到单调制情况下的0.083和双调制情况下的0.035。

关键词：激光通信自相关随机调制大气湍流

基于能量反馈自适应的SPGD算法合束仿真与验证

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激光与光电子学进展 2024年

作者：李剑洪高亮安岩胡立超李响宋延嵩董科研长春理工大学光电工程学院长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心

为改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且迭代步长难以选取的问题，提出了一种基于能量反馈自适应调整步长的SPGD算法。该算法通过远场光斑的能量反馈数值，自适应调整步长，从而加快... 详细信息

为改善传统随机并行梯度下降(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)算法收敛速度慢且迭代步长难以选取的问题，提出了一种基于能量反馈自适应调整步长的SPGD算法。该算法通过远场光斑的能量反馈数值，自适应调整步长，从而加快算法收敛速度；同时只需确定步长收敛区间，在收敛区间内可任意选取初始步长，解决了初始步长难以选取的问题。进行了3、19、37路合束仿真，收敛速度较传统算法分别提升了6.67%、33.33%、42.78%；收敛精度较传统算法分别提升了0.18%、0.18%、0.75%。搭建了3路合束实验，实验表明评价函数值与收敛精度分别提升了57%、2.9%，最终电压值提升了0.052V。通过传统算法与改进算法的合束对比仿真及实验，证明了该改进算法的可行性。该改进算法能有效减少系统合束所需要的时间并提高合束能量，对多光束合成技术具有一定的研究意义。

关键词：随机并行梯度下降算法光束合成能量反馈自适应步长收敛速度收敛精度

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基于椭圆拟合法的湍流扰动光斑质心提取

激光与光电子学进展 2024年第13期61卷 281-288页

作者：王建兵姚海峰刘智董科研刘树通长春理工大学电子信息工程学院北京理工大学光电学院长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心

由于现有椭圆拟合法在大气湍流扰动下提取光斑质心时存在抗干扰能力差、提取精度差等问题，激光通信系统伺服跟踪精度难以提升。为此，提出一种基于椭圆拟合的光斑质心快速提取方法。首先，根据湍流程度，使用遗传算法优化可变阈值分割... 详细信息

由于现有椭圆拟合法在大气湍流扰动下提取光斑质心时存在抗干扰能力差、提取精度差等问题，激光通信系统伺服跟踪精度难以提升。为此，提出一种基于椭圆拟合的光斑质心快速提取方法。首先，根据湍流程度，使用遗传算法优化可变阈值分割并将其与形态学处理、边缘检测等操作结合提取光斑边缘。然后，将边缘特征点构成的集合分成不同大小的子集并将不同子集的散布矩阵叠加得到整个集合的散布矩阵。最后，采用直接最小二乘法求出拟合的椭圆参数，完成光斑质心提取。实验结果表明，在强湍流、掩模半径为120 pixel时，该方法的掩模内平均灰度强度比椭圆拟合法提高1.32 pixel，水平质心偏移降低4.59 pixel。该方法在不同程度的湍流扰动下可有效地实现光斑质心提取，在光斑破碎时依然可以保持高精度，可为空间激光通信的捕获、指向、跟踪系统的光斑质心提取提供技术支持。

关键词：大气湍流质心提取椭圆拟合遗传算法光斑破碎

螺旋因斯-高斯光束海洋湍流信道传输与通信特性仿真研究

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激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 165-176页

作者：戴辉张鹏何爽陈航范云龙王圆鑫李晓燕佟首峰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 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 吉林大学通信工程学院吉林长春130022

为了研究螺旋因斯-高斯(HIG)光束在海洋湍流信道下的传输与通信特性,首先基于随机相位屏法和功率谱反演法,仿真研究了HIG光束经过海洋湍流后的传输性能(光强分布、相位分布、闪烁指数、质心漂移和重叠)与传输距离之间的关系,而后基于对... 详细信息

为了研究螺旋因斯-高斯(HIG)光束在海洋湍流信道下的传输与通信特性,首先基于随机相位屏法和功率谱反演法,仿真研究了HIG光束经过海洋湍流后的传输性能(光强分布、相位分布、闪烁指数、质心漂移和重叠)与传输距离之间的关系,而后基于对数正态强度概率密度函数进一步分析通信误码率性能。为实现最优传输与通信性能,优化分析HIG不同光束参数(椭圆度、阶数、度数)下的性能规律。仿真结果表明:与高斯光束相比,HIG光束在不同距离下都具有较好的抗湍流能力,其中在100 m海洋湍流信道中(ε=10^(-5)m^(2)∕s^(3),X_(T)=10^(-5)K^(2)∕s,ω=-0.15,η=10^(-3)m,L_(0)=10 m),闪烁指数降低58%,质心漂移降低53%,误码率降低3个数量级。随着湍流强度增加,HIG光束传输与通信性能降低,且相比高斯光束,HIG光束性能改善能力减弱:在相对弱湍流状态下,误码率改善约4个数量级;在相对强湍流状态下,误码率改善约1个数量级。且随着海洋湍流外尺度增加,HIG光束质心漂移小幅增加,其余参数几乎保持不变。经过优化可知,椭圆度、阶数、度数存在最优值,可提高通信性能和传输性能,其中阶数最为敏感。仿真研究结果将有可能为HIG光束应用于水下光通信提供理论依据和技术参考。

关键词：海洋湍流螺旋因斯-高斯光束随机相位屏闪烁指数质心漂移重叠误码率

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机载平台下基于模型预测的双液晶偏振光栅控制技术研究

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光学学报 2024年

作者：易鑫庆刘洋滕云杰刘建华王俊尧张季丰长春理工大学光电工程学院空间光电技术研究所长春理工大学光电工程学院空间光电技术国家地方联合工程研究中心

为满足新一代机载光电跟瞄平台轻小型化设计要求，实现动平台下对目标高精度跟踪，提出机载平台下基于双液晶偏振光栅光电跟瞄平台的控制方法。首先，建立双液晶偏振光栅光束解算模型，根据目标位置信息确定两片光栅各自所需执行的位置... 详细信息

为满足新一代机载光电跟瞄平台轻小型化设计要求，实现动平台下对目标高精度跟踪，提出机载平台下基于双液晶偏振光栅光电跟瞄平台的控制方法。首先，建立双液晶偏振光栅光束解算模型，根据目标位置信息确定两片光栅各自所需执行的位置信息；然后，将解算模型与模型预测控制算法相结合，设计伺服系统控制器，控制双光栅实现光束偏折与目标跟踪；最后，搭建实验平台进行验证，分别在2°@0.5hz与在5°@0.2hz载体扰动情况下动态跟踪精度达到132.56urad与126.69urad，相较于传统控制器得到较大提升，为双液晶偏振光栅光电跟瞄平台在机载平台下的应用提供理论支持与技术参考。

关键词：双液晶偏振光栅解算模型伺服控制模型预测跟踪精度