一种提高空间光通信系统光束位置检测精度的系统及方法与流程

本发明属于自由空间光通信跟踪控制技术领域，具体涉及一种提高空间光通信系统光束位置检测精度的系统及方法。

背景技术：

自由空间光通信(fso)兼容了无线通信和光纤通信的优点，得到越来越广泛的应用。这种通信方式中，使用激光束实现点对点传输，在通信过程中需要通信双方互相保持瞄准和跟踪状态，以维持通信链路畅通。所以，光学天线控制是fso系统中的一项关键的技术，其中光束位置检测的主要功能是检测信标光射入角度偏差，以此发布跟踪和指向指令。入射光角度偏差检测的精度决定了fso系统的性能。

四象限探测器qd和位置探测器(psd)是fso系统中主要使用的光束位置探测器。两种探测器都是将入射的信标光转换为电流信号，并依据输出4路电流信号的比值计算得到光束位置。它们具有分辨率高、固有噪声低、响应速度快等优点，广泛应用于高精度的位置测量和跟踪。现有的基于qd的光斑位置检测技术，是通过修正qd的非线性性来提高检测精度。但是在实际应用中，特别是大气信道的fso系统中，信标光信号经大气湍流的衰减，受背景光和探测器暗电流的影响，两种光束位置探测器输出电流的信噪比非常低。这直接影响了光束位置检测的精度，在输出信噪比极低的情况下，现有的光束位置检测系统无法工作。

因此，本文提出了一种通过提高局部频点信噪比以改进光斑位置检测精度的方法。根据背景光噪声和探测器所含的主要噪声都为宽频带白噪声这一特点，在发射端使用正弦信号调制信标光，并在接收端产生频率相同的调制信号，与收到的信标光信号进行循环互相关运算，在局部频点上很好的抑制噪声，增强了局部信噪比，提高了位置检测精度。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服在低信噪比条件下现有光束位置检测精度不足的问题。采用循环互相关的方法，显著地提高探测器输出信噪比。该方法将提升信噪比方法应用于光束位置检测系统中，相对于常规的非线性修正模式，抗干扰能力，具有数量级的提升。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种提高空间光通信系统光束位置检测精度的系统及方法。在发射端对信标光进行强度调制，在接收端产生于调制信号相同的参考信号，将参考信号与探测器输出信号一起进行循环互相关运算，然后多次检测运算结果的幅度值，并对检测到的幅度值求平均，最后利用平均幅度值计算光束位置。该方法能显著提高系统在低信噪比条件下的检测精度。实现的框图如图1所示。

一种提高空间光通信系统光束位置检测精度的系统，包括：光电探测器100、电流/电压转换器101、放大器102、a/d转换器103、处理器104。光电探测器100将信标光转换为光电流信号，光电流信号在电流/电压转换器101中被转换为电压信号，经放大器102放大后由a/d转换器103变换为数字信号，处理器104接收该数字信号，处理器104包括幅度检测器1001、数字信号发生器1002、相位控制器1003，脱靶量计算单元1004。其中相位控制器1003接a/d转换器发过来的数字位置信号x(n)以及数字信号发生器1002送出的本地参考信号y(n)，经鉴相后，送出相位差信号θ；数字信号发生器1002接收相位差信号θ修正自身输出信号的频率，直到相位差稳定。调节后的数字信号y(n)，与a/d转换器输出信号x(n)一起送入幅度检测器1001增强信号信噪比，所得结果r(m)送入脱靶量计算单元1004，输出a轴和e轴偏移量。

信号处理流程：在发射端，对信标光进行强度调制。在接收端，如图1所示，光电探测器将信标光转换为光电流信号，光电流信号在电流/电压转换器中被转换为电压信号，经放大器放大后由a/d转换器变换为数字信号。处理器接收到该数字信号后，根据用户设置参数，由鉴相器和数字信号发生器产生与调制信号相同的本地参考信号，本地参考信号与接收到的数字信号进行循环互相关运算，运算结果由幅度检测器进行精确幅度检测，最后送入脱靶量计算单元，计算出光束位置。

具体实现步骤如下：

第一步，相位控制器1003

设计在处理器104上运行的的相位控制器1003闭环传递函数为：

其中fclk为系统时钟；fx为输入信号x(n)的频率；c1和c2为控制系数；n为分频比。

第二步，设计数字信号发生器1002

设计在处理器104上运行的数字信号发生器1002。采用查找表法产生数字信号，预先在matlab中生成余弦信号，方波信号和部分伪随机序列码数据，存入处理器的存储空间内。输出信号的类型可根据需要在线调整。输出频率根据相位控制器1003产生的相位信号θ自动调整。

第三步，设计幅度检测器1001

设计在处理器104上运行的幅度检测器1001。通过对x(n)和y(n)进行循环互相关运算提高x(n)信噪比，并检测x(n)的幅度值。

(1)考虑信标光信号在发射端经幅度调制后，其入射光场为es，光场平均功率为ps：

es(t)＝a[1+d(t)]cosωt(1)

其中：a为光场强度；d(t)为调制信号。则信标光信号对应的探测器输出电流为：

为光电转换系数。由(3)式可见，幅度调制后的信标光信号所对应的输出光电流，包含了调制信号d(t)的信息。若d(t)是一个窄带信号，则可以将信标光信号的能量集中在一个频点上，提高了频点上的局部信噪比。典型的窄带信号为正弦(余弦)信号，可令

(2)可以把探测器输出的信号改写为电压形式，记为：

k为探测器输出端到adc之间的信号通道总增益；a为信号幅度；n(t)为噪声。信标光信号经远距离信道传输后，会被大幅度衰减。严重的情况下，信标光所对应的光电流会被噪声淹没，用传统的幅度检测方法难以提取信标光信号。

考察(4)式，经过幅度调制的信标光信号通过探测器检测后，其输出信号x(t)带有固定的频率特征ω1，并且该频率特征是已知的。可由接收机产生一个具有同样频率的参考信号它与信标光信号x(t)之间具有良好的时间相关特性，而与噪声n(t)不具备时间相关特性。所以使用互相关运算，可以在时域上对x(t)的幅度进行累积，而不会对噪声幅度进行累积，这样可以提高x(t)的信噪比。y(t)与x(t)互相关运算过程如下：

其中：

当t→∞时，所以可得：

另有：rny(τ)＝e{n(t)·cos[w1(t+τ)]}(8)

y(t)与n(t)相互独立，当采样时间t大于信号周期时，rny的值非常小，可记为新的噪声n2(t)。所以，互相关运算最后结果可记为：

从(9)式可以看出，通过互相关运算可以有效的抑制噪声，较为精确的估计幅度值a，并送入脱靶量计算单元得到探测器上的光斑质心位置。

(3)重新考察(6)式，得到(7)式结果的条件是t→∞，即采样数据需是无限长。但在实际应用中，采样数据都是截断的，采样后的互相关运算表示为：

截断后的采样点数为n，则参与运算的数据点只有n-1-|m|点，因此随m增加而减小，这样的运算结果不利于对幅度值a的估计。导致这种结果的原因是，对每个延时m，参与运算的x(n)每次乘加运算后右移补0，使得参与运算的有效数据点减少。

可以用循环移位的方法，人为制造一组无限长的采样数据，使得对每个延时m，参与预算的有效数据都为n-1点，即：把x(n)每次右移出的数据点从序列的最左端移入，如图2所示。当采样时间为信号周期的整数倍时，循环互相关运算的结果为一低噪声的余弦信号。该运算的实质是对同一频点的同一部分采样信号重复进行相关运算，并将结果平均，可有效的抑制该频点上的噪声干扰，从而提高对幅度值a的估计精度，提高探测器对信标光位置的检测精度。

第四步，设计脱靶量计算单元1004。根据所用传感器类型，选择相应脱靶量计算公式完成计算。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

(1)仪器在低信噪比条件下的光束位置检测能力大大增强，如图3-图6所示。

(2)方法较容易实现，只需利用现有空间光通信系统中的信号光调制信息，在接收端处理器中写入算法程序即可，无需更多的硬件设备。

(3)本发明所涉及的光束位置检测方法，可以针对四象限探测器和位置探测器等多种直接光束强度检测的探测器。

(4)本发明所用处理器可以是fpga，dsp和嵌入式系统，能够匹配现有大多数数字信号处理系统。

附图说明

图1是本发明涉及的控制系统各部件结构框图；

图2是循环互相关算法框图；

图3为输入光斑半径为0.42mm时，常规方法和本发明方法检测曲线的对比。“*”形曲线为信噪比为-5.93db时常规方法检测曲线；“○”形曲线为信噪比为-14.58db时常规方法检测曲线；“■”形曲线为信噪比为-5.93db时本发明方法检测曲线；“+”形曲线为信噪比为-14.58db时本发明方法检测曲线；

图4为输入光斑半径为0.42mm时，常规方法和本发明方法检测误差的对比。“*”形曲线为信噪比为-5.93db时常规方法检测误差；“○”形曲线为信噪比为-14.58db时常规方法检测误差；“■”形曲线为信噪比为-5.93db时本发明方法检测误差；“+”形曲线为信噪比为-14.58db时本发明方法检测误差；

图5为输入光斑半径为0.71mm时，常规方法和本发明方法检测曲线的对比。“*”形曲线为信噪比为-7.83db时常规方法检测曲线；“○”形曲线为信噪比为-17.86db时常规方法检测曲线；“■”形曲线为信噪比为-7.83db时本发明方法检测曲线；“+”形曲线为信噪比为-17.86db时本发明方法检测曲线；

图6为输入光斑半径为0.71mm时，常规方法和本发明方法检测误差的对比。“*”形曲线为信噪比为-7.83db时常规方法检测误差；“○”形曲线为信噪比为-17.86db时常规方法检测误差；“■”形曲线为信噪比为-7.83db时本发明方法检测误差；“+”形曲线为信噪比为-17.86db时本发明方法检测误差；

图中：100为光电探测器，101为电流/电压转换器，102为放大器，103为a/d转换器，104为处理器，1001为幅度检测器，1002为数字信号发生器，1003为相位控制器，1004为脱靶量计算单元。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1所示，光电探测器100将信标光转换为光电流信号，光电流信号在电流/电压转换器101中被转换为电压信号，经放大器102放大后由a/d转换器103变换为数字信号。处理器104接收到该数字信号后，根据用户设置参数，由鉴相器和数字信号发生器产生与调制信号相同的本地参考信号，本地参考信号与接收到的数字信号进行循环互相关运算，运算结果由幅度检测器进行精确幅度检测，最后送入脱靶量计算单元，计算出光束位置。

第一步：系统的安装与连接。关键是将处理器104与a/d转换器103相连接，并设置好数据格式和相关系统参数。整个硬件部分要保证电平标准匹配和硬件时序匹配，否则会出现不兼容问题。作为整个系统的处理器104，控制芯片最好选用实时性好的fpga芯片。

第二步，设置相位控制器

设计在处理器104上运行的的相位控制器1003闭环传递函数为：

其中fclk为系统时钟；fx为输入信号x(n)的频率；c1和c2为控制系数；n为分频比。

该步骤中应根据调制信号的参数，设置c1、c2两个控制系数和分拼比系数n，使数字锁相环正确解析相位差。

第三步，设计数字信号发生器1002

设计在处理器104上运行的数字信号发生器1002。采用查找表法产生数字信号，预先在matlab中生成余弦信号，方波信号和部分伪随机序列码数据，存入处理器的存储空间内。

应根据调制信号类型，在线调整信号发生器输出参考信号的类型。输出频率根据相位控制器(1003)产生的相位信号θ自动调整，也可通过用户手动调节。

第四步，设计幅度检测器1001

设计在处理器104上运行的幅度检测器1001。通过对x(n)和y(n)进行循环互相关运算提高x(n)信噪比，并检测x(n)的幅度值。

第五步，设计脱靶量计算单元1004。根据所用传感器类型，由用户选择相应脱靶量计算公式完成计算。