基于FSO自由空间光通信中自动伺服系统的研究

　　随着通信业务量的急剧增长，光通信技术作为一种新型的通信技术正在日新月异地发展着，其较高的传输速率和较宽的利用频带，以及较高的保密性能正倍受各国通信界的青睐。而光通信在星际间的卫星通信充当了最主要的媒介，要提高通信质量，FSO通信中的ATP子系统是关键，它关系着整个通信质量和误码率。因此，ATP子系统的设计是关系着通信系统总体设计的主要权衡因素和制约条件。自动伺服系统中的性能指标，主要是以ATP系统中的性能指标为基准的。而ATP的性能指标总结起来可为：较大的捕获概率，高的跟踪精度，较宽的伺服带宽，以及较低的链路失锁等。其技术指标为多样化的承载平台所带来的各种运动和振动的约束条件，并在运动与复杂的背景下的目标捕获与辨识，跟踪信道在光噪声，电噪声与机械噪声下的对准与跟踪。因此，ATP的伺服子系统是一个光机电一体化的复合轴控制系统。

　　1 ATP的系统结构

　　根据空间光通信系统的工作流程和特点，其典型的伺服系统(ATP)结构设计由两部分组成，即粗跟踪部分和精跟踪部分。粗跟踪部分包括粗跟踪CCD，图像数据采集，粗跟踪控制器，光电码盘，模数转换部分与伺服电机，光学天线等;精跟踪部分主要包括精跟踪CCD，图像数据采集，精跟踪控制器，D/A转换，PZT驱动器以及快速倾斜镜。其整个工作原理图如图1所示。

　　入射的信标光经过反射镜进入后，经光学主天线反射回来进入粗跟踪环，由粗跟踪探测器CCD把控测到的光信号转化为电信号，再经过图像采集和处理后直接送人粗跟踪控制器进行运算操作，同时粗跟踪控测器还接收由光电码盘所探测到的实际光学视轴的位置，通过比较和运算得到了实际的误差控制信号，此时的粗跟踪控制器将根据误差控制信号转化成误差控制指令输出到D/A转换器中，再由D/A转换器转换为实际的模拟信号送给伺服力矩电机，带动光学主天线在水平和俯仰方向上的旋转，此过程即为粗跟踪过程，主要完成空间光信号的捕获与跟踪。捕获过程是空间光通信链路所建立的必要前提。而当粗跟踪建立完成之后，将会把入射的信标光引入到了精跟踪探测器的视场范围之内，同理在精跟踪环内也是由精跟踪控制器产生跟踪控制指令，再经过D/A转换后，用来控制PZT驱动器，从而带动快速倾斜镜的运转，最终在精跟踪环内把误差控制到尽可能的小，以使以目标视轴为中心的发射激光束最大的能量及密度对准目标，进而完成整个通信链路的建立过程。粗跟踪阶段的特点是捕获范围大，伺服控制执行机构的精度和频率较低，由于其带宽比较低，一般只有几赫兹，它只能抑制外部干扰的低频成分。而且粗跟踪机构将会给系统引入摩擦力矩，这是影响跟瞄精度的主要因素之一，如何对其进行抑制是设计粗跟踪机构时应着重考虑的问题。精跟踪的跟踪精度减小了视轴误差引起的光能量的损失，它要求的跟踪带宽相对较高，因为卫星平台的振动和跟踪系统对其抖动的抑制能力在很大程度上决定了空间光通信ATP系统的跟踪精度，所以一般要达到几百赫兹甚至上千赫兹，以有效地抑制卫星平台及其他干扰所引起的抖动。因此，设计一个高精度的精跟踪环是整个APT系统的关键。