跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙 滿，謝洪波，陳 夢，楊 磊

(天津大學(xué) 精密儀器與光電子工程學(xué)院，光電信息技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300072)

引言

激光通信技術(shù)具有體積小、保密性強(qiáng)、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景廣泛，可以應(yīng)用于固定點(diǎn)之間、移動點(diǎn)之間、固定點(diǎn)與移動點(diǎn)之間的通信[1]。與空間和地面平臺相比，機(jī)載激光通信系統(tǒng)要求通信的雙方在飛行狀態(tài)下，實(shí)現(xiàn)高精度的動態(tài)對準(zhǔn)和跟蹤。機(jī)載平臺除容易受到背景雜光，大氣湍流和惡劣環(huán)境的影響外，還具有相對位姿變化快，振動大，受機(jī)載設(shè)備尺寸限制等特點(diǎn)，因此對機(jī)載激光通信系統(tǒng)提出了更高的研制要求[2-3]。

機(jī)載激光通信系統(tǒng)的核心技術(shù)是如何實(shí)現(xiàn)高概率捕獲和高精度的跟蹤、瞄準(zhǔn)(ATP: acquisition, tracking, pointing)。縱觀國內(nèi)外目前已有的研究，機(jī)載激光通信系統(tǒng)一般先利用慣導(dǎo)和全球定位系統(tǒng)(GPS)結(jié)合的方法對目標(biāo)進(jìn)行初始定位，然后用較小的跟蹤視場進(jìn)行區(qū)域掃描，以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)粗捕獲。這種方式不僅捕獲概率低，時(shí)間長，而且掃描結(jié)構(gòu)體積較大[4-8]。通過增大跟蹤視場，采用凝視掃描的方式直接捕獲，可以在不犧牲探測距離的前提下，減小目標(biāo)捕獲的時(shí)間，且系統(tǒng)體積較小。但捕獲視場增大，勢必會降低探測的分辨率，同時(shí)引入較多的雜散光噪聲，從而降低跟蹤、瞄準(zhǔn)的精度。為此，本文提出一種基于大凝視視場掃描的高精度跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)方案。

1 跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)工作原理

跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)的核心是ATP系統(tǒng)，其工作過程主要分為3部分：激光粗捕獲、激光瞄準(zhǔn)、跟蹤和激光通信，如圖1所示。具體工作流程如圖2所示。首先，采用凝視掃描的方式，在初始定位后，由位置探測器接收不確定區(qū)域內(nèi)的信標(biāo)光信號，實(shí)現(xiàn)粗捕獲；由外部光斑跟蹤模塊提取此時(shí)位置探測器靶面上的光斑質(zhì)心坐標(biāo)，并計(jì)算脫靶量；然后將控制命令傳輸至跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)中的伺服執(zhí)行器件，使信標(biāo)光光斑偏轉(zhuǎn)至位置探測器的中心。重復(fù)循環(huán)以上步驟，從而實(shí)現(xiàn)激光的瞄準(zhǔn)和跟蹤。采用共軸多光路的方式，將跟蹤通信一體化設(shè)計(jì)，從而建立同步激光通信鏈路。

圖1 ATP系統(tǒng)工作過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of ATP system working process

圖2 ATP系統(tǒng)工作流程圖Fig.2 Flow chart of ATP system

該接收光學(xué)系統(tǒng)的核心器件包括位置探測器、通信探測器和伺服執(zhí)行器件。位置探測器的功能是根據(jù)成像的光斑信息得到目標(biāo)的位置信息，實(shí)現(xiàn)大視場的粗捕獲，并將信息反饋給光束偏轉(zhuǎn)器件，實(shí)現(xiàn)精跟蹤。相比電荷耦合器件(CCD)和四象限探測器(QD)，高幀頻互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)具有集成化程度高、大面陣、靈活開窗的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)高概率捕獲和高精度跟蹤[9-11]。通信探測器具有小靶面，高帶寬的特點(diǎn)，同光電二極管(PIN)相比，雪崩二極管(APD)可以通過內(nèi)增益實(shí)現(xiàn)更高的探測靈敏度，以增加通信距離[12-13]。伺服執(zhí)行器件中，快速反射鏡(FSM)對激光的波長、角度等不受限制，且具有高帶寬和高分辨率的特點(diǎn)[14]。因此，本文研究并設(shè)計(jì)一種基于CMOS捕獲、FSM調(diào)節(jié)跟蹤、APD通信的跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)。

2 跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)方案及設(shè)計(jì)要求

2.1 系統(tǒng)方案

接收光學(xué)系統(tǒng)的布局如圖3所示。該系統(tǒng)同時(shí)接收雙波長的激光信號，其中，信標(biāo)光起捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)作用，信息光起通信作用。雙波長激光信號共軸，該系統(tǒng)接收到激光信號后，由FSM反射至共用透鏡組，然后由分光鏡對兩波長光束進(jìn)行分光。經(jīng)分光鏡后光路分成兩部分，透射光路經(jīng)窄帶濾光片、會聚鏡組后由CMOS探測器接收；反射光路經(jīng)窄帶濾光片、會聚鏡組后由APD探測器接收。

圖3 跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)布局Fig.3 Layout of tracking communication integrated receiving optical system

2.2 設(shè)計(jì)要求

2.2.1 跟蹤光路設(shè)計(jì)要求

根據(jù)圖3跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)的方案，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的驗(yàn)證系統(tǒng)。由激光衍射極限角計(jì)算公式：

(1)

可知，波長越短，衍射極限角越小，且探測器響應(yīng)峰值在800 nm附近，因此選用808 nm激光作為信標(biāo)光。本系統(tǒng)采用凝視掃描的方式工作，凝視視場為±175 mrad。CMOS通過計(jì)算接收的光斑質(zhì)心坐標(biāo)與靶面中心參考點(diǎn)坐標(biāo)的差值來調(diào)節(jié)FSM傾斜角度，實(shí)現(xiàn)跟蹤功能，所以接收光斑的質(zhì)量決定了該系統(tǒng)的跟蹤精度。

CMOS靶面像素尺寸6.5 μm × 6.5 μm，分辨率2 048×2 048像素，通過計(jì)算靶面上像素的光強(qiáng)大小得到光斑的質(zhì)心坐標(biāo)[15]，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：(X,Y)為光斑質(zhì)心坐標(biāo)；(x,y)為CMOS各個(gè)像素的坐標(biāo)；p(x,y)為各個(gè)像素對應(yīng)的灰度值，即光強(qiáng)大??；T為算法設(shè)定的目標(biāo)與背景噪聲的閾值。

根據(jù)光斑質(zhì)心計(jì)算公式和CMOS的具體工作過程，總結(jié)得到接收光斑的質(zhì)量評價(jià)情況，主要有以下幾點(diǎn)：

1) 各個(gè)視場下光斑的大小。接收光斑的大小決定了接收能量的集中度，進(jìn)而影響CMOS提取脫靶量的靈敏度，所以接收光斑的尺寸要在一定范圍內(nèi)，一般要求光斑直徑小于探測器的2個(gè)像素(13 μm)。

2) 各個(gè)視場下光斑形狀。光斑形狀會影響質(zhì)心坐標(biāo)的提取，進(jìn)一步影響CMOS計(jì)算脫靶量的精確度。彗差、像散、場曲等像差會影響光斑對稱性，因此需要嚴(yán)格控制[16]。

3) 不同視場下光斑一致性。光斑一致性越高，計(jì)算脫靶量的算法對于不同視場的普適性越高，精確度也越高。接收的視場越大，光斑一致性越難實(shí)現(xiàn)。

2.2.2 通信光路設(shè)計(jì)要求

通信光路選用大光窗型InGaAs APD作為激光通信探測器，工作波長為1 550 nm；光敏面直徑為0.5 mm；通信視場約為跟蹤視場的十分之一，為±13 mrad。

通信光路和跟蹤光路共軸，共用同一個(gè)光闌，具有相同的入瞳直徑。由于APD為單點(diǎn)的能量探測器，其與跟蹤光路中CMOS成像的要求不同，設(shè)計(jì)的重點(diǎn)在于邊緣視場的優(yōu)化。通過分配不同視場的優(yōu)化權(quán)重，重點(diǎn)優(yōu)化邊緣視場的像差，使其光斑完全位于APD光敏面上，從而實(shí)現(xiàn)通信功能。

3 跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化

3.1 跟蹤光路參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化

CMOS像面對角線2y=13.3 mm，視場2ω=±175 mrad，由公式：

(3)

(4)

計(jì)算可得跟蹤光路的焦距f約為38 mm。入瞳直徑D=30 mm時(shí)，該光路的F數(shù)為1.2左右，點(diǎn)列圖要小于2個(gè)像素直徑，且各視場一致性要高，設(shè)計(jì)難度較大。

選用5片5組的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。為了優(yōu)化各視場下光斑形狀，需要嚴(yán)格控制彗差、像散等像差，將光闌設(shè)置在鏡組中間，構(gòu)造對稱結(jié)構(gòu)以減小垂軸像差。為避免背景光的影響和提高信噪比，需在光線角度較小處設(shè)置窄帶濾光片。由拉赫不變量公式：

nyu=n′y′u′=J

(5)

可知，中間口徑最大處光線的入射角度最小。

為滿足光斑質(zhì)心對稱以及各視場下光斑的一致性，將鏡頭設(shè)計(jì)為像方遠(yuǎn)心。為滿足接收光斑質(zhì)量的要求，并減小鏡組的設(shè)計(jì)難度和復(fù)雜程度，在系統(tǒng)中引入非球面設(shè)計(jì)。分析光路中的光線走向，將第4片透鏡的第一面設(shè)置為偶次非球面。此外，應(yīng)注意分光鏡后邊透射光路的光軸發(fā)生X向偏心，偏心量與分光鏡的材料和厚度有關(guān)。

最終優(yōu)化后的跟蹤光路圖如圖4所示。前兩片為反射、透射光路的共用鏡片，然后依次是分光鏡、窄帶濾光片、會聚鏡組和CMOS，其中第4片鏡片的第一面為非球面。

圖4 優(yōu)化后的跟蹤光路圖Fig.4 Diagram of optimized tracking optical path

3.2 通信光路參數(shù)計(jì)算與優(yōu)化

APD光敏面的直徑φ=0.5 mm，視場為2ω=±13 mrad，由公式(3)和公式(4)計(jì)算可得通信光路的焦距約為19 mm。入瞳直徑與跟蹤光路相同，D=30 mm時(shí)，該光路的F數(shù)為0.63左右，設(shè)計(jì)難度較大。

選用5片5組結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。通信光路與跟蹤光路在分光前為同軸共光路，共用鏡組對兩個(gè)光路同時(shí)有影響，因此利用變焦功能將兩個(gè)光路同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化。通信光路優(yōu)化時(shí)需要注意，通過更改不同視場優(yōu)化的權(quán)重，嚴(yán)格控制邊緣視場像差。APD高靈敏度的特點(diǎn)決定了該通信光路對濾光片帶寬的要求更高。觀察初始結(jié)構(gòu)光線走向，同樣將濾光片放置在光闌后。為進(jìn)一步減小像差和鏡組的復(fù)雜程度，在系統(tǒng)中引入非球面設(shè)計(jì)，將第5片第一面設(shè)置為偶次非球面進(jìn)行優(yōu)化。

最終的通信光路如圖5所示。與跟蹤光路類似，其中1，2片為反射、透射光路的共用鏡片，然后依次是分光鏡、窄帶濾光片、會聚鏡組和APD，其中第5片鏡片的第一面為非球面。

圖5 優(yōu)化后的通信光路圖Fig.5 Diagram of optimized communication optical path

3.3 優(yōu)化結(jié)果

最終的優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。透射光路為跟蹤光路，反射光路為通信光路，跟蹤光路的點(diǎn)列圖如圖7所示。

圖6 跟蹤光路和通信光路圖Fig.6 Diagram of tracking optical path and communication optical path

圖7 0°，4°，7°，10°視場下，跟蹤光路設(shè)計(jì)結(jié)果Fig.7 Design results of tracking optical path under 0°, 4°, 7°, 10° FOV

各個(gè)視場下，最終像面RMS光斑直徑均小于6.5 μm，即小于一個(gè)像素。從徑向能量分布圖可以看出，各個(gè)視場下，最終像面90% 能量的光斑直徑小于10 μm，即小于2個(gè)像素，接收能量的集中度較高。各個(gè)視場下，光斑形狀對稱性較好，CMOS提取光斑質(zhì)心坐標(biāo)計(jì)算脫靶量的靈敏度和精確度較高。通信光路的點(diǎn)列圖如圖8所示。所有視場下，RMS光斑直徑小于3.5 μm。由圖9光跡圖可知，全部視場下的光斑都位于APD光敏面內(nèi)。

圖8 通信光路點(diǎn)列圖Fig.8 Spot diagram of communication optical path

圖9 通信光路光跡圖Fig.9 Light trace diagram of communication optical path

4 雜散光與公差分析

對于機(jī)載激光通信系統(tǒng)，雜散光主要影響大視場的跟蹤光路。雜散光嚴(yán)重時(shí)，可能會掩蓋目標(biāo)信息造成目標(biāo)捕獲困難，或形成偽信號造成目標(biāo)捕獲失敗，因此，需對跟蹤光路進(jìn)行必要的雜散光分析。

利用LightTools軟件，分別模擬0°，10°，15°，20°，30°入射的信標(biāo)光和背景雜散光，通過觀察像面探測器，檢驗(yàn)大角度背景雜散光是否對系統(tǒng)產(chǎn)生影響，如圖10所示。由圖10(c)可知，只有0°和10°入射的信標(biāo)光可以成像在探測器上，即不存在鬼像或其他雜散光的影響。

圖10 雜散光分析圖Fig.10 Analysis diagram of stray light

以RMS光斑半徑變化為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)做公差分析，當(dāng)各個(gè)表面的公差分配分別如表1和表2時(shí)，公差對系統(tǒng)的整體性能影響較小。進(jìn)行正態(tài)分布下的卡特蒙羅計(jì)算，最終90%的模擬結(jié)果顯示，跟蹤光路的RMS光斑半徑小于5 μm，即小于2個(gè)像素大小，通信光路的RMS光斑半徑小于3.6 μm，可以全部成像于APD上。由此可知，該系統(tǒng)的公差分配合理。

表1 跟蹤光路公差分配Table 1 Tracking optical path tolerance distribution

表2 通信光路公差分配Table 2 Communication optical path tolerance distribution

5 結(jié)論

為同時(shí)實(shí)現(xiàn)高概率捕獲和高精度跟蹤，本文提出了一種大視場凝視掃描，高分辨率成像的跟蹤通信一體化接收光學(xué)系統(tǒng)方案。該系統(tǒng)由共軸雙光路組成，分別為跟蹤光路和通信光路。高幀頻CMOS和FSM實(shí)現(xiàn)粗捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤，APD實(shí)現(xiàn)通信。對系統(tǒng)的整體光路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并進(jìn)行雜散光分析、公差分析，最終跟蹤光路視場達(dá)到±175 mrad，90%能量的光斑直徑小于10 μm；通信光路視場達(dá)到±13 mrad，RMS直徑小于3.5 μm，滿足該系統(tǒng)的使用要求。此外，該激光通信系統(tǒng)沒有雜散光影響，公差合理，體積較小，性能良好，具有一定實(shí)用價(jià)值和借鑒意義。