空间激光通信自适应光学系统的控制研究

doi:F6780AF4D333860326D0BD483629160E

	空间激光通信自适应光学系统的控制研究
	王玉坤
学位类型	博士
导师	曹召良
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	自适应光学系统控制器设计激光通信大气湍流补偿
摘要	空间激光通信是指信息以激光为载体,在空间进行数据传输,它结合了无线通信和光纤通信的优点,具有通信速率高、频带宽、容量大、保密性好、抗电磁干扰、体积小、功率低、施工简单等优点,逐渐成为下一代高速无线通信的核心。除外太空的激光通信外,空间激光通信的传输信道都要经过地表大气层,大气层进行空间激光通信面临的主要问题是大气湍流引起的激光能量衰减、光束到达角起伏、光斑质心漂移和扩展等,这严重降低了空间激光通信系统性能。为了缓解大气湍流引起的效应,本研究课题拟在空间激光通信系统中加入自适应光学技术,研究自适应光学技术和空间激光通信系统结合相关的控制问题。目前,国内外还没有关于空间激光通信自适应光学系统控制问题的针对性研究。本论文定量分析了自适应光学系统控制性能对空间激光通信性能的影响,为空间激光通信自适应光学系统控制器设计提供理论依据;研究了空间激光通信自适应光学系统中倾斜镜和变形镜的控制方法,提出了高带宽高稳定性的自适应光学系统控制方法,并通过室内实验和外场实验验证了本论文提出的理论公式和控制方法,为实现长距离、长时间、多场合、低误码率的空间激光通信奠定坚实的基础。为了定量分析自适应光学系统控制性能对空间激光通信性能的影响,本论文从大气湍流的组成出发,基于Kolmogrov湍流理论得到大气折射率起伏模型,进而得到大气湍流的时间、空间描述方法。在定量描述了大气湍流时空强度的基础上,建立不同湍流强度时,自适应光学系统控制带宽、校正Zernike模式数与大气湍流校正效果之间的关系。结合通信系统模型,建立耦合效率、通信误码率与大气湍流校正效果之间的关系,进而得到自适应光学控制系统带宽、校正Zernike模式数与通信耦合效率、误码率之间的定量关系,并通过实验验证了本论文推导定量关系公式的正确性。明确了空间激光通信自适应光学控制系统各项指标的要求,为空间激光通信自适应光学系统控制器的设计提供理论依据。根据大气湍流Zernike模式对激光通信性能影响的分析可知,倾斜项误差是影响激光通信性能的主要因素,提高倾斜扰动的抑制能力将显著提高激光通信性能。由于空间激光通信的使用环境不固定和控制系统回路延迟的影响,传统的PID控制算法无法在多种条件下长期稳定运行,控制带宽也受延迟影响较低。因此,必须针对激光通信系统设计性能更好的控制器。本论文提出了基于频域修正的子空间模型辨识方法,提高倾斜校正系统模型的辨识精度,将此模型应用于时间延迟补偿的控制策略可显著提高控制系统带宽,实验测试表明,应用本论文方法后控制系统误差抑制带宽从69 Hz提高至76 Hz。为了进一步提高控制系统带宽,将倾斜镜自带的应变力传感器作为反馈传感器,以更高的驱动频率对倾斜镜进行闭环控制,改善倾斜镜的线性度和滞后特性,以此作为内闭环与波前倾斜探测器相结合构成双闭环控制系统,进一步将倾斜控制系统的误差抑制带宽从76Hz提高至85 Hz,能够满足激光通信系统倾斜误差的校正要求。根据空间激光通信和大气相干长度的关系,为了达到较高的通信质量,除了倾斜项外,仍需要校正一定数量的Zernike模式。为了保证高阶项校正达到理想的性能,针对传统PI控制器中积分项的滞后特性,本论文在积分项中加入e指数的衰减因子,优化积分滞后特性造成的系统超调问题。同时推导了带衰减因子PI控制器的表达式,根据改进控制器的开环伯德图可知,带衰减因子PI控制器改善了系统的动态响应性能,增加了中频段的宽度,因此,提高了控制器对外界环境变化的适应能力。通过改进控制器的闭环伯德图可知,在系统的闭环带宽略有增加的同时,部分抑制了系统的谐振峰,明显改善了系统的调节时间和超调特性。为了验证本论文提出的理论分析和控制方法,搭建了一套用于激光通信的自适应光学系统。采用湍流模拟器模拟大气湍流,并对大气湍流进行自适应校正,对比分析了自适应光学系统校正前后激光通信的性能指标。对于静态波前像差为0.2-0.4?(?=808 nm)的畸变,校正后均方根误差小于0.1?,耦合效率提升到80%以上;对于大气相干长度为1 cm、格林伍德频率为50 Hz的动态波前像差,自适应光学系统校正后,光纤平均耦合效率提高到70%以上,通信误码率从10~(-5)降低为10~(-7),获得了2个数量级的误码率改善。为了验证所设计控制方法的有效性,对比分析了本论文控制方法和传统控制方法在激光通信性能改善方面的优势,并在大连旅顺港进行了为期一周的外场激光通信自适应光学校正实验,首次实现了海平面9公里的水平空间激光通信自适应校正,误码率从校正前的无法通信到校正后降低到10~(-6)以下,得到了明显的校正效果。同时测试了24小时的大气湍流数据,验证不同天气条件下自适应光学系统对激光通信性能的影响,证明了自适应光学系统的在激光通信系统中应用的重要性。本论文旨在研究空间激光通信系统中自适应光学系统的控制方法,通过对倾斜镜和变形镜的控制器的优化设计,以提升自适应光学系统在空间激光通信中的校正能力,从而大大增强空间激光通信的性能。本论文的研究结果为自适应光学技术在空间激光通信中应用提供了理论依据和技术支撑,从而大力推动空间激光通信技术的实用化进程。
页数	147
DOI	F6780AF4D333860326D0BD483629160E
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63896
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	王玉坤. 空间激光通信自适应光学系统的控制研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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空间激光通信自适应光学系统的控制研究.c（7869KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文