基于全光捕獲法的機載激光通信跟蹤控制系統設計

姜 鋒

(中國人民解放軍92941部隊45分隊，遼寧 葫蘆島 125001)

0 引言

激光通信是通過激光進行信息傳送的一種通信手段，它由發射與接收兩部分構成。傳輸系統主要由激光器、光調制器、光發射天線組成。接收系統由接收天線，光學濾波器，光電探測器組成。要傳輸的訊息被送至連接于激光的光電調制器，光調制器把訊息以激光調制，再經由光發射天線傳輸[1]。激光束的定向能力強，需要在兩個終端之間沒有障礙，以確保發送和接收端的準確定位。因此目前激光通信大多采用機載激光通信方式，也就是將通信的發送端與接收端安裝在飛機設備上，降低通信環境中的障礙物數量。與傳統通信方式相比，機載激光通信具有速率高、容量大、功耗低、保密性好、抗干擾能力強等優勢，因此被廣泛應用到多個領域當中。

激光通信實現無線激光通信終端之間捕獲、跟蹤功能。捕獲過程是指激光通信端機接收端搜索開環不確定區域，尋找發射端信標光的過程。跟蹤過程是指根據接收到的信標光通過位置解算判斷其位置，調整光斑至其視軸中心并實時跟蹤監測的過程。為保證機載激光通信工作的順利進行，有必要設計通信跟蹤控制系統作為通信鏈接建立的約束輔助工具，以實現通信功能。機載激光通信跟蹤控制主要是在接收端檢測到發射端的信標光，再進行捕獲、跟蹤、控制，最后將一信標光束送至發射機，實現了發送和接收端的數據傳輸。當前。國內外相關領域研究學者紛紛對機載激光通信跟蹤控制系統做出了研制。文獻[2]提出基于精、粗系統的激光通信跟蹤控制系統。摒棄了傳統的精、粗系統分別設計的思路，將兩個層次的子系統結合起來，使系統的設計自由度得到了最大程度的發揮。通過對這些自由度的綜合優化，可以使系統在抑制階躍干擾、抑制復雜干擾、不敏感極點配置、控制增益最小等方面的設計需求，使激光通信跟蹤精準度得到明顯的改善。文獻[3]提出了一種高數據速率的多波束自由空間光通信系統。已使用改進的G-G分布模擬具有中等湍流的通道，此外，與單波束自由空間光通信相比，多波束自由空間光通信表現出改衰減減少，使用空間多樣化的發射機，能夠實現自由空間光通信鏈路長度、信噪比和功率的顯著增強。

然而在實際的應用過程中，上述方法存在系統適應性低、跟蹤控制效果不佳的問題，為此引入全光捕獲法。

捕獲是機載激光通信的第一步，利用全光捕獲法替換傳統跟蹤控制系統的捕獲方式，在提高捕獲速度的同時，最大程度地提升激光捕獲的精準度，間接實現機載激光通信跟蹤控制系統控制功能的優化。

1 機載激光通信跟蹤控制硬件系統設計

1.1 激光器設計

圖1表示的是全光捕獲法的工作原理。

圖1 全光捕獲法工作原理圖

為了給全光捕獲法的工作提供硬件支持，需要在傳統控制系統的基礎上，加設激光器、激光告警器以及運動轉臺設備。其中激光器也就是激光的發射裝置，在發射和接收端，激光的工作波長分別為635 nm和532 nm。采用自動溫控及自動光功率調節的光源驅動模塊，可調節0～200 mW的功率。非球面K9型準直鏡頭，直徑為6 mm，焦距為11 mm，準直發散角度為1 mrad，為近單模式。

1.2 激光告警器設計

根據其工作原理，可以將其劃分為光譜識別、成像識別和相干識別三種類型。在此次機載激光通信跟蹤控制系統的優化設計過程中，根據全光捕獲法的運行要求，采用成像式的激光告警器，它的探測區域為周向120°，相鄰的探測器的視野重疊5°，分辨率不小于35°。

1.3 運動轉臺設備設計

從圖1中可以看出，運動轉臺設備是激光器、相機以及激光告警器的支撐設備，主要承擔全光捕獲的掃描，其驅動部件和傳動部件的合理設計是保證系統平穩運行的關鍵。由于系統的負載很小，因此由步進電機進行驅動控制[4]。為保證系統的跟蹤性能和換向響應速度，把電脈沖信號轉換成角度位移值的輸出，驅動機構采用蝸輪蝸桿，通過蝸桿軸與電動機軸之間的耦合作用實現了能量輸送，為系統的快速響應提供保障。根據轉速及所需扭矩，選擇MRS105型精密電控轉動平臺，可任意調節角度，并可設置零點光電轉換，必要時可調至伺服電機。在運動轉臺設備上安裝一個角度傳感器用于對轉臺的速度進行監視和檢測。

1.4 目標跟蹤探測器設計

優化設計的機載激光通信跟蹤控制系統采用 CMOS檢測器作為面陣元件，為避免信標光干擾，信標信號源選擇10 kHz脈沖。在這種情況下，4QD的脈沖輸出要進行一個復雜的展寬維持過程，以滿足取樣閉環的要求。CMOS檢測器是一種集成元件，它的幀頻比脈沖頻率低，對它的性能沒有明顯的影響[5]。為了降低系統的延遲，采用現場可編程門陣列，實現了探測器驅動、圖像預處理和信號位置計算的集成。為有效地降低衛星平臺的振動，要求探測器的幀頻率必須達到2 kHz以上，并且在保證探測分辨率和探測視野的前提下，將讀取窗設置為128 pixel*128 pixel，從而達到2.5 kHz的峰值。在跟蹤探測器的探測中，主機與跟蹤探測器的串行通訊，實現對跟蹤器的啟動、鎖定和釋放。當主機發出啟動命令后，跟蹤檢測器就會進入搜尋狀態。在目標鎖定狀態下，目標進入探測視野后，由計算機對跟蹤探測器發送捕獲命令，由跟蹤探測器進行捕獲，利用圖像處理算法對物體進行掃描，并實時地記錄物體與探測視角之間的角偏離，并將跟蹤誤差作為模擬電壓信號輸出[6]。在進行跟蹤時，存在著產生振動的可能性，從而使目標偏離視野。而在目標再次進入視野后，跟蹤探測器仍能確保其位置。在主機下達命令后，跟蹤探測器返回到搜尋狀態。

1.5 跟蹤控制器設計

在主機和通信終端之間，跟蹤控制器是數據的中轉站。首先，主機向終端發送特定旋轉命令。接著，該跟蹤控制器向對應的終端發送該控制命令，使該控制電機按規定的轉速旋轉至該位置[7]。同時，利用跟蹤控制器，將各個控制器和電動機的運行狀況反饋給主機。在實際應用中，主機僅向跟蹤控制器發出定位誤差，并將其嵌入到跟蹤控制器中，通過跟蹤控制器對各個電動機的運動進行協調，實現對目標的跟蹤。為提高跟蹤控制系統的實時性，同時方便以后系統的擴展，選用DSP 芯片 TMS320LF2407A 作為控制器的運算處理器件，優化設計的跟蹤控制器硬件結構如圖2所示。

圖2 跟蹤控制器硬件結構圖

在控制器接口上設置一個通用的輸入/輸出端口，它可以通過輸入/輸出端口來觸發事件[8]。所以，在控制電路的設計中，增加了15個通用的輸入/輸出插頭，以備使用。

1.6 AD數據轉換器設計

在目標跟蹤探測器中，利用相機捕捉目標場景，并將目標影像經由無線影像傳送至XH-AVT01型電視追蹤裝置，XH-AVT01電視追蹤裝置對所產生的目標影像進行處理，獲得物體的形態和相應的方向資訊，并以模擬信號的形式輸出該信息[9]。由于模擬信號不能直接輸入到電腦中進行操作，所以需要用 A/D變換模塊來實現。A/D數據轉換器的電路連接情況，如圖3所示。

圖3 AD數據轉換電路圖

在A/D轉換模塊中，目標信號的采集板主要包括A/D變換兩個部分。該系統采用IS61LV6416芯片作為A/D數據和程序存儲器。在TMS320LF2407A中，完成了調試后的程序。并選擇了A/D轉換專用芯片ADS774為其核心。為了避免在DSP芯片未發出接收命令的情況下，A/D數據傳輸的結果被傳輸至數據總線，從而對A/D數據變換模塊產生一定的影響。ADS774連接到DSP的數據總線中，采用74LVC24的數據鎖存器，用于對A/D變換的數據傳輸進行控制。

1.7 電機驅動器設計

電機驅動器包括邏輯電路、H橋驅動電路、H橋等組成部分。在執行機構工作時，控制器將方向、停止、PWM三個方向信號傳送到邏輯電路，從而產生一個控制信號來驅動H橋。通過H橋型驅動電路對控制信號進行放大，并將其傳輸至H橋型，并通過H橋型電源開關的接通來驅動電動機的工作[10]。該電源模塊將12 V的電壓變換成5 V的電壓，用于控制邏輯和H橋的驅動。

除了上述元件外，數據采集器、系統存儲器等設備均沿用傳統機載激光通信跟蹤控制系統的硬件設備。

2 機載激光通信跟蹤控制系統軟件功能設計

2.1 構建機載激光通信模型

機載激光通信模型主要由激光通信發送模塊、激光通信接收模塊以及通信傳輸信道三個部分組成，機載激光通信工作原理如圖4所示。

圖4 機載激光通信工作原理圖

激光通信發送需要經歷數據編碼、脈沖以及調制三個步驟，首先利用編碼工作將待通信的數據信號轉換成模擬電信號，并將處理完成的數據加入到機載激光通信傳輸隊列中。為實現接收信號的同步與均衡，必須在發送信息塊中加入訓練序列、保護間隔、尾位等附加信息，從而形成突發脈沖，并在突發脈沖下調制激光通信發送任務[11]。調制程序運行過程中，串口接收模塊對起始位的高電平下降邊緣進行檢測，并且在該水平值是0時采集數據位，并且數據位采集結果傳輸給PPM調制模塊。PPM調制模組進行時隙計數，首先輸出3比特的起始位，當計數值與串口數據位的數據相等時，計數值的時隙輸出高電平，余下的時隙輸出低電平。完成了機載激光通信數據的PPM調制[12]。通信數據通過機載激光通信信道到達通信接收端，通過預留存儲空間、數據驗證以及解調等步驟完成一次機載激光通信任務。

2.2 利用全光捕獲法生成機載激光通信鏈路

在機載激光通信模型中，激光信號捕獲分為數據引導、視軸初始指向、開環不確定區域掃描到目標軸中心位置三個階段，在初始指向捕捉階段，一般使用大的信標束散角進行掃描，在兩個視軸中心位置后，通過更小的束散角發送[13]。在長程飛機上，兩翼俯仰高度相差不大的情況下，全光捕捉的先決條件是成立的。在激光器、激光告警器以及運動轉臺等硬件設備的支持下，假設激光器A為通信發送方，B為通信接收方，則利用全光捕獲法捕獲機載激光通信信號[14]。在激光告警器B檢測到通信發送者的信標光時，進行定位計算，判斷其不確定范圍，將通信接收者指向不確定區域，由通信接收者B發射的粗信標光進行掃描，并且以與通信發送者A不同的速度掃描。如果由光學終端A上的激光告警A檢測到通信接收者B所發出的粗信標光，則通信發送者A停止全周掃描，計算通信接收者B的位置，判斷激光通信終端B的不確定區域，將指示通信發送者A對準不確定區域，由通信發送者A發射的粗信標光在捕捉不確定區域中進行掃描，完成數據引導[15]。視軸初始指向的處理目的是確定通信目標端的大致方位，利用方向校準點，完成初始指向。記錄通信發射端的空間位置坐標，并以此位置為中心，在適當的距離內找一個圓點作為定標點，并將定標點的空間坐標進行記錄，并對伺服轉盤進行校正，以使信標光軸對準標定點。根據本端、準點、目標端的空間位置坐標，通過坐標變換，得到信標光軸從準點到目標端的位置所需要的方位角和俯仰角，角度求解公式如下：

(1)

公式(1)中變量α1和α2分別為表示的是當前位置與目標端以及與校準點之間的角度，而β1和β2對應的是校準點與目標端的變換坐標后與當前位置形成的夾角。控制伺服轉臺，使信標光光軸由校準點指向目標端，完成初始指向[16]。利用激光器設備將不確定區域掃描到目標軸中心位置，得出接收視場為：

(2)

其中:θr表示的是激光器視場立體角，Δtcapture為全光捕獲法的連續捕獲時間，該變量的具體計算公式如下：

(3)

式中,L和dac分別表示的是通信距離和執行機構的伺服帶寬，c為機載激光在大氣環境中的傳輸速度，tres表示的是激光器的響應時間[17]。將公式(3)的求解結果代入到公式(2)中，即可得出機載激光通信接收視場結果，完成通信信息的掃描。根據機載激光通信的全光捕獲結果，按照圖5流程生成機載激光通信鏈路。

圖5 機載激光通信鏈路建立流程圖

按照上述方式，通過實時機載激光通信信號的捕獲結果得出機載激光通信鏈路的生成結果。

2.3 計算機載激光通信跟蹤目標相對信息

根據機載激光通信跟蹤目標的典型運動形式，計算相對幾何關系，為后續跟蹤與控制提供數據。根據機載激光通信跟蹤目標和載機的位置坐標，計算兩者之間的相對距離，計算結果如下：

(4)

其中:(xt,yt,zt)和(xc,yc,zc)分別對應的是通信跟蹤目標和載機在地面坐標系中的位置坐標。另外目標的移動速度可以表示為：

(5)

其中:vt為載機移動速度，dt為t時刻目標和載機之間的距離，Δtmove為通信目標的移動時間，T(α,β)表示的是由地面坐標系到視線坐標系的轉換矩陣，通過公式(1)的計算可以得出變量α和β的具體取值[18]。由此得出機載激光通信跟蹤目標相對信息的計算結果。

2.4 光斑中心定位與實時跟蹤

機載激光通信光斑中心跟蹤的目的是保持光通信鏈路不受外界因素的影響而中斷，提高光通信系統的穩定性。利用公式(6)判定捕獲的通信光斑中心位置的變化趨勢。

(6)

其中:UA、UB、UC和UD分別表示激光光源照射在光敏面四個象限所形成光斑信號光電壓值，計算結果δx和δy表示目標光斑的中心位置在水平和豎直兩個方向上的變化量。當系統處于跟蹤狀態時，針對目標點偏移量、跟蹤閾值以及 CCD攝像機視野范圍等因素，采用了三種跟蹤模式。如果光點偏移比跟蹤門限小，表明目前機載激光通信鏈路無阻，而接收端繼續探測光點的偏移，而發射端無需對光束進行定位。當光點偏移比光束跟蹤門限大，且比激光器視場范圍小時，由接收端主機對激光光點進行圖像處理，獲取光點大小和形狀中心的位置信息，利用這些信息作為反饋信號，由發射端的2 D瞄準鏡或壓電微動平臺來控制天線指向，使光點與靶心的偏差最小化，從而實現再次的校準[19]。如果光點偏移比激光視野范圍大，則光通鏈路完全中斷，進入開環，激光接收端不能探測到光點，必須再次進行捕獲對準。結合光斑中心實時位置的預測結果，利用目標跟蹤探測器，實現機載激光通信跟蹤。

2.5 實現機載激光通信跟蹤控制

將機載激光通信跟蹤目標信息的計算結果輸入到控制器中，輸出控制信號的輸出值為：

(7)

其中:Kp、KI和KD分別為比例系數、積分系數和微分系數，ek和ek-1對應的是第k和k-1次采樣時刻的輸入偏差值，另外變量u0為控制器的初始值[20-22]。將機載激光通信模型的實時運行數據以及跟蹤信號結果輸入到公式(7)中，在控制器的作用下實現系統的機載激光通信跟蹤控制功能。

3 系統測試

以測試基于全光捕獲法的機載激光通信跟蹤控制系統的跟蹤與控制功能為目的，設計系統測試實驗，實驗的基本思想就是以人為控制的方式讓機載激光通信兩端按一定的幅度和周期進行往復運動，觀察系統的通信跟蹤效果，在控制程序的作用下判斷機載激光通信任務是否能夠正常進行，由此驗證優化系統的跟蹤與控制功能是否能夠達到預期效果。

3.1 配置系統測試與開發平臺

為充分考慮室內和外場兩種機載激光通信情況，此次實驗設置兩個實驗環境，室內通信環境中850 nm激光束在平行光管的作用下，發出符合實驗要求的信號光。將兩個同型號的激光發射器安裝在飛機設備上，兩飛機之間的距離為500 m，設置通信串口的比特率為9 600 bps，中間無視軸遮擋。在機載激光通信系統中，發射端先用高清攝像機采集傳送時所需的影像，再由影像編碼器將其轉換成數字訊號，再進行壓縮。然后，把視頻信號通過視頻傳送系統輸入到調制器中，經過電光調制，這時激光的輸出就會產生一個具有視頻信號的激光。如果是短距離傳送，激光會直接發射，如果是長距離傳送，激光會先經過馬卡天線，然后再發射。在機載控制接收端，當反射鏡上有光點信息時，由二維馬達旋轉臺控制反射鏡的傾角和方向，把激光信號反射到四象限檢測器上，再由四象限檢測器的通孔將激光信號送至四象限檢測器，再由通信檢測器接收，從而建立通信信道。將基于全光捕獲法的機載激光通信跟蹤控制系統中的硬件設備進行定標和連接，連接方式如圖6所示。

圖6 機載激光通信跟蹤控制系統硬件設備連接結構圖

按照相同的方式，將飛機以及激光發射器設備移動到外場環境中，在無遮擋前提下將設備之間的距離延長至2 000 m，形成外場機載激光通信環境。

3.2 設定全光捕獲法工作參數

由于優化設計的機載激光通信跟蹤控制系統應用了全光捕獲法，為保證該方法能夠在實驗環境中正常運行，需要在系統運行之前對相關工作參數進行設定。設置全光捕獲的作用距離為8 km，捕獲時間和捕獲概率分別為2 min和98%，信標光波長為800 nm，信標光束散角為5*30 mrad。在機載激光通信跟蹤控制系統開發過程中，導入上述設定的全光捕獲工作參數。

3.3 描述實驗過程

在室內環境中利用二維光電平臺和驅動設備對移動的物體進行跟蹤測試。對實驗過程中隨機生成光斑漂移量，并根據生成結果確定光斑移動位置，以此作為機載激光通信的跟蹤位置。同時啟動機載激光通信任務以及跟蹤控制系統，將一個具有±4 mrad的隨機變量添加到接收機的上位機初始指向程序中，并將接收端的潛望式轉臺的方向和傾角軸線分別指向該隨機點。瞄準完畢，定時啟動，發送方在接收端不確定的位置用旋轉臺和振鏡組合進行分子區掃描。在接收端檢測到目標信號光后，將根據反饋的位置偏差進行修正，在整個采集過程中，收發雙端將會通過交叉掃描方式不斷地優化視角對齊，減小捕捉不確定性，減小掃描角，直至信號束到達檢測器視野，停止掃描，并記錄全光捕獲結束。啟動機載激光通信跟蹤控制系統，根據全光捕獲結果得出通信跟蹤與控制結果，圖7表示的是室內激光通信環境中的跟蹤控制結果。

圖7 機載激光通信跟蹤控制系統輸出結果

同理可以得出外場環境中機載激光通信的跟蹤控制輸出結果，為了保證實驗結果的可信度，在各個實驗環境中設置多次實驗。

3.4 設置系統測試指標

此次系統測試實驗分別從跟蹤功能和控制功能兩個方面進行測試，設置跟蹤偏移量作為跟蹤功能的測試指標，其數值結果為：

(8)

式中,(xact-i,yact-i)和(xtrack-i,ytrack-i)分別為機載激光通信目標的實際位置坐標和跟蹤結果坐標，Num表示的是系統測試過程中輸出跟蹤結果的次數。另外系統控制功能設置的量化測試指標為通信誤碼率和丟包率，系統的控制效果越好對應機載激光通信誤碼率和丟包率越低，控制效果測試指標的數值結果為：

(9)

其中:Wsend和Wreceive分別為機載激光通信數據的發送量和接收量，Wsend∩Wreceive表示的是接收數據中的正確通信數據量。為了保證基于全光捕獲法的機載激光通信跟蹤控制系統的優化效果，要求通信跟蹤偏移量不得高于2 m，通信誤碼率和丟包率均不得高于2%。

3.5 系統測試結果分析

通過相關數據的提取與比對，得出系統機載激光通信跟蹤功能的測試結果，如表1所示。

表1 機載激光通信跟蹤控制系統跟蹤功能測試結果

將表1中的數據代入到公式(8)中，得出機載激光通信跟蹤控制系統在室內和外場通信環境下的平均跟蹤偏移量分別為0.625 m和1.125 m。與預設值相比，偏移量分別降低了1.375 m及0.875 m，體現了其良好的優化效果。另外系統機載激光通信跟蹤控制系統控制功能的測試結果，如表2所示。

表2 機載激光通信跟蹤控制系統控制功能測試數據表

通過公式(9)的計算，得出室內和外場通信環境下系統的平均通信誤碼率分別為0.381%和0.168%，平均丟包率為0.028%和0.739%，均低于2%，相較預設值的通信誤碼率和丟包率均得到了較好的優化。由此證明，優化設計的基于全光捕獲法的機載激光通信跟蹤控制系統具有良好的跟蹤和控制功能。

4 結束語

通過分析機載激光通信的特性以及跟蹤控制需求，利用全光捕獲法對機載激光通信跟蹤控制系統進行優化，并經過測試驗證了系統的功能，使機載激光通信跟蹤控制系統在滿足精度要求的同時又具有一定的自適應性。實驗結果表明，本文設計的機載激光通信跟蹤控制系統在室內和外場通信環境下的平均跟蹤偏移量分別為0.625 m和1.125 m，平均通信誤碼率分別為0.381%和0.168%，平均丟包率為0.028%和0.739%，較預設值均表現出了良好的優化效果，有效提升了機載激光通信跟蹤控制系統的應用性能。

在未來研究中，將以機載激光通信的多目標跟蹤控制為研究方向，進一步完善機載激光通信跟蹤控制系統的設計，使其能夠實現多目標機載激光通信的跟蹤控制，提升系統效率。