CN113259014A - 一种基于数据判决相关的qd光斑检测系统及检测方法 - Google Patents

一种基于数据判决相关的qd光斑检测系统及检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统及检测方法。本发明的系统包括发送光路、接收光路、QD探测器、模拟处理板、数据处理板以及设置在所述数据处理板中的四通道数据判决与信号相关处理模块和光斑解算处理模块。本发明将判决的数据与延时之后的直流消除接收信号进行相关运算，克服了传统QD四象限光斑位置检测的不足：传统QD四象限电流检测对直流电流精确估计存在严重依赖；无法对接收信号中的噪声进行有效抑制；在低信噪比下环境下光斑检测位置产生严重偏离。本发明应用于空间激光通信终端接收光轴的检测，可以显著地提高对光斑检测的精度，满足空间激光通信高灵敏度接收环境下对QD光斑检测器的要求。

Description

一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统及检测方法
技术领域
本发明涉及一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统及检测方法，可对QD光斑位置检测中的直流漂移、噪声进行有效抑制，属于空间激光通信领域。
背景技术
在激光通信中极窄的光束信号与传统电磁波方式相比激光通信具有天线增益高、终端尺寸小、传输速率高的优点。随着空间信息传输技术的不断发展，空间激光通信成为星间高速通信的重要手段。
在极窄波束环境下要保证两个激光终端准确地指向对方并保持这一指向成为激光通信中的关键技术：APT跟瞄技术。在APT跟瞄技术中，快速、有效获取接收信号光轴指向成为APT技术中重要的一个环节。
目前用于接收光轴探测的手段有：CMOS相机与QD四象限探测器。CMOS相机具有视场范围大、探测灵敏度高的优点；但其缺点是行场扫描读取方式在大视场方式下接收帧频一般较低，另外1550nm波段的CMOS目前价格较高，特别是宇航级CMOS短波相机价格更高。QD探测器的优点是：具有光斑快速探测的能力，光斑质心位置解算相对简单；其缺点是：对于QD探测器一般具有较小的探测视场，在相同角度分辨率下要求具有较高的输入信噪比。
在无信标光、跟瞄/通信一体化激光通信体制下，传统QD光斑位置检测一般采用对QD四象限信号经预处理之后以积分的方式获取其各象限电流大小。该方法无法消除接收支路中的剩余直流漂移对光斑检测性能的影响；同时也不能对接收信号中的噪声进行有效抑制。
发明内容
针对无信标光、跟瞄/通信一体化激光通信体制下，传统QD光斑位置检测的缺点：对接收通道中的直流漂移敏感、在低信噪比下光斑位置检测性能差，本发明给出一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统及检测方法。本发明应用于空间激光通信终端接收光轴的检测，可以显著地提高对光斑检测的精度，满足空间激光通信高灵敏度接收环境下对QD光斑检测器的要求。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统，包括发送光路、接收光路、QD探测器、模拟处理板、数据处理板以及设置在所述数据处理板中的四通道数据判决与信号相关处理模块和光斑解算处理模块；
所述发送光路中发送数据经光调制器输出由光纤连接到准直器的输入端；准直器输出信号通过扩束器一实现第一次扩束；然后通过分波片实现收、发光信号合路；再通过振镜FSM完成发送光轴校正，最后由扩束器二实现对发送光束角度压缩并进行发射；
所述接收光路中从空间接收的光信号通过所述扩束器二进入到所述振镜FSM；再通过分波片完成收发光信号分离；由接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能，最后通过透镜入射到QD探测器的QD探测面；
所述QD 探测器是将4个性能一样的光电管按四象限分布的形式集成而成；
所述模拟处理板包括四个高速跨阻放大器、四个宽带放大驱动器，所述QD 探测器的4路输出分别连接四个高速跨阻放大器，每个所述高速跨阻放大器连接一个宽带放大驱动器；
所述数据处理板包括与所述四个宽带放大驱动器连接的四路AD转换器，所述四路AD转换器分别输入到FPGA可编程器件，所述FPGA可编程器件中的四通道数据判决与信号相关处理模块，用于将接收到的数字信号经过判决再生，并与延时之后的4通道数字AD信号进行相关运算，获取QD的4象限探测的输出电流；光斑解算处理模块根据所获取的QD四象限探测电流计算光斑的中心位置。
进一步地，所述QD探测器采用离焦安装方式，且使得接收光斑直径为QD探测面直径的一半。
进一步地，所述高速跨阻放大器与所述宽带放大驱动器之间采用交流耦合方式。
进一步地，所述数据处理板中的四路AD转换器由LVDS高速接口与所述FPGA可编程器件之间采用高速并行LVDS接口方式连接。
用上述基于数据判决相关的QD光斑检测系统进行QD光斑检测的方法，该方法包括：
（1）从空间接收的光信号通过所述扩束器二进入到所述振镜FSM；
（2）振镜FSM反射的光信号通过分波片完成接收光和发送光的光信号分离；
（3）从分波片分离出来的接收光通过接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能，最后通过透镜入射到QD探测器的QD探测面进行QD光斑检测，所述QD 探测器是将4个性能一样的光电管按四象限分布的形式集成而成，具体QD光斑检测算法按照如下步骤：
（31）令QD感光面半径为R，光斑半径为r，根据4个象限的分布情况将成像光斑分成A、B、 C 和 D共4 部分, 这4部分的光能量转换为光电流, 则探测器输出位置信息为：
x轴方向相关量：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
y轴方向相关量：
Figure 851314DEST_PATH_IMAGE002
上式中：
E A 、E B 、E C 、E D ：分别为4个象限的光场矢量幅值大小；
S A 、S B 、S C 、S D ：分别为4个象限的光斑面积；
I A 、I B 、I C 、I D ：分别为4个象限的光电流；
（32）检测光斑偏移量
Figure DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 954661DEST_PATH_IMAGE004
Figure DEST_PATH_IMAGE005
（33）采用交流耦合传输用户信息时四象限放大器输出端信号：
Figure 398281DEST_PATH_IMAGE006
式中：
k为4象限的序号，取值1、2、3、4；
S k 为为k象限的感光面积占比与四象限总感光电流积；
Figure DEST_PATH_IMAGE007
之间的整数；
d n 为传输的数据比特流，取值+1、-1；
T b 为传输比特宽度；
g(t)为矩形脉冲信号，其幅值为1、脉宽为1个比特宽度T b ；
DC k (t)为第k象限模拟放大支路中的直流漂移；
n k (t)为第k象限模拟放大支路中的噪声，其具有相同的功率谱密度；
（34）将接收判决数据序列
Figure 34799DEST_PATH_IMAGE008
与延时之后的直流消除接收信号进行如下运算，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 669786DEST_PATH_IMAGE008
为接收判决数据序列，其取二值+1/-1，
（35）由于剩余直流漂移DC k (t)- DC ke (t)与接收判决数据序列
Figure 431068DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure 616062DEST_PATH_IMAGE010
同时，模拟放大支路中的噪声n k (t)与接收判决数据序列
Figure 372666DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
因此，判决信号检测根据如下算法输出：
Figure 181484DEST_PATH_IMAGE012
I k 为第k象限的检测电流；
t为时间。
有益效果：
1.本发明的光轴位置探测器与通信探测器共用同一个QD探测器。采用这种结构的优点在于：首先将激光通信终端中的光轴数量减少到最小，便于光路的装调与光路在发射过程中的稳定；将APT接收光轴探测与通信探测共用同一QD探测器，降低终端硬件的复杂度。
2.本发明将模拟信号处理与数字信号处理分为两个独立的处理模块，这样可以保证QD模拟处理板具有最小的质量与体积。具有极小质量与体积的QD模拟处理板便于在光机中进行安装，减少在卫星发射过程中可能对接收光轴的影响，提高收发光轴同轴度。
3.本发明数字信号处理中的高速AD与FPGA之间采用了高速并行LVDS接口方式，保证了宽带激光通信数据传输的宽带要求，提高了器件间高速信号传输的完整性。
4.本发明在FPGA中运用数字信号处理技术完成了宽带信号的码流再生处理，为后续的相关处理提供了可靠的参考信号。在相关运算中对4路QD数字信号进行了1个样本的传输延时补偿，使得该信号与判决再生信号在时间上严格对齐，保证了相关处理器的性能。
5.本发明在相关处理过程中运用判决之后的数据与4路QD数字信号进行相关运算，该相关运算实现了对接收电路中的直流漂移抑制、同时对接收通道的噪声进行有效滤除，提高了在复杂环境下对QD探测器4个象限电流检测的精度。在光斑解算算法中运用4个象限高精度电流检测结果，完成了对QD感光面上光斑中心位置的高精确检测。可实现对激光通信高灵敏度APT跟踪，其接收灵敏度优于-63dBm。
附图说明
图1是本发明所采用无信标光、跟瞄/通信一体化激光通信终端结构。
图2是本发明基于判断数据信号相关QD位置检测方法框图。
图3是具有直流漂移与噪声时的QD接收信号。
图4是采用传统电流检测方法时直流漂移与噪声对检测性能的影响。
图5是采用传统电流检测方法与本发明方法信号电流检测的性能比较。
图6本发明方法具体实施电路结构图。
具体实施方式
如图1-2所示，本实施例的基于数据判决相关的QD光斑检测系统，包括发送光路、接收光路、QD探测器、模拟处理板、数据处理板以及设置在所述数据处理板中的四通道数据判决与信号相关处理模块和光斑解算处理模块；
发送数据经光调制器输出由光纤连接到准直器的输入端；准直器输出信号通过扩束器一实现第一次扩束；然后通过分波片实现收、发光信号合路；最后通过振镜FSM完成发送光轴校正；由扩束器二实现对发送光束角度压缩并进行发射。从空间接收的光信号通过扩束器二进入到接收光轴校正振镜FSM；通过分波片完成收发光信号分离；由接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能，减少发送光信号对接收光信号的影响；最后通过透镜入射到QD探测面。QD探测器一般采用离焦安装方式，通常保证接收光斑直径为QD探测面直径的一半。APT算法通过接收QD的4路信号进行光斑质心解算，计算出当前发送/接收光轴的偏移量，然后由APT输出控制信号完成对振镜FSM指向的控制，实现对收/发光轴的校正。
所述QD 探测器是将4个性能一样的光电管按四象限分布的形式集成而成；
QD四象限探测器的4路输出分别经高速跨阻放大器、宽带放大驱动器处理输出，高速跨阻放大器与宽带放大驱动器之间采用交流耦合方式，这些器件组成QD四通道模拟处理板；模拟通道4路输出经多通道高速AD转换器、由LVDS高速接口输入到FPGA可编程器件，它们组成数据处理板；在数据处理板中的四通道数据判决与信号相关处理模块，将接收到的数字信号经过判决再生，并与延时之后的4通道数字AD信号进行相关运算，获取QD的4象限探测的输出电流；光斑解算处理模块根据所获取的QD四象限探测电流计算光斑的中心位置。
用上述述基于数据判决相关的QD光斑检测系统进行QD光斑检测的方法，该方法包括：
在图2中QD 探测器是将4个性能几乎完全一样的光电管按四象限分布的形式集成而成。当激光光束入射到 QD 探测器的光敏面上时，每个感光面均会产生光电电流。QD感光面半径为R，光斑半径为r。
根据4个象限的分布情况将成像光斑（假设成像光斑形状理想为圆形）分成 A、B、C 和 D共4 部分, 这4部分的光能量转换为光电流, 则探测器输出位置相关信息为：
x轴方向相关量：
Figure 430063DEST_PATH_IMAGE001
y轴方向相关量：
Figure DEST_PATH_IMAGE013
上式中：
E A 、E B 、E C 、E D ：分别为4个象限的光场矢量幅值大小；
S A 、S B 、S C 、S D ：分别为4个象限的光斑面积；
I A 、I B 、I C 、I D ：分别为4个象限的光电流；
检测光斑偏移量
Figure 481064DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 856288DEST_PATH_IMAGE004
Figure 147592DEST_PATH_IMAGE005
如图2所示：QD四象限探测的前端电路由前放与主放二级模拟放大器组成，这两级放大器将放大这后的信号送往四路A/D变换器，然后在FPGA中进行处理。
在多级模拟信号放大器间一般通过交流耦合实现，这样可能避免前级直流漂移对后级放大器的影响。在无信标光传输系统中，数据码流中的特殊码型还会引起电路中的直流漂移，这将直接影响QD四象限电流的检测。
采用交流耦合传输用户信息时四象限放大器输出端信号：
Figure 742522DEST_PATH_IMAGE006
式中：
k为4象限的序号，取值1、2、3、4；
S k 为为k象限的感光面积占比与四象限总感光电流积；
Figure 269318DEST_PATH_IMAGE007
之间的整数；
d n 为传输的数据比特流，取值+1、-1；
T b 为传输比特宽度；
g(t)为矩形脉冲信号，其幅值为1、脉宽为1个比特宽度T b ；
DC k (t)为第k象限模拟放大支路中的直流漂移；
n k (t)为第k象限模拟放大支路中的噪声，其具有相同的功率谱密度；
（34）将接收判决数据序列
Figure 141459DEST_PATH_IMAGE008
与延时之后的直流消除接收信号进行如下运算，即：
Figure 462719DEST_PATH_IMAGE014
其中
Figure 311989DEST_PATH_IMAGE008
为接收判决数据序列，其取二值+1/-1，
在理想情况下：如果r k (t)中没有直流漂移，可以直接对输入信号取绝对值求和的方式获得探测器的检测电流I k 。
在接收端通过接收信号r k (t)估计其中的直流成分DC ke (t)，消除接收信号中的直流成分后通过下式对接收信号的电流进行估计：
Figure DEST_PATH_IMAGE015
采用这种方式需要考虑剩余直流漂移DC k (t)-DC ke (t)与接收支路噪声n k (t)对电流检测电路性能的影响。剩余直流漂移在接收信号中的特征如图3所示，从图3可以看出整个信号电流向上漂移了0.2。
在图4中可以看出在采用传统电流检测方法时不同直流电流漂移以及在不同SNR情况下对QD探测器电流检测的影响：直流漂移越大，QD四象限检测的电流与实际值1偏移越大。在低信噪比下噪声对检测结果的影响更加严重；在无直流漂移时，接收电路中的噪声对电流检测也产生严重影响。
为了减少电路中的直流漂移与噪声对电流检测电路的影响，本发明采用判决信号相关检测算法。其基本原理为：将接收判决数据序列
Figure 439214DEST_PATH_IMAGE016
与延时之后的直流消除接收信号进行相关运算，即：
Figure DEST_PATH_IMAGE017
其中
Figure 228178DEST_PATH_IMAGE016
为接收判决数据序列，其取二值+1/-1，
由于剩余直流漂移DC k (t)- DC ke (t)与接收判决数据序列
Figure 750033DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure 788396DEST_PATH_IMAGE010
同时，模拟放大支路中的噪声n k (t)与接收判决数据序列
Figure 656995DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure 769307DEST_PATH_IMAGE011
因此，判决信号检测根据如下算法输出：
Figure 901211DEST_PATH_IMAGE018
I k 为第k象限的检测电流；
t为时间。
在图5中是采用传统电流检测与本发明方法的性能比较，测试环境为直流漂移量为0.2：传统的方法受接收电路的直流漂移、噪声影响，QD四象限电流检测的准确性受到严重影响；而本发明的检测方法在直流漂移环境、低信噪比环境下均表现出相同的优异检测性能。
所以采用判决数据相关检测算法进行QD四象限电流检测时，可以克服电路中的直流、噪声影响，提高QD光质心检测的精度。
如图6所示，本发明的整个接收电路由1颗QD探测器、4片高速跨阻放大器、4片宽带放大驱动器、1片高速4路AD转换器和1片FPGA芯片组成。接收电路分为二个处理板：由QD探测器、高速跨阻放大器、宽带放大驱动器组成模拟处理板；由多通道AD转换器、FPGA可编程器件组成数据处理板。
在模拟处理板中：QD探测器采用了First Sensor公司的QD探测器QA4000-10，该探测器可能支持100Mbps的传输速率，支持频段500-1100nm，暗电流小于75nA；跨阻放大器采用AD公司AD8015芯片，其最小带宽为240MHz，跨阻阻抗10KΩ，支持差分输出，每端阻抗50欧；宽带放大驱动器采用AD公司AD8129，其3dB带宽为200MHz，差分输入、差分输出，可直接与高速AD器件接口，内部提供10dB增益，该增益可通过外部电阻进行调节；高速跨阻放大器与宽带放大驱动器之间采用了交流耦合方式。
在数字处理板中，采用了1片AD公司高速A/D转换器AD9253，该芯片可以将4路输入模拟信号转换成14比特数字信号，转换速率125Msps，采用LVDS接口方式，芯片采用+3.3V供电；FPGA可编程器件采用了Xilinx公司Zynq系列器件XC7Z035，该器件具有丰富的LVDS接口及大容量可编程逻辑阵列，能满足信号处理的基本要要求。
在实验室环境测试本发明的跟踪灵敏度达到了-63dBm，其跟踪性能达到同行先进水平。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (5)

1.一种基于数据判决相关的QD光斑检测系统，包括发送光路、接收光路、QD探测器、模拟处理板、数据处理板以及设置在所述数据处理板中的四通道数据判决与信号相关处理模块和光斑解算处理模块；其特征是：
所述发送光路中发送数据经光调制器输出由光纤连接到准直器的输入端；准直器输出信号通过扩束器一实现第一次扩束；然后通过分波片实现收、发光信号合路；再通过振镜FSM完成发送光轴校正，最后由扩束器二实现对发送光束角度压缩并进行发射；
所述接收光路中从空间接收的光信号通过所述扩束器二进入到所述振镜FSM；再通过分波片完成收发光信号分离；由接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能，最后通过透镜入射到QD探测器的QD探测面；
所述QD 探测器是将4个性能一样的光电管按四象限分布的形式集成而成；
所述模拟处理板包括四个高速跨阻放大器、四个宽带放大驱动器，所述QD 探测器的4路输出分别连接四个高速跨阻放大器，每个所述高速跨阻放大器连接一个宽带放大驱动器；
所述数据处理板包括与所述四个宽带放大驱动器连接的四路AD转换器，所述四路AD转换器分别输入到FPGA可编程器件，所述FPGA可编程器件中的四通道数据判决与信号相关处理模块，用于将接收到的数字信号经过判决再生，并与延时之后的4通道数字AD信号进行相关运算，获取QD的4象限探测的输出电流；光斑解算处理模块根据所获取的QD四象限探测电流计算光斑的中心位置。
2.根据权利要求1所述的基于数据判决相关的QD光斑检测系统，其特征是：所述QD探测器采用离焦安装方式，且使得接收光斑直径为QD探测面直径的一半。
3.根据权利要求1所述的基于数据判决相关的QD光斑检测系统，其特征是：所述高速跨阻放大器与所述宽带放大驱动器之间采用交流耦合方式。
4.根据权利要求1所述的基于数据判决相关的QD光斑检测系统，其特征是：所述数据处理板中的四路AD转换器由LVDS高速接口与所述FPGA可编程器件之间采用高速并行LVDS接口方式连接。
5.用权利要求1-4之一所述基于数据判决相关的QD光斑检测系统进行QD光斑检测的方法，其特征是，该方法包括：
（1）从空间接收的光信号通过所述扩束器二进入到所述振镜FSM；
（2）振镜FSM反射的光信号通过分波片完成接收光和发送光的光信号分离；
（3）从分波片分离出来的接收光通过接收支路滤波片进一步提高收发隔离度的性能，最后通过透镜入射到QD探测器的QD探测面进行QD光斑检测，所述QD 探测器是将4个性能一样的光电管按四象限分布的形式集成而成，具体QD光斑检测算法按照如下步骤：
（31）令QD感光面半径为R，光斑半径为r，根据4个象限的分布情况将成像光斑分成 A、B、 C 和 D共4 部分, 这4部分的光能量转换为光电流, 则探测器输出位置信息为：
x轴方向相关量：
Figure 914002DEST_PATH_IMAGE001
y轴方向相关量：
Figure 782601DEST_PATH_IMAGE002
上式中：
E A 、E B 、E C 、E D ：分别为4个象限的光场矢量幅值大小；
S A 、S B 、S C 、S D ：分别为4个象限的光斑面积；
I A 、I B 、I C 、I D ：分别为4个象限的光电流；
（32）检测光斑偏移量
Figure 10362DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 79949DEST_PATH_IMAGE004
Figure 933504DEST_PATH_IMAGE005
（33）采用交流耦合传输用户信息时四象限放大器输出端信号：
Figure 903997DEST_PATH_IMAGE006
式中：
k为4象限的序号，取值1、2、3、4；
S k 为为k象限的感光面积占比与四象限总感光电流积；
Figure 464291DEST_PATH_IMAGE007
之间的整数；
d n 为传输的数据比特流，取值+1、-1；
T b 为传输比特宽度；
g(t)为矩形脉冲信号，其幅值为1、脉宽为1个比特宽度T b ；
DC k (t)为第k象限模拟放大支路中的直流漂移；
n k (t)为第k象限模拟放大支路中的噪声，其具有相同的功率谱密度；
（34）将接收判决数据序列
Figure 970359DEST_PATH_IMAGE008
与延时之后的直流消除接收信号进行如下运算，即：
Figure 983314DEST_PATH_IMAGE009
其中
Figure 928136DEST_PATH_IMAGE008
为接收判决数据序列，其取二值+1/-1，
（35）由于剩余直流漂移DC k (t)- DC ke (t)与接收判决数据序列
Figure 841472DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure 377496DEST_PATH_IMAGE010
同时，模拟放大支路中的噪声 n k (t)与接收判决数据序列
Figure 612168DEST_PATH_IMAGE008
相互独立，因而有：
Figure 95102DEST_PATH_IMAGE011
因此，判决信号检测根据如下算法输出：
Figure 36513DEST_PATH_IMAGE012
I k 为第k象限的检测电流；
t为时间。
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