星间激光通信中四象限探测器的定位精度研究

1、星间激光通信中四象限探测器的定位精度研究摘要：在星间激光通信中，精跟踪单元常采用四象限探测器用于光斑位置定位，定位误差的大小直接影响精跟踪单元的测角精度。为实现微弧度量级的测角精度，文章研究了影响探测器摘要：在星间激光通信中，精跟踪单元常采用四象限探测器用于光斑位置定位，定位误差的大小直接影响精跟踪单元的测角精度。为实现微弧度量级的测角精度，文章研究了影响探测器定位误差的各个噪声因素，并根据星间光通信的实际情况进行了简化分析，提出了定位误差的具体计算方法，最后通过具体算例评估了各噪声因素的影响程度。研究结果说明，提高发射功率可以在一定范围内提高接收端信号的信噪比，减小定位误差，进而减小测角误差，提高测角精度。但定位误差并非随发射功率的增大而线性减小，当发射功率增大到一定程度之后，定位误差的减小有限，这时再单纯通过增大发射功率来提高测角精度代价将非常大。本文源自光通信研究 发表时间：2022-03-18?光通信研究?(双月刊)创刊于1975年，是国家光纤通信技术工程研究中心、光纤通信技术和网络国家重点实验室武汉邮电科学研究院主办的光通信方面的专业刊物，本刊主要刊载光通信领域的学术论文、研

2、究成果的技术报告、工程设计方案、施工及维护经验，综述国内外光纤通信先进技术和有关理论及最新动态等。可供从事光纤通信工作以及相关学科的科研、设计、生产、施工、维护等方面的科技人员和大专院校师生参考。本刊学术性和技术内容并重，发行量大，是全国通信行业影响较大的刊物之一。现已成为越来越多的科研、工程技术和管理人员科学决策的重要依据。关键词：四象限光电探测器;定位误差;噪声因素;精跟踪单元0 引言随着空间技术的开展，各类高带宽仪器在卫星上得到大量应用，使得对卫星信息传输量的需求呈指数级增长1。星间激光通信技术因其传输容量大、发射功率小和抗干扰能力强等诸多优点，正成为大容量和高码率卫星通信的理想选择。由于星间激光通信距离远，激光发散角小，为建立可靠、稳定的通信链路，需要“捕获 对准跟踪(Acquisition Pointing and Tracking，APT)系统到达微弧度量级的跟踪精度才能完成。而精跟踪探测器的光斑定位精度决定着 APT 系统的最终跟踪精度2，是通信链路建立的关键。从探测频段、探测带宽和性价比上来讲，四象限探测器(Four-Quadrant Detector，FQD)都是精跟

3、踪探测器较为理想的选择3。因此，为了精确获取光斑的位置，有必要对 FQD 定位精度的误差分配进行详细的研究与分析。针对 FQD 的定位误差问题，文献4用实验的方法确立了定位误差与输出电压的关系，但并未明确定位误差的来源;文献5具体分析了可能引起定位误差的噪声因素，但并未对影响程度进行评估;文献6针对大气激光通信分析了影响探测器定位精度的误差来源，但未考虑星间通信的情形。本文将结合星间光通信的实际，分析影响 FQD 定位精度的各类噪声因素，并从误差分析的角度给出具体的误差计算公式，最后通过算例评估各类因素对定位精度的影响程度。1 定位原理1.1 FQD 的工作原理FQD 是一种位置敏感型光电探测器，其光敏面由 4 个完全相同的光电二极管按照一定顺序排列组成，形成 4 个象限区域 A、B、C 和 D，如图 1 中所示。当光束入射到光敏面时， 4 个象限所感受的光能量不同，所形成的光电流大小也不同。通过比拟光电流大小可确定光斑中心相对于探测器原点的偏移量。图 1 所示为光斑脱靶图，当激光束成像于探测器的光敏面上时，光斑(图 1 中阴影局部所示)在 4 个象限上被分成 4 个局部，每个象限产生对应的光电流，光电流大小可通过测量电路较容易的获得。此时可定义水平脱靶量

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