面向星载激光通信APT技术的旋转锁定式对准方案与系统

《Photonics》：A Rotation-Locking Alignment Scheme and System for Spaceborne Laser Communication APT Technology

　　

本文提出了一种基于高斯光束（Gaussian beam）的旋转锁定式对准方案与系统，用于解决星载激光通信捕获、指向与跟踪（Acquisition, Pointing, and Tracking, APT）技术精跟踪阶段中，由平台振动、温度变化及其他因素引起的接收端与光斑中心之间的相对位移问题。通过旋转扫描拟合，可求得接收端相对于光斑中心的偏移角和偏移距离，并实现高精度自适应跟踪。仿真结果表明，该方案的距离拟合误差小于1%，角度拟合误差小于π/32。同时，研究人员研制了系统原理样机，并开展了地面验证实验，包括静态测试和室外链路建立测试。该系统原理样机具有结构更简单、计算复杂度更低、易于集成等特点，能够满足星载激光通信终端小型化与轻量化设计需求。测试结果验证了该系统能够快速成功建立稳定的激光通信链路。

该论文发表于《Photonics》，聚焦于星载激光通信中捕获、指向与跟踪（APT，指用于建立并维持光链路精确对准的关键技术）系统精跟踪环节的小型化实现问题。随着空天地一体化信息网络发展，传统微波卫星通信在大容量、高速率数据传输方面逐渐显现瓶颈，且终端质量、体积与功耗较大，会增加卫星平台负担。相比之下，激光通信具有保密性强、传输速率高、终端尺寸紧凑等优势，但由于激光束发散角极小，对链路对准精度提出了极高要求。APT系统通常采用粗跟踪与精跟踪复合控制架构：粗跟踪用于获取光束在接收端的大致位置，精跟踪则进一步校正由平台振动、温度变化等因素带来的位置偏差。现有精跟踪方案往往依赖较复杂的系统结构、信标辅助光路或较高的计算与资源开销，不利于满足星载终端在尺寸、重量与功耗（SWaP，Size, Weight, and Power）方面的严格约束。因此，开展一种兼具较高对准精度、较低计算复杂度、便于集成且适配轻小型平台的精跟踪方法研究具有明确工程意义。

围绕上述问题，研究人员提出了一种基于高斯光束（Gaussian beam）模型的旋转锁定方案与拟合算法。其核心思路是在精跟踪阶段，以粗跟踪获取的累计光斑中心坐标作为圆形扫描中心，控制发射激光沿预设半径做等角度间隔旋转扫描；接收端记录各扫描位置的光强变化，并利用高斯光强分布与最小二乘法（least squares method）建立线性拟合关系，从而反演接收端相对于累计光斑中心的偏移角φ与偏移距离d。论文仿真分析表明，该方法在适当扫描点数和参数设置下，可获得小于1%的距离拟合误差以及小于π/32的角度误差。研究人员进一步将计算过程部署于现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array）中，并构建了集成式原理样机，通过50 m静态测试和100 m室外链路建立实验验证了算法与系统的可行性。结果显示，该方案能够较快完成链路捕获、稳定跟踪与重建链路，证明其适合于低成本、小型化、轻量化的星载激光通信终端。

就意义而言，该研究提出了一种无需复杂信标光路、无需收发共孔径支持即可完成精跟踪与锁定的实现路线，降低了系统结构复杂度和计算资源占用。论文指出，这一方案尤其适用于低轨（LEO，low-Earth-orbit）卫星激光通信终端在低频慢变扰动主导条件下的应用需求，为受尺寸和重量严格限制的星载平台提供了具有现实潜力的技术路径。

研究人员采用的主要技术方法可概括为以下几类。首先，基于高斯光束光强分布模型构建旋转扫描测量框架，将接收光强与接收端相对光斑中心的几何偏差联系起来。其次，通过对光强表达式取对数，将复杂指数函数转化为线性方程，并采用最小二乘拟合求解偏移距离。再次，根据最大与次大接收光强对应的扫描角位置，估计偏移角的近似值，并通过迭代进一步减小角度误差。随后，在FPGA上实现算法流程，并通过阈值替代方法抑制近零光强噪声放大问题。最后，构建地面发射/接收原理样机，开展50 m静态试验与100 m室外链路建立试验，对系统可行性和重捕获能力进行验证。

在研究结果部分，论文首先通过“Simulation”说明了算法参数与拟合性能之间的关系。研究人员设置高斯束腰半径为3 mm、扫描圆半径为1 mm，并引入加性白噪声（additive white noise）模拟系统噪声。结果显示，扫描点数N直接影响偏移角近似值的误差及拟合曲线平滑性。当N = 8时，拟合曲线与真实曲线重合较少；当N = 16或32时，拟合曲线明显更平滑且更接近真实曲线。综合计算负载与精度后，研究人员选取N = 16。对于16点等间隔扫描，偏移角误差小于π/32，此时由拟合曲线反演的偏移距离误差仅为0.64%，表明角度估计误差对距离计算影响较小。

同样在“Simulation”中，论文进一步讨论了近零噪声对拟合的影响。由于算法在线性化过程中使用对数运算，接收光强接近零时，噪声会在映射到lnI后被显著放大，从而降低拟合质量。为此，研究人员采用阈值替代法，即将低于阈值的数据统一替换为测量最小值。经过多次仿真，阈值设定为最大值的2.5%时拟合效果最佳。结果表明，经过阈值替代后，拟合曲线与真实曲线的一致性显著提高，说明该方法能有效抑制近零噪声带来的失真。

在“Simulation”部分，研究人员还评估了FPGA实现中光强值分段步长m对拟合性能的影响。由于FPGA在最小二乘实现中采用分段函数和穷举方式处理除法，步长m会影响拟合精度。结果显示，随着m增加，拟合曲线逐渐逼近真实曲线；当m > 128时，偏移距离拟合误差小于1%。而在偏移距离较小时，增大m对误差改善有限，因为重赋值后极值区间变化不显著。该结果为硬件实现中的资源利用与性能折中提供了依据。

随后，论文在“Simulation”后段分析了光斑半径与扫描圆半径对跟踪精度和通信质量的共同影响。研究人员定义W_diff表征最大与最小接收光强差异，用于衡量相对运动辨识能力；定义W_d,min反映最低接收信号水平，用于衡量通信质量。结果表明，当探测器位于扫描圆内外时，光斑半径与扫描圆半径对跟踪精度和通信质量的影响规律不同，需要根据系统环境合理选择参数，以兼顾高跟踪精度与较好链路质量。

在“Experiment”部分，研究人员基于仿真结果选取N = 16、m = 256，并在FPGA上实现算法，构建了激光通信跟踪与指向一体化原理样机。样机由发射端和接收端组成，尺寸为30 cm × 40 cm × 40 cm，重量15 kg，平均功耗低于30 W，相比经典星载激光通信终端（SCOT80）在尺寸和功耗方面具有优势。系统通过粗跟踪阶段的矩形螺旋扫描获得累计光斑中心，再由快速反射镜（FSM，Fast Steering Mirror）执行旋转扫描。算法流程包括：输入累计光斑中心坐标、计算16个圆周扫描点、采集5圈光强数据、平均与滤波、阈值替代、估计偏移角、最小二乘拟合偏移距离，并在需要更高精度时迭代修正角度。

在“Experiment”的静态测试中，两台收发原理样机相距50 m相对放置，采用915 nm与975 nm不同波长以避免自发自收。系统在无信标光路条件下完成获取、跟踪与通信一体化操作。实验记录了扫描点坐标、横纵坐标变化及接收光功率分布，并对每个扫描点采集5次光强，通过去除最大最小值后取平均，以减小采集误差。结果表明，单次扫描数据即可用于拟合扫描曲线并求解φ与d。受限于FPGA计算反余弦函数的复杂性，实验中以近似量替代φ估计值；在给定实例中，拟合得到d = 4 mm，并据接收镜头焦距86 mm估算残余指向误差上界约为0.465 mrad。论文据此说明，该系统能够实现有效锁定，且锁定后主要应对的是空间环境下温度变化等慢变因素。

“Experiment”进一步分析了系统动态收敛性能。由于该精跟踪系统为开环控制结构，锁定过程仅包括扫描、拟合和校正，通常仅需1~2次迭代。依据系统参数，单次扫描-校正理论收敛时间约81.1 ms，其中旋转扫描约80 ms，拟合计算在100 MHz主时钟下小于0.1 ms，FSM响应约1 ms，对应理论等效跟踪带宽约13 Hz。这表明旋转锁定阶段本身收敛较快，系统整体时延主要受扫描过程影响。

在100 m室外链路建立试验中，APT原理样机先采用矩形螺旋扫描完成初始捕获，再进入旋转锁定阶段进行精跟踪。研究人员将接收端置于手推车上并轻微推动，以约0.1 m/s位移变化触发重新捕获过程，用于定性验证系统对Hz量级低频位移扰动的重捕获能力。结果显示，设备启动后可在1 min内完成互锁；链路短暂受阻后也能快速重建。在50次实验中，系统49次成功建立链路，获取概率为98%；链路建立总时间最短3 s，最长22 s，平均约14.1 s，标准差为5.6 s，95%置信区间为[12.5 s, 15.7 s]。论文指出，链路建立时间的主要限制因素是初始捕获扫描，而非旋转锁定阶段，这进一步说明所提精跟踪方法的收敛速度快于粗捕获阶段。

论文还通过在发射端人为加入?61 dBm光衰减，模拟星载远距离应用中的链路功率预算。尽管地面100 m链路长度远短于星间链路，但系统最终接收到的光功率已处于极弱信号拟合范围，实现了?50 dBm探测灵敏度。同时，地面大气湍流和背景杂散光引起的信噪比（SNR，signal-to-noise ratio）退化，在一定程度上等效于远距离空间传输中的不利条件。研究人员据此认为，地面实验的成功表明该算法对一定程度的光强波动具有容忍能力，验证了其鲁棒性，并显示出满足未来星载远距离应用功率衰减要求的潜力。

在讨论部分，论文明确指出，当前验证仍局限于地面条件，尤其对于高频抖动抑制能力，受开环控制方式限制，尚未得到充分证明。100 m室外试验中通过移动小车完成的50次断链与重建实验，只能说明系统在Hz量级低频抖动下具备稳定工作能力。论文进一步提出，后续研究将围绕下一代样机展开定量性能评估，包括通过逐步增大初始偏移进行收敛边界测试以确定捕获范围，开展0.1 Hz至30 Hz扰动频率扫描试验以测量光功率波动与重捕获成功率，以及进行附加噪声注入和背景光干扰试验以确定最小工作SNR阈值。论文同时指出，相较存在大气湍流的地面环境，星载环境不存在湍流影响，光强闪烁更弱，更接近理想状态；但星载环境也存在本文未涉及的其他挑战，未来工作将围绕真空兼容设计以及借助卫星振动台加载真实在轨扰动谱展开，以定量确定系统动态响应边界，并弥合地面实验与实际轨道运行条件之间的差距。

结论部分可译为：综上，本文提出了一种满足星载激光通信APT技术小型化与轻量化需求的精跟踪方案与系统。通过旋转光斑扫描，复杂的高斯光斑强度分布被转换为简化的线性方程形式，从而能够对接收端与接收光斑中心之间的偏移角和偏移距离进行拟合计算，并有效降低计算复杂度。研究人员设计了原理样机并开展地面验证实验，包括实验室静态测试和室外链路建立测试。实验结果表明，该方案能够实现稳定跟踪与链路建立。