星間激光通信中四象限探測器的定位精度研究

　　摘要：在星間激光通信中，精跟蹤單元常采用四象限探測器用于光斑位置定位，定位誤差的大小直接影響精跟蹤單元的測角精度。為實現微弧度量級的測角精度，文章研究了影響探測器定位誤差的各個噪聲因素，并根據星間光通信的實際情況進行了簡化分析，提出了定位誤差的具體計算方法，最后通過具體算例評估了各噪聲因素的影響程度。研究結果表明，提高發射功率可以在一定范圍內提高接收端信號的信噪比，減小定位誤差，進而減小測角誤差，提高測角精度。但定位誤差并非隨發射功率的增大而線性減小，當發射功率增大到一定程度之后，定位誤差的減小有限，這時再單純通過增大發射功率來提高測角精度代價將非常大。

　　本文源自光通信研究 發表時間：2021-03-18《光通信研究》(雙月刊)創刊于1975年，是國家光纖通信技術工程研究中心、光纖通信技術和網絡國家重點實驗室——武漢郵電科學研究院主辦的光通信方面的專業刊物，本刊主要刊載光通信領域的學術論文、研究成果的技術報告、工程設計方案、施工及維護經驗，綜述國內外光纖通信先進技術和有關理論及最新動態等。可供從事光纖通信工作以及相關學科的科研、設計、生產、施工、維護等方面的科技人員和大專院校師生參考。本刊學術性和技術內容并重，發行量大，是全國通信行業影響較大的刊物之一。現已成為越來越多的科研、工程技術和管理人員科學決策的重要依據。

　　關鍵詞：四象限光電探測器;定位誤差;噪聲因素;精跟蹤單元

　　0 引言

　　隨著空間技術的發展，各類高帶寬儀器在衛星上得到大量應用，使得對衛星信息傳輸量的需求呈指數級增長[1]。星間激光通信技術因其傳輸容量大、發射功率小和抗干擾能力強等諸多優點，正成為大容量和高碼率衛星通信的理想選擇。

　　由于星間激光通信距離遠，激光發散角小，為建立可靠、穩定的通信鏈路，需要“捕獲 —對準—跟蹤”(Acquisition Pointing and Tracking，APT)系統達到微弧度量級的跟蹤精度才能完成。而精跟蹤探測器的光斑定位精度決定著 APT 系統的最終跟蹤精度[2]，是通信鏈路建立的關鍵。從探測頻段、探測帶寬和性價比上來講，四象限探測器(Four-Quadrant Detector，FQD)都是精跟蹤探測器較為理想的選擇[3]。因此，為了精確獲取光斑的位置，有必要對 FQD 定位精度的誤差分配進行詳細的研究與分析。

　　針對 FQD 的定位誤差問題，文獻[4]用實驗的方法確立了定位誤差與輸出電壓的關系，但并未明確定位誤差的來源;文獻[5]具體分析了可能引起定位誤差的噪聲因素，但并未對影響程度進行評估;文獻[6]針對大氣激光通信分析了影響探測器定位精度的誤差來源，但未考慮星間通信的情形。本文將結合星間光通信的實際，分析影響 FQD 定位精度的各類噪聲因素，并從誤差分析的角度給出具體的誤差計算公式，最后通過算例評估各類因素對定位精度的影響程度。

　　1 定位原理

　　1.1 FQD 的工作原理

　　FQD 是一種位置敏感型光電探測器，其光敏面由 4 個完全相同的光電二極管按照一定順序排列組成，形成 4 個象限區域 A、B、C 和 D，如圖 1 中所示。當光束入射到光敏面時， 4 個象限所感受的光能量不同，所形成的光電流大小也不同。通過比較光電流大小可確定光斑中心相對于探測器原點的偏移量。

　　圖 1 所示為光斑脫靶圖，當激光束成像于探測器的光敏面上時，光斑(圖 1 中陰影部分所示)在 4 個象限上被分成 4 個部分，每個象限產生對應的光電流，光電流大小可通過測量電路較容易的獲得。此時可定義水平脫靶量