matlab求kcf算法响应图_【半导光电】基于光电探测器的激光章动定位算法（二）...
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1. 章动定位算法在实验前对光路进行调节以确保经过抖动振镜和章动振镜反射后的光束能够聚焦于单模光纤。为了精确定位最佳传输位置本文采用了光栅式扫描方法来寻找聚焦光斑的位置。确定好最佳传输点后分别向振镜的两个轴施加正弦型和余弦型的电压从而使得聚焦光斑沿着光纤端面做半径为R0的圆周运动。通过光电探测器将该过程中的光信号转换为电信号并记录其最大输出值V_max。在此基础上计算得到的最大光电流I_max与V_max之间的关系式如下所示：
(1)
根据响应度的定义，可以得到最大光电流下接收光功率表达式为：
(2)
其中，R 为探测器的响应度。
当信号光经过通信系统的精跟踪子系统后，在其输出端接收到来自目标区域的光斑信息时
(3)
根据图 4 中的几何关系，可以得到光斑发生偏移的相对量为：
(4)
当控制振镜以实现周期性扫描时
(5)
(6)
在该段中描述了圆周运动参数及其应用情况。式中, 表示圆周运动的角速度, 可由下式给出: w = 2\pi f t, 其中t_1作为扫描时间使用, f_1作为扫描频率参数。当光斑出现角度偏移\beta时, 其相对偏离量计算如下:
(7)
(8)
(9)
本文通过采用章动算法进行计算分析以实现光斑偏移量的具体求解过程研究，在这一过程中核心在于确定每一个扫描周期内光电探测器输出的最大电压值特征。通过逐级补偿优化章动振镜校正后的光斑位置坐标从而进一步提高扫描效率与精度最终显著提升了光斑定位的精确度与追踪效果因此在通信接收端电路设计中提出了较高的要求需要综合考虑探测器的接收灵敏度与响应特性特性。
为了验证该算法的有效性及其跟踪性能本文采用了Matlab软件进行仿真实验在实验设置中预先设定光斑具有已知偏移量特征并应用该定位算法求解偏移后的目标坐标位置随后计算所得目标点与原始坐标位置之间的偏差程度进而评估定位系统的整体精度水平是否满足设计要求相关参数设置如表1所示。
光电探测器选用滨松公司的 G8931-04 型雪崩光电二极管(APD)，用于接收单模光纤输出端的光信号。考虑到仿真结果的可行性，将光电探测器内的噪声信号如暗电流噪声、附加噪声、散粒噪声和热噪声也加入到仿真环境中，接收波长在 1550nm 波段，暗电流大小为 40nA，响应度为 0.9 A/W。为了方便章动定位算法计算，输入光功率-30 dBm。单模光纤半径为 4.5 μm，一个周期内的采样点数为 40 个。章动半径可根据耦合效率的损失量来选择，本算法仿真时选用半径为 2 μm 进行扫描。在实际应用时，需要综合考虑通信信噪比和角度误差要求来优化选取。仿真时，假设光斑偏移的后坐标为(2.5μm，1.5μm)，一个章动周期内的采样点数为 40个，扫描一个周期需要 10ms，扫描 3 个周期后分别寻找 3 个周期内电压值的最大值，按照图 5 的计算流程，得到计算后的光斑偏移量，仿真得到的曲线图如图 6 所示。图 6(a)为扫描后的电压值的变化曲线，在 3 个周期内，电压值是呈现周期性变化的，其中最大值都为7.03mV。这也说明了章动定位扫描的稳定性是良好的。由于采用的接收探测器是 APD，雪崩增益为 10，利用式(1)可以得到相应的光电流值，变化曲线如图 6(b)所示，可以看出光信号转换后的光电流也呈现周期性变化。图 6(c)为光功率的曲线变化，图 6(d)为耦合效率的变化曲线。经过计算得到，耦合效率的最大值为 0.78。利用公式(3)的逆运算得到光斑横向偏移量 r b为 0.915μm，计算后的光斑坐标为(2.482μm，1.525μm)，与原坐标的
计算误差在 0.02 μm 左右。
为了进一步考察章动定位算法的精确度，在不同偏移量的条件下，我们又选取了4组坐标点进行仿真实验。结果显示，在不同偏移量下，采用章动定位算法计算所得的光斑定位精度均为0.04微米，并完全满足通信系统对于光斑定位精度的要求。
通过对式(5)和式(6)进行深入分析可知, 章动半径的选择会直接影响圆周扫描路径的设计方案. 当所选章动半径过大时, 会导致扫描光斑脱离单模光纤接收端面, 这将使探测器接收的光功率呈现断续变化特征, 从而无法准确实现光斑位置的实时跟踪. 因此, 章动半径的选择必须基于对耦合效率损失量的量化评估. 在本研究中, 通过Matlab软件对不同章动半径下系统性能进行了全面仿真研究（如图7和图8所示）。表3列出了不同章动半径对应的定位效果数据. 分析结果表明, 章动半径的选择会对光斑定位精度产生显著影响. 当取值为1.5 μm时, 实现了较高的定位精度可达0.02 μm; 随着章动半径增大, 由于接收光功率下降导致信噪比降低, 光斑定位精度也随之提高.
为了研究系统在动态扰动下的光斑坐标计算精度，在抖动振镜处引入了一组由Matlab生成并符合正态分布特性的随机信号序列来模拟光斑位置的随机抖动现象。实验中选取了扫描半径为2μm且采样点数为100个的数据进行章动扫描运算，并获得了图9(a)所示的耦合效率曲线图。图中左侧子图展示了开环状态下加入随机抖动信号后进行章动扫描所得的耦合效率曲线图，并标示其平均耦合效率值为54.24%。由此可见，在存在随机抖动的情况下单模光纤的耦合效率呈现较大的变化范围。随后按照图5所示的章动算法流程图对测得的光斑坐标进行计算处理后启动闭环控制系统并优化调节章动扫描幅度使其使得光斑能够在目标坐标附近运动区域进行定位最终使系统的耦合效率达到了62.4%水平。如图9(b)所示当选择更大的扫描半径3μm且保持相同的采样点数时所得出的结果表明尽管闭环控制下的系统收敛效果有所提升但由于过大的扫描半径导致系统的耦合效率波动幅度显著增大从而降低了抑制效果
3. 总结寄语
激光通信系统受大气湍流、平台振动等物理因素影响，在运行过程中会导致激光光斑发生偏移现象，并进而降低光斑检测系统的准确性。基于单模光纤耦合原理，在实际应用中通常会采用光电探测器作为接收端装置来实现激光定位技术中的振荡校正方法。本文通过对章动定位算法进行仿真建模与分析研究，在量化评估其计算出的光斑位置精确度的同时也进一步提高了单模光纤在信号接收方面的效率指标。然而该方法也存在一些局限性例如它能够实现静态状态下的横向偏移检测以及在一定频率范围内识别动态干扰信号从而提高光纤信号接收效率但当扫描半径超出设定范围后会导致测得的数据误差显著增加其校正效果并不理想此外在周期扫描过程中若增加采样点的数量将会直接导致整个系统的响应速度有所下降因此在实际应用中应当综合考虑测距误差值要求光纤传输效率以及系统响应速度等多个参数之间的平衡关系才能达到最佳的应用效果
本文来源论文： 基于光电探测器的激光章动定位算法——陈果
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