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【MATLAB代做|FPGA代做】空间激光通信

时间:2017-5-18 16:23:04 点击:

  核心提示:空间激光通信是指以光波作为载波进行数据传输的一种通信方式。目前,空间激光通信己成为人们关注的焦点。在空间激光通信系统中,光斑定位是是一项关键技术。...

1.1 课题研究背景

空间目标的定位和跟踪在国防防御体系中是极为重要的一个环节,是影响战争胜负的一个关键方面,因此,各国围绕空间目标定位技术都在积极地投入大量地人力物力进行这方面地研究,以期在战争中占据主导地位。

动态目标定位的特点是要求系统能够高速采样、长程探测、高精度定位和测速。空间目标定位通常使用的技术主要有微波雷达、毫米波雷达和激光雷达;由于微波雷达、毫米波雷达不容易探测到隐身的攻击飞行物,而且微波雷达、皂米波雷达容易受地杂波的影响。当雷达跟踪低仰角目标时,除目标回波外,地面和海面反射回波也会通过天线的主瓣或旁瓣进入机内,这就是所谓“多径效应”多径效应将引起仰角跟踪误差。当仰角小一于两倍仰角波束宽度时,多径效应影响是严重的,有时甚至使雷达跟踪失效。因此,在低空目标定位方一面,微波雷达、毫米波雷达存在定位盲区,难以发挥其优势。激光雷达由于其光束极窄,而且无旁瓣,用很小的准直孔径可以获得很高的大线增益,因此可以获得高的角度分辨和距离分辨,单站定位,低仰角跟踪,高分辨率五维成像,日不易为对方所截获,自身隐蔽性强。但由于激光雷达的波束很窄,采集的频率比较低,所以,在目标的搜索和捕获目标时也很困难,作用距离近,所以在人空域低空目标定位应用中也存在较大困难。

1.2 空间激光通信

空间激光通信是指利用光波作为载体进行数据传输的一种通信方式。空间激光通信包括广义和狭义两种。广义的空间激光通信是指利用激光束作为信道进行通信,不仅包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星间的光通信,还包括地面站的光通信,有所谓GEO-GEOGEO-LEOLEO-LEOLEO-地面等多种形式,其中也包括了大气激光通信。而狭义的空间激光通信主要是指激光信号在地球大气层以外的空间传输,不受大气条件的影响,是很有发展潜力的一种通信方式。与RF和微波通信相比,空间光通信具有通信容量大、数据传输率高、收发系统轻小、成本低廉等优点,使得它迅速成为研究者关注的焦点,成为实现高码率卫星通信的理想方案。

空间激光通信得以广泛应用是建立在一系列相关技术之上的,例如光信号的发射和接收技术,光束的捕获、瞄准、跟踪技术等。其中,APT技术是空间激光通信中的一项关键技术,它用来在两个通信终端之间建立通信链路并保持该链路。由于在空间激光通信中,通信距离一般比较远,光束发散角较小,加之空间激光信道环境的影响,能否解决好光通信中的APT问题,几乎成了光通信能否付诸实用的关键。从近年来各国空间光通信技术的发展情况来看,APT是目前最难解决的一项技术,它关系到空间光通信的成败。因此,有必要对APT技术进行较为深入的理论研究和模拟实验研究,近而探索出一套适用于空间光通信的APT方法。

空间激光通信技术是一种新兴的通信技术,它的发展趋势主要包括以下四个方面:

光通信技术与系统的日趋完善。空间激光通信技术的可行性问题基本解决,虽然至今尚未真正实现星际或星地间正式通信,但是原先顾虑的发射功率小、接收灵敏度低、捕获跟瞄要求高、热和机械的稳定性要求高等关键技术近几年已取得明显进展。随着关键技术的解决,系统实验已不限于地面,有些技术与系统已进行了星上实验。

光通信体制和通信协议的建立己被列入议事日程。随着卫星光通信系统的实用化和产品化,己经可以实现卫星干线网络,并连接至下层卫星和地面站,同时,下层卫星和小型固定目标间的激光通信也被证明是可行的,随之而来的问题便是建立激光通信的体制和协议。

单元技术研究的进一步深化。空间激光通信的关键技术中以APT技术最为重要,世界上主要技术强国都在进一步研究空间光束捕获跟瞄技术,以适应空间激光通信的发展。

光通信的应用范围日益扩大。早期的空间激光通信的主要目标是LEOGEO间的通信,随着卫星激光通信关键实验的发展及信息传输的要求,目前的光通信应用范围已扩大到LEO与地面、高空飞机之间、高空飞机与地面、卫星作为地面之间的光中继点等。

空间光通信的发展是与高质量大功率半导体激光器、精密光学元件、高质量光滤波器件、高灵敏度光学探测器及快速精密的光、机、电综合技术的研究和发展密不可分的。近几年来光电器件、激光技术、电子学技术的发展,为空间光通信奠定了物质基础,在人力、物力上也作了准备。高新技术的发展和应用不仅为空间通信信息产业的发展创造了条件,开拓了市场,其关键技术的实现也为未来移动通信、计算机多媒体通信等终端联网,以及轻便光通信等民用和军用方面采用空间光通信技术奠定了基础。

1.3 CCD及定位技术的国内外研究现状

空间激光通信系统设计中,二级跟踪系统采用的信标光探测器件都采用CCD(电荷祸合器件)传感器,粗跟踪系统考虑到捕获视场角的需求,探测器件采用大阵列面阵CCD,而精跟踪系统考虑到跟踪的快速性和高精度要求,采用小面阵CCD器件。因此,CCD对目标的定位精度直接影响信标光的质量,从而对目标跟瞄精度造成影响。

CCD由均匀分布的阵列光敏单元构成,它能方便地给出目标图象的光强数值分布和光斑的位置,是一种崭新的数值图象传感器,因此,自1970年问世以来,正以独特的优点和广泛的用途飞速发展。CCD器件按其内部结构分有表面沟道、埋沟道曲沟CCD、埋沟道N沟和PCCD等。按其光谱敏感范围,可分为可见光、微光、紫外、红外CCD,按其应用类型可分为线阵、面阵、延迟线、存储器、多路传输器、多路开关组件、CCD可编程横向滤波器、CCD相关器、时间延迟积分(TDI)CCD等。按其时钟驱动方式有单相、二相、三相和四相等。CCD具有光电转换、信号存储及信号传输能力,是一种崭新的全固体自扫描成像器件。至今已成为国防、公安、工业控制、医学影像诊断、生物工程研究、天文、地质、宇航等科技领域不可缺少的光电探测器。由于CCD在军事和安全方面的重要地位,在CCD的研究和发展上,国内外投入了大量的人力和物力,在技术方面目前己经成熟并且实现了商品化。

CCD目标定位技术自从CCD器件问世以来,就一直是CCD技术的研究热点,现在面阵CCD己经成功应用于机器人视觉技术、自动报靶系统等许多方面。机器人视觉技术己经在实践中得到应用,但利用机器人视觉技术对空间目标定位需要通过高速的数据运算,采用目标图形匹配算法,计算后得到目标位置,由于运算量大,达不到动态目标定位的高速的要求。CCD的靶场定位系统的功能是采用面阵CCD采集图象后进行处理得到弹着点的位置,由于相应的面阵CCD的速度一般不会很高,而且系统还要进行大量的图像处理,整个系统的定位的速度比较低,达不到空间目标动态定位的要求。

而应用线阵CCD进行目标定位的高空立靶在我国尚处于理论研究阶段,尚未得到实际应用的报道。对高空立靶和双CCD目标定位系统,己经有很多人对其进行了理论研究和探讨。如对CCD交汇测量技术的研究并对其精度进行的分析,对CCD交汇测量系统进行优化设计,对CCD交汇测量系统的建模和仿真对线阵CCD交汇测量靶中非共面误差的研究,对线阵CCD交汇测量系统结构布局的优化设计的计算对双CCD视觉传感器建模的优化设计。在这些研究中通常情况下待测目标通常为合作目标,而对波段针对超低空高速非合作运动目标的CCD探测定位尚处于概念探索阶段,尚未达到实用化程度。由于涉及军事机密,未见相关报道。因此,本文在分析各种CCD定位技术的基础上,提出了采用长基线的双CCD与垂直红外激光扫描双层光幕组合,构成的对低空目标的定位测速系统。

CCD全称为电藕合器件,是英文Charge Couple Device的缩写。它是70年代发展起来的一种以电藕合包形式存储和传输信息的新型半导体器件,是目前应用较多的图像采集装置。用CCD摄像机采集可以采集灰度图,当光源的光照射到场景中的物体上后,物体所反射的光先由CCD接受并进行光电转化,所得到的电信号再经量化就可形成空间和幅度均离散化的灰度图。图像的空间分辨率主要由CCD摄像机里图像采集矩阵中光电感受单元的尺寸和排列所决定,而灰度图的幅度分辨率主要由对电信号进行量化所使用的级数所决定。

至今,CCD摄像仪己从实验室研究走向实际应用阶段,在航空航天、卫星侦察、遥感遥测、天文测量、传真、静电复印、非接触工业测量、光学图像处理等领域都得到了广泛的应用。目前世界上所有极轨和地球静止气象卫星在可见光和红外波段的成像遥感器都采用某种形式的扫描成像辐射计(简称辐射计),这种辐射计是一个扫描成像结构,它采用二维扫描加多元探测器并扫结构,以实现多波段成像。这里所提到的多元探测器通常是面阵CCD成像仪器件。卫星上的这类辐射计是采用一块平面镜作为光机扫描结构的反射镜,以与望远镜主光轴成45度的位置放于望远镜的前方,通过常平架实现东西扫描,南北步进,其中a角为东西扫描角,刀角为南北步进角。这种结构具有结构简单,调试方便等特点,适用于多光谱扫描。同时这种扫描方式带来了像旋,且像旋的角度随着南北步进角度的增大而增大,必须加以校正刁能应用多元探测器实现并扫。为了消除二维扫描时产生的附加像旋,常常在物理设计阶段通过某些方法来实现图像的补偿运动,基本的方一法有光学图像消旋法和电子学图像消旋法。

本文的研究将针对特定空间卫星所获取的遥感数据进行图像的自动配准。目的是将一组多光谱图像的RGB信息融合到一幅全色图像上,而不需要图像进行分类识别。试验数据来源是风云系列F(Y)的气象卫星,其核心是FY CCD遥感器(或称CCD成像仪)。该卫星对同一个地区分时成像,得到一组多光谱的图像和一组全色图像,山于更换滤光镜、转换压缩数据、传送数据给地面需要一定时间,所以每次成像有大约20秒的间隔。由于是分时成像,这个时间间隔内,相机处于一个非常复杂的运行状态。一方面卫星在轨道上向前飞行;另一方面,卫星又带有随机的姿态变化,这个随机的姿态变化可以分解为微小的方位旋转(-5~5度)

和微小的平移。以上的因素将导致所得到的图像之间有像差,这个像差的存在,则在运用中会产生多光谱和全色图像的信息融合不能很好地进行,进行像素级的数据融合则有很大的像差。

 

 

 

function a_chuanliu();
figure;
for Cn=0:1*10^(-9):500*10^(-9)
     L=1000;
 th=4.03*Cn.^(6/5)*0.6328.^(-1/5)*L.^(3/5);
    rad=th*L;
    plot(Cn,rad,'-')
    hold on
end
title('光斑尺度和大气湍流强度的关系')
xlabel('湍流强度')
ylabel('光斑尺度')

figure;
for Cn=0:1*10^(-9):500*10^(-9)
 L=1000;
  alf=sqrt(1.75*Cn*Cn*L*3.2^(-1/3)*10^(-18));
    plot(Cn,alf,'-')
hold on
end
title('光斑偏移角度和大气湍流强度的关系')
xlabel('湍流强度')
ylabel('光斑偏移角度')

figure;
B=0.49%球面波
for Cn=0:1*10^(-9):500*10^(-9)
     L=1000;
I=B*(2*pi/0.6328).^(7/6)*L.^(11)*Cn.^2*10^(-18);
    plot(Cn,I,'-')
hold on
end
title('光强起伏和大气湍流强度的关系')
xlabel('湍流强度')
ylabel('光强起伏')

作者:空间激光通信 来源:空间激光通信
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