Page 33 - 网络电信2020年3月刊下

解 决 方 案

基于 EKF 的水下 LD 通信精对准控制算法

刘豪，杨祎，阴亚芳，张建磊，李思静
西安邮电大学 电子工程学院

摘要：高速激光通信中接收机与光斑中心很难处于精对准状态，导致水下光通信链路难以稳定建立。首先
采用蒙特卡洛仿真统计法分析激光光子在海水中传输的接收光强分布规律，再通过实验对接收端的光斑图像
进行采样分析，利用曲线拟合得到接收器位置与接收光强的关系。仿真与实验结果表明：光束经过25 m的水
下传输，接收光强分布仍近似为高斯分布。采用非线性估计算法（扩展卡尔曼滤波）与基本状态控制反馈理
论，根据接收光强度估计接收器当前位置与最大光强处的距离，通过反馈算法实现接收端与光斑中心的主动
跟踪对准。算法仿真结果显示,接收端对准误差在2mm以下，稳定后接收效率超过98%。
关键词：水下无线光通信；跟踪对准；扩展卡尔曼滤波；状态反馈控制；高斯光束

引言 以实现接收端信号的稳定接收 [12] 。但在水下激光通信过程中，
水下光学无线通信 [1-3] （Underwater Optical Wireless 采用的光电探测器接收面积较小，激光在水下长距离传输过程
Communication, UOWC）尤其是无线激光通信技术，由于其保 中，由于光斑扩散，光斑直径远大于探测器直径，探测器的接
密性好、通信速率高等优点，近年来成为水下无线通信的重要 收位置会对接收到的信号质量造成较大影响，因此在接收端需
研究方向。但由于水下环境的复杂性，以及不同水域之间的差 要更精确地对准控制来实现信号的接收。
异，激光在水下传输过程中，易受环境影响，且由于目标光源 研究者针对发光二极管（Light Emitting Diode，LED）
较小，很难与接收器实现精确对准，造成通信质量不佳或者无 光通信提出了一些对准解决方案。如PONTBRIAND 等 [13] 通过增
法实现通信 [4-6] 。因此需要对激光光束进行快速稳定的跟踪和对 加接收器（光电倍增管）的面积来增加接收机的视野，在光
准。 通信过程中由于接收机可接收范围增大，避免了需要主动跟踪
在自由空间光通信中，对激光光束的捕获、对准和跟踪 发射端。还有研究 [14] 提出使用多个LED或多个光电二极管，系
（Acquisition, Tracking and Pointing, ATP）系统的研究工 统通过增加发射器或接收器的数量实现通信链路的稳定，但
作已经较为成熟 [7-9] 。在长距离的空地通信，以及星地通信间， 这将导致更大的占用空间、更高的成本和更高的复杂性。Al-
ATP控制系统主要包括粗瞄准控制和精瞄准控制 [10] 。粗瞄准实现 Rubaiai [15-16] 开发了一种新的基于LED的光通信系统，基于探测
对目标的捕获以及粗跟踪，一般由较大的光学天线以及两轴伺 器在接收不同角度入射光束的接收效率不同的关系，采用扩展
服转台组成；精瞄准实现对目标的精确瞄准及跟踪，一般由快 卡尔曼滤波算法（Extended Kalman Filter，EKF）与反馈控制
速倾斜镜、压电陶瓷、以及高帧率CCD相机组成 [11] 。但应用于 进行主动对准，在文献 [16] 中提出了基于EKF的对准控制算法，并
卫星间的ATP系统设备结构复杂、成本高，且其接收端光学天线 且初步验证了算法的有效性。但LED系统通信速率较低，传输距
一般较大，很难直接应用于水下激光通信中。近年来，光电跟 离较近，为了增加传输距离和传输速率，需要使用水下半导体
踪技术结合水下无线激光通信技术也应用于水下目标跟踪，可 激光器（Laser Diode，LD）无线光通信系统。而目前水下无线

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