Page 24 - 网络电信2023年3月刊

基于模糊数学方法的光通信信号自动跟踪

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肖 艳 , 刘英华 2
1.武汉学院信息工程学院;
2.武汉设计工程学院

摘 要:光通信信号跟踪研究一直是人们关注的热点,针对传统光通信信号跟踪系统的跟踪时间长,误差大等局
限性,以提高光通信信号跟踪精度为目标,提出了基于模糊数学方法的光通信信号跟踪系统。 首先当前光通信信
号跟踪的研究现状,并找到引起光通信信号跟踪效果不佳的原因,然后设计了光通信信号跟踪的总体结构,并具体
实现了基于模糊数学的光通信信号跟踪,最后进行了光通信信号跟踪测试,结果表明,采用本系统跟踪的 x 轴坐
标偏移最大偏移为 9. 32 μrad,当频率大小为 100 Hz 时,本系统的跟踪 MSE 仅为 18. 8 μrad,不同频率下,
本系统所跟踪到的像素误差值为±6,误差值较小,本系统的光通信信号跟踪精度高,有效降低了光通信信号跟踪
误差,改善了光通信信号跟踪的效果,获得了理想的光通信信号跟踪结果。
关键词:模糊数学;光通信技术;总体结构;测试实验

一、引言 二、基于模糊数学理论的光通信信号跟踪系统
空间光通信是通信技术发展的新方向,具有丰富的频率资 基于模糊数学理论的光通信信号跟踪系统的执行机构通常
源,集中的能量密度,优良的抗干扰性和保密性等优势 [1-2] 。空间 为压电陶瓷驱动的快速倾斜镜( FastSteering Mirror,FSM)。
光通信系统中亟待解决的是激光束发散角小,捕捉、跟踪和对准 提升系统整体带宽,减少系统动态滞后误差和消除振动残差是系
[3]
难等问题 。ATP(Acquisition Tracking Pointins,ATP) 是自 统执行机构的最主要目标 [14-15] 。
由空间光通信 FSO( Free Space Oplical communica) 中的核 2.1 系统总体结构
心技术,应用ATP技术的空间光通信系统由粗跟踪和精跟踪两部 在系统的硬件结构中,将精跟踪部分放置在粗跟踪的二维
分构成,其中,粗跟踪的任务是完成信标光的初始对准和粗跟瞄, 转台上,执行机构为PI公司的PZT( Piezoelec-Tric,PZT),综
将标光引入精跟踪视场,再通过精跟踪的高精度和高带宽来补偿 合算法处理器为 FPGA(Field Programmable Gate Array,现
粗跟踪的残差,精跟踪在通信链路的建立和通信系统性能中起着 场可编程逻辑门阵列),采集信标光斑信息的工具为利用高帧频
决定性作用 [4-6] 。 CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconguctor)相机 [16] ,其
目前市场上精跟踪系统主要以PG和DSP为核心处理器,如有 具备实时处理信号的能力,任何不规则且复杂的算法和控制任务
[7]
学者设计深度学习网络的光通信系统入侵行为识别 ,有学者等 均能适应 [17] 。
[8]
研究光通信网络中通信信号智能感知方法研究 ,虽然这两种方 CMOS相机能够将光斑的坐标位置精准拍摄,具备高带宽相应
法也具有一定的跟踪效果,但是对系统的精准参数模型依赖性较 优势,通过camera link标准传输线把相机与FPGA相互连接,精跟
重,并且算法复杂,硬件实现起来相对困难,会制约系统的跟踪精 踪控制器FPGA根据相机采集来的光斑视频信号提取光斑坐标后,
度和实时性。 采用基于前馈补偿的PID模糊控制算法,实现精跟踪控制处理。
前馈补偿的模糊数学控制理论可有效针对系统静态、动态 输出控制量到光束偏转执行机构,采用D/A转换将输出信号转变
特性对系统参数整改需求,在线自动整改参数;模糊PID控制具备 为驱动PZT的电压信号后用以控制FSM(快速倾斜镜)的偏转,光束
适应性强、鲁棒性强等优势 [9-10] ,为此,设计了一套以 FPGA 为 方向和位置即完成调整。光通信信号跟踪系统结构图如图1所
核心处理器的光通信信号跟踪系统,将模糊前馈补偿和模糊 PID 示。
控制有效结合 [11] ,利用基于前馈补偿的PID模糊控制实现系统的 2.2 基于前馈补偿的 PID 模糊控制
精跟踪控制。 并通过2.2km的动态跟踪验证了本系统具备良好 外界扰动以及建模误差所引起的输出误差可利用前馈补偿
的跟踪精度,能够满足光通信信号跟踪的应用要求 [12-13] 。 进行超前补偿,前馈控制是基于闭环控制上新增一开环控制支

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