星间激光通信中四象限探测器的定位精度研究

　　摘要：在星间激光通信中，精跟踪单元常采用四象限探测器用于光斑位置定位，定位误差的大小直接影响精跟踪单元的测角精度。为实现微弧度量级的测角精度，文章研究了影响探测器定位误差的各个噪声因素，并根据星间光通信的实际情况进行了简化分析，提出了定位误差的具体计算方法，最后通过具体算例评估了各噪声因素的影响程度。研究结果表明，提高发射功率可以在一定范围内提高接收端信号的信噪比，减小定位误差，进而减小测角误差，提高测角精度。但定位误差并非随发射功率的增大而线性减小，当发射功率增大到一定程度之后，定位误差的减小有限，这时再单纯通过增大发射功率来提高测角精度代价将非常大。

　　本文源自光通信研究 发表时间：2021-03-18《光通信研究》(双月刊)创刊于1975年，是国家光纤通信技术工程研究中心、光纤通信技术和网络国家重点实验室——武汉邮电科学研究院主办的光通信方面的专业刊物，本刊主要刊载光通信领域的学术论文、研究成果的技术报告、工程设计方案、施工及维护经验，综述国内外光纤通信先进技术和有关理论及最新动态等。可供从事光纤通信工作以及相关学科的科研、设计、生产、施工、维护等方面的科技人员和大专院校师生参考。本刊学术性和技术内容并重，发行量大，是全国通信行业影响较大的刊物之一。现已成为越来越多的科研、工程技术和管理人员科学决策的重要依据。

　　关键词：四象限光电探测器;定位误差;噪声因素;精跟踪单元

　　0 引言

　　随着空间技术的发展，各类高带宽仪器在卫星上得到大量应用，使得对卫星信息传输量的需求呈指数级增长[1]。星间激光通信技术因其传输容量大、发射功率小和抗干扰能力强等诸多优点，正成为大容量和高码率卫星通信的理想选择。

　　由于星间激光通信距离远，激光发散角小，为建立可靠、稳定的通信链路，需要“捕获 —对准—跟踪”(Acquisition Pointing and Tracking，APT)系统达到微弧度量级的跟踪精度才能完成。而精跟踪探测器的光斑定位精度决定着 APT 系统的最终跟踪精度[2]，是通信链路建立的关键。从探测频段、探测带宽和性价比上来讲，四象限探测器(Four-Quadrant Detector，FQD)都是精跟踪探测器较为理想的选择[3]。因此，为了精确获取光斑的位置，有必要对 FQD 定位精度的误差分配进行详细的研究与分析。

　　针对 FQD 的定位误差问题，文献[4]用实验的方法确立了定位误差与输出电压的关系，但并未明确定位误差的来源;文献[5]具体分析了可能引起定位误差的噪声因素，但并未对影响程度进行评估;文献[6]针对大气激光通信分析了影响探测器定位精度的误差来源，但未考虑星间通信的情形。本文将结合星间光通信的实际，分析影响 FQD 定位精度的各类噪声因素，并从误差分析的角度给出具体的误差计算公式，最后通过算例评估各类因素对定位精度的影响程度。

　　1 定位原理

　　1.1 FQD 的工作原理

　　FQD 是一种位置敏感型光电探测器，其光敏面由 4 个完全相同的光电二极管按照一定顺序排列组成，形成 4 个象限区域 A、B、C 和 D，如图 1 中所示。当光束入射到光敏面时， 4 个象限所感受的光能量不同，所形成的光电流大小也不同。通过比较光电流大小可确定光斑中心相对于探测器原点的偏移量。

　　图 1 所示为光斑脱靶图，当激光束成像于探测器的光敏面上时，光斑(图 1 中阴影部分所示)在 4 个象限上被分成 4 个部分，每个象限产生对应的光电流，光电流大小可通过测量电路较容易的获得。此时可定义水平脱靶量