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探测器噪声对光斑中心定位精度的影响分析及实验验证

刘靖翰 赵梦阳 杨润 高瑞弘 董鹏 罗子人

刘靖翰, 赵梦阳, 杨润, 高瑞弘, 董鹏, 罗子人. 探测器噪声对光斑中心定位精度的影响分析及实验验证[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0021
引用本文: 刘靖翰, 赵梦阳, 杨润, 高瑞弘, 董鹏, 罗子人. 探测器噪声对光斑中心定位精度的影响分析及实验验证[J]. 中国光学(中英文). doi: 10.37188/CO.2025-0021
LIU Jing-han, ZHAO Meng-yang, YANG Run, GAO Rui-hong, DONG Peng, LUO Zi-ren. Analysis and experimental verification of the influence of detector noise on the precision of spot center positioning[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0021
Citation: LIU Jing-han, ZHAO Meng-yang, YANG Run, GAO Rui-hong, DONG Peng, LUO Zi-ren. Analysis and experimental verification of the influence of detector noise on the precision of spot center positioning[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2025-0021

探测器噪声对光斑中心定位精度的影响分析及实验验证

cstr: 32171.14.CO.2025-0021
基金项目: 国家自然科学基金青年科学基金项目(No. 12305074)
详细信息
    作者简介:

    刘靖翰(2000—),男,湖北十堰人,硕士研究生,主要从事空间引力波探测超高精度测量技术方面的研究。E-mail:liujinghan22@mails.ucas.ac.cn

    赵梦阳(1998—),男,河南周口人,博士研究生,主要从事星间激光链路建立方面的研究。E-mail:zhaomengyang20@mails.ucas.ac.cn

    杨 润(1999—),男,江苏南京人,博士研究生,主要从事空间引力波探测相位计、数字信号处理。方面的研究。E-mail:yangrun21@mails.ucas.ac.cn

    高瑞弘(1994—),男,辽宁大连人,博士,助理研究员,主要从事激光干涉测量、激光捕获跟瞄等方面的研究。E-mail:gaoruihong@imech.ac.cn

    董 鹏(1978—),男,北京市人,博士,高级工程师,硕士生导师,2011年于中国科学院紫金山天文台获得博士学位,主要从事空间激光干涉测量技术的研究。E-mail:dongpeng@ucas.ac.cn

    罗子人(1980—),男,湖南长沙人,博士,研究员,2010 年于中国科学院数学与系统科学研究院获得理学博士,现为中国科学院力学研究所研究员。太极计划首席科学家助理,主要从事引力波探测的空间激光干涉测距技术的理论分析和方案设计方面的研究。E-mail:luoziren@imech.ac.cn

  • 中图分类号: O439

Analysis and experimental verification of the influence of detector noise on the precision of spot center positioning

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 12305074)
More Information
  • 摘要:

    空间引力波探测需要利用激光捕获技术构建星间激光链路,光斑中心定位是激光捕获阶段中的核心测量技术。以太极计划为例,光斑中心定位精度要求优于0.1 pixel,并且由于传输距离较长,探测器表面的接收激光强度仅为100 pW量级,在低信噪比情况下大多数传统定位方法的精度受到很大影响,因此对探测器噪声如何影响光斑中心定位精度的研究至关重要。针对上述问题,本文首先说明了激光捕获指向技术的原理,然后理论分析了CMOS背景噪声影响光斑中心定位精度的机制,并介绍了一种改进的光斑中心定位算法。最后通过实验,测量了不同系统参数与CMOS背景噪声的耦合关系。实验结果与理论分析结果相符,验证了噪声模型的正确性,证明这种算法能在弱光情况下达到0.018 pixel的测量精度。

     

  • 图 1  CMOS表面光斑位置偏移示意图

    Figure 1.  Diagram of the offset of the laser spot on CMOS surface

    图 2  DWS技术原理图

    Figure 2.  Schematic diagram of the DWS technique

    图 3  实验系统框图

    Figure 3.  Block diagram of the experimental system

    图 4  控制器

    Figure 4.  Controller

    图 5  实验光路示意图

    Figure 5.  The optical system of the experiment

    图 6  S-330.2SL压电偏摆台实物示意图

    Figure 6.  Physical picture of the S-330.2SL

    图 7  干涉信号

    Figure 7.  Interference signal

    图 8  光学平台实物图

    Figure 8.  Physical picture of the optical platform

    图 9  实验中采集到的激光光斑图像

    Figure 9.  Laser spot image gathered in the experiment

    图 10  光斑y方向位置与θ的关系

    Figure 10.  The relationship between the spot position in the y direction and the angle θ

    图 11  光斑x方向位置与θ的关系

    Figure 11.  The relationship between the spot position in the x direction and the angle θ

    图 12  上下象限DWS信号与θ1的关系以及左右象限DWS信号与θ2的关系

    Figure 12.  The relationship between the up and down DWS signal and the angle θ1 and the relationship between the left and right DWS signal and the angle θ2

    图 13  光束夹角信息

    Figure 13.  The information of beam angle

    图 14  $ \mathrm{\Delta } $$ \mathrm{\Delta }{x}_{0} $的理论关系曲线和实验得到的$ d\mathrm{\Delta } $$ d\mathrm{\Delta }{x}_{0} $关系数据

    Figure 14.  The theoretical relationship curve between $ \mathrm{\Delta } $ and $ \mathrm{\Delta }{x}_{0} $ and the relationship data between $ d\mathrm{\Delta } $ and $ d\mathrm{\Delta }{x}_{0} $ obtained from the experiment

    图 15  $ \mathrm{\Delta } $$ n $的理论关系曲线和实验数据

    Figure 15.  The theoretical relationship curve between $ \mathrm{\Delta } $ and $ n $ and experimental data

    图 16  $ \mathrm{\Delta } $$ {N}_{s} $的理论关系曲线和实验数据

    Figure 16.  The theoretical relationship curve between $ \mathrm{\Delta } $ and $ {N}_{s} $ and experimental data

    表  1  SH640相机基本参数表

    Table  1.   Basic parameters of the SH640 camera

    参数 数值
    分辨率(n 640×512 pixel
    暗电流电子数期望(μ 1.5×105 e/s@25°C
    暗电流电子数标准差(σ 4.5×103 e/s@25°C
    像元尺寸(lg 15 μm
    光电转化效率(η 0.7 A/W@1064 nm
    下载: 导出CSV

    表  2  S-330.2SL压电偏摆台基本参数表

    Table  2.   Basic parameters of the S-330.2SL

    参数 指标
    转动方向θX,θY变化范围 2 mrad
    转动方向θX,θY分辨率 0.05 μrad
    转动方向θX,θY重复精度,10%偏摆角 0.15 μrad
    转动方向θX,θY重复精度,100%偏摆角 1.5 μrad
    下载: 导出CSV
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  • 网络出版日期:  2025-04-17

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