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【普爱纳米】用于外太空/自由空间光通信的快速转向镜

时间:2021-07-16 17:17:03来源:普爱纳米位移技术(上海)有限公司

导语:​尽管光线条件不佳依然可以拍摄清晰的照片,拍摄快照而不模糊,识别交通标志和道路标记,或利用特定系统识别危险情况-所有这一切如今都可以借助于现代相机而得以实现。然而相机或智能手机的静态和视频图像质量究竟如何?并且与其他供应商的型号相比又如何呢?

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  尽管光线条件不佳依然可以拍摄清晰的照片,拍摄快照而不模糊,识别交通标志和道路标记,或利用特定系统识别危险情况-所有这一切如今都可以借助于现代相机而得以实现。然而相机或智能手机的静态和视频图像质量究竟如何?并且与其他供应商的型号相比又如何呢?

  最终用户、智能手机和相机制造商、汽车或航空航天、医疗与安全或自动化技术领域的公司-他们都对静态和视频图像的质量提出了较高的要求,并积极寻求这些问题的答案。 DxOMark Image Labs公司直面这些问题并寻求提供解决之道。该公司为客户提供咨询服务和完整的图像质量测试实验室解决方案。此类解决方案由硬件、软件和测试协议组成,并且可确保可重复的、与操作人员无关的结果。DxOMark Image Labs市场营销副总裁Nicolas Touchard在接受PI Karlsruhe的采访中,介绍了评估静态和视频图像质量的方法以及如何在图像稳定技术的测试中使用PI六足位移台。

  卫星通信是否滞后?

  推动20世纪90年代后期第一次光子学繁荣的举措是以跨越海洋和大陆的长途光缆取代基于射频(RF)信号的昂贵、滞后且受限的卫星通信链路。上了一定年龄的读者可能会记得长途电话不仅费钱而且恼人的日子:在呼叫者的讲话与向被呼叫者的传送之间通常存在明显的停顿,反之亦然。这是因为呼叫是通过卫星按路线传送的,而1962年的Telstar1等地球同步卫星距离过远,因此很容易感知到从地球基站到卫星再返回的中转时间。容量有限,每分钟定价很高,而且我们所回忆起的数据速率可能真正处于石器时代。

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紧凑型、音圈驱动、柔性铰链导向的快速转向镜。(来源:PI)

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  演示:基于压电陶瓷的双轴快速转向镜(S-335型号)将激光束引导至8x8的光纤矩阵中,从而展示自由空间光通信中光束控制所需的机械基础。

  光纤网络

  环绕地球的光缆布线迅速以我们今天享受的大容量高速全球网络取代了之前脆弱且有问题的链路。这是部署互联网的真正关键推手:除此之外,基于光子学的物理蜘蛛网同样是为您带来本文的万维网的基础并使之成功落地。从某种意义上说,我们今天看到了实现地球的全球通信基础设施全覆盖这一奇迹的第一缕曙光:新一代通信节点的庞大天基网络的实施。这些节点由数以千计部署的小型卫星组成,以环绕整个地球。它们不仅链接到地面站,而且相互链接,因此有望将数据快速高效地从地球上的任何一点传送到任何其他点。我们的愿景是为每辆汽车、每一个实体基础设施、每一个集装箱和拖拉机牵引拖车装备,甚至每头牛提供连接性,以实现一系列梦幻般的应用。

  自由空间光通信与射频(RF)通信

  由于带宽有限以及射频信号缺乏精密的聚焦能力,已经开发出基于激光束的作为传统卫星通信补充的光通信。光通信不仅提供更高的吞吐量,而且能耗更低(卫星无法接入电网)。此外,光通信具有更高的安全性,因为光信号高度集中,不易被窃听,并且直接传输降低了干扰的风险,而这种现象在射频波段内非常普遍。

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夏威夷航天飞行实验室进行的CubeADCS实验(采用PIglide HB球面空气轴承)

  卫星间链路是通过蛛丝激光束实现的,每颗卫星均跟踪并链接到其相邻卫星。该领域的领军者之一是SpaceX,其配备激光的卫星,创始人埃隆·马斯克在社交媒体上证实,以单个有效载荷发射的142颗卫星包括实施公司的卫星间激光链路1 2。复杂的链路拓扑已简化为YouTube上的视频3,感兴趣的读者可以在社交媒体4上找到许多资源来探索有效的方法。其他参与者包括Amazon、Momentus、Fraunhofer IOF、Arribada Initiative、Outernet以及Lacuna Space。谷歌的气球运载项目Loon5采用以宽带覆盖地球的亚轨道方法,而Facebook取消了基于无人机的Aquila项目。这些项目还采用了基于激光的互连方法。重要的是,直接互连可避免阻碍广播方法推进应用的频谱拥挤问题,以及令人烦恼的监管限制和延迟。

  外太空光通信(DSOC)

  美国航空航天局表示,“未来的人类和机器人外太空探险必须以最快速、最高效的方式与地球上的任务管理人员进行沟通。”其目标是提供高清视频流以及必要的运行参数,这是穿越太阳系遥远距离时作出关键任务决策所必需的。激光通信的目标是在不增加尺寸或功耗的前提下将数据速率提高到当前速率的100倍。然而,尽管激光可以承载比射频传输更多的信息,甚至比基于毫米波长的下一代6G太赫兹移动通信标准所能承载的还要多,但其传播速度受相同的物理定律约束,这意味着与太阳系末端的实时通信是一个相对的概念,因此需要板载人工智能才能快速作出决策。有关NASA和DSOC的更多信息。

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  地球上的无光纤光子学

  回到地球上,正在重新启动使用“无光纤光子学”配置点对点联网的相关方法。地面自由空间光通信的首次商业尝试是在20世纪90年代后期的光子学热潮中进行的,由Terabeam、Optical Crossing、AirFiber和朗讯的OpticAir等创新者推动。遗憾的是,在可预见的未来通过铺设“暗光纤”来满足最终业务开通的容量需求之后,当时由长途电信这一单一应用推动的光子学繁荣进入了沉寂期,因此这些企业遭受了与许多其他企业同样的命运。那些日子已不复返了。从社交网络到流媒体,从个人化医疗到物联网,从工业4.0到自动驾驶车辆,通信行业已经意识到由大量应用驱动的数据需求呈指数增长。尽管该行业在2002年之后的十年间暂时遭遇了阵痛,但自由空间光通信背后的原理依然有效,这从根本上类似于可追溯到18世纪7的光学电报(尽管速度当然要快得多):信息在从一个地面位置传送到另一个地面位置时以光闪烁的方式编码。这为在不同位置之间快速配置安全、专用的光子互连提供了巨大的潜力,例如在拥挤的城市中从建筑物到建筑物,或者是更广泛网络的“最后一英里”。二十年前,此类互连需要大幅扩展的光束—孔径通常为200毫米量级的望远镜—既是为了针对鸟儿偶尔遮断光束的容错性,也是为了人眼安全。今天,新一波的创新者正在利用这个时代更先进的纠错算法和更高效的电子器件来实现成本更低但速度更快的实施。新加坡的Transcelestial就是一个例子,其提供吞吐量高达10吉比特每秒的紧凑型杆装收发器。

  为什么选择快速转向镜?

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S-331超高动态压电陶瓷偏摆转向镜平台

  由于激光束的发散度较低,因此必须寻求准确的对准解决方案,以在卫星到卫星链路、地面到卫星或外太空通信中覆盖的遥远距离内保持光束准确对准目标。除了可以通过卫星姿态系统实现的粗略转向系统外,还需要高速精细转向系统来应对来自卫星的振动(例如稳定系统)。

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  采用差动压电陶瓷(PZT)促动(推/拉)的快速转向镜的基本设计。优点之一是角度对温度变化不敏感。(来源:PI)

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  不同负载下长焦S-335.2SH快速压电陶瓷转向镜的谐振频率:1英寸反射镜,½英寸反射镜,空载。S-331等装置具有更高的工作频率,但角度范围更小。(来源:PI)

  在地球到卫星的通信中,大气湍流是另一个可能导致光束偏离其原始路径的因素。在接收端,激光束被耦合到单模光纤中,这需要非常高的精度以避免光功率损失。压电或电磁快速转向镜(FSM)可以提供低至纳弧度范围的角度分辨率以及高达kHz范围的机械带宽。反射镜结构紧凑、快速且准确,因此足以应对这些应用中的常见干扰。尽管压电陶瓷驱动式FSM可提供更高的分辨率和带宽,但电磁单元(通常是音圈驱动式FSM)可实现更大的转向角度。自20世纪90年代以来,PI的快速转向镜技术已应用于地面和天基测试与实施。PI的解决方案提供基于压电或电磁驱动的高效快速设计,包括各种公开可用的现成产品和保密的定制产品,未来还会推出更多。


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