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          技術頻道

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          【普愛納米】用于外太空/自由空間光通信的快速轉向鏡

          時間:2021-07-16 17:17:03來源:普愛納米位移技術(上海)有限公司

          導語:?盡管光線條件不佳依然可以拍攝清晰的照片,拍攝快照而不模糊,識別交通標志和道路標記,或利用特定系統識別危險情況-所有這一切如今都可以借助于現代相機而得以實現。然而相機或智能手機的靜態和視頻圖像質量究竟如何?并且與其他供應商的型號相比又如何呢?

          普愛納米

            盡管光線條件不佳依然可以拍攝清晰的照片,拍攝快照而不模糊,識別交通標志和道路標記,或利用特定系統識別危險情況-所有這一切如今都可以借助于現代相機而得以實現。然而相機或智能手機的靜態和視頻圖像質量究竟如何?并且與其他供應商的型號相比又如何呢?

            最終用戶、智能手機和相機制造商、汽車或航空航天、醫療與安全或自動化技術領域的公司-他們都對靜態和視頻圖像的質量提出了較高的要求,并積極尋求這些問題的答案。 DxOMark Image Labs公司直面這些問題并尋求提供解決之道。該公司為客戶提供咨詢服務和完整的圖像質量測試實驗室解決方案。此類解決方案由硬件、軟件和測試協議組成,并且可確?芍貜偷、與操作人員無關的結果。DxOMark Image Labs市場營銷副總裁Nicolas Touchard在接受PI Karlsruhe的采訪中,介紹了評估靜態和視頻圖像質量的方法以及如何在圖像穩定技術的測試中使用PI六足位移臺。

            衛星通信是否滯后?

            推動20世紀90年代后期第一次光子學繁榮的舉措是以跨越海洋和大陸的長途光纜取代基于射頻(RF)信號的昂貴、滯后且受限的衛星通信鏈路。上了一定年齡的讀者可能會記得長途電話不僅費錢而且惱人的日子:在呼叫者的講話與向被呼叫者的傳送之間通常存在明顯的停頓,反之亦然。這是因為呼叫是通過衛星按路線傳送的,而1962年的Telstar1等地球同步衛星距離過遠,因此很容易感知到從地球基站到衛星再返回的中轉時間。容量有限,每分鐘定價很高,而且我們所回憶起的數據速率可能真正處于石器時代。

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          緊湊型、音圈驅動、柔性鉸鏈導向的快速轉向鏡。(來源:PI)

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            演示:基于壓電陶瓷的雙軸快速轉向鏡(S-335型號)將激光束引導至8x8的光纖矩陣中,從而展示自由空間光通信中光束控制所需的機械基礎。

            光纖網絡

            環繞地球的光纜布線迅速以我們今天享受的大容量高速全球網絡取代了之前脆弱且有問題的鏈路。這是部署互聯網的真正關鍵推手:除此之外,基于光子學的物理蜘蛛網同樣是為您帶來本文的萬維網的基礎并使之成功落地。從某種意義上說,我們今天看到了實現地球的全球通信基礎設施全覆蓋這一奇跡的第一縷曙光:新一代通信節點的龐大天基網絡的實施。這些節點由數以千計部署的小型衛星組成,以環繞整個地球。它們不僅鏈接到地面站,而且相互鏈接,因此有望將數據快速高效地從地球上的任何一點傳送到任何其他點。我們的愿景是為每輛汽車、每一個實體基礎設施、每一個集裝箱和拖拉機牽引拖車裝備,甚至每頭牛提供連接性,以實現一系列夢幻般的應用。

            自由空間光通信與射頻(RF)通信

            由于帶寬有限以及射頻信號缺乏精密的聚焦能力,已經開發出基于激光束的作為傳統衛星通信補充的光通信。光通信不僅提供更高的吞吐量,而且能耗更低(衛星無法接入電網)。此外,光通信具有更高的安全性,因為光信號高度集中,不易被竊聽,并且直接傳輸降低了干擾的風險,而這種現象在射頻波段內非常普遍。

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          夏威夷航天飛行實驗室進行的CubeADCS實驗(采用PIglide HB球面空氣軸承)

            衛星間鏈路是通過蛛絲激光束實現的,每顆衛星均跟蹤并鏈接到其相鄰衛星。該領域的領軍者之一是SpaceX,其配備激光的衛星,創始人埃隆·馬斯克在社交媒體上證實,以單個有效載荷發射的142顆衛星包括實施公司的衛星間激光鏈路1 2。復雜的鏈路拓撲已簡化為YouTube上的視頻3,感興趣的讀者可以在社交媒體4上找到許多資源來探索有效的方法。其他參與者包括Amazon、Momentus、Fraunhofer IOF、Arribada Initiative、Outernet以及Lacuna Space。谷歌的氣球運載項目Loon5采用以寬帶覆蓋地球的亞軌道方法,而Facebook取消了基于無人機的Aquila項目。這些項目還采用了基于激光的互連方法。重要的是,直接互連可避免阻礙廣播方法推進應用的頻譜擁擠問題,以及令人煩惱的監管限制和延遲。

            外太空光通信(DSOC)

            美國航空航天局表示,“未來的人類和機器人外太空探險必須以最快速、最高效的方式與地球上的任務管理人員進行溝通!逼淠繕耸翘峁└咔逡曨l流以及必要的運行參數,這是穿越太陽系遙遠距離時作出關鍵任務決策所必需的。激光通信的目標是在不增加尺寸或功耗的前提下將數據速率提高到當前速率的100倍。然而,盡管激光可以承載比射頻傳輸更多的信息,甚至比基于毫米波長的下一代6G太赫茲移動通信標準所能承載的還要多,但其傳播速度受相同的物理定律約束,這意味著與太陽系末端的實時通信是一個相對的概念,因此需要板載人工智能才能快速作出決策。有關NASA和DSOC的更多信息。

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            地球上的無光纖光子學

            回到地球上,正在重新啟動使用“無光纖光子學”配置點對點聯網的相關方法。地面自由空間光通信的首次商業嘗試是在20世紀90年代后期的光子學熱潮中進行的,由Terabeam、Optical Crossing、AirFiber和朗訊的OpticAir等創新者推動。遺憾的是,在可預見的未來通過鋪設“暗光纖”來滿足最終業務開通的容量需求之后,當時由長途電信這一單一應用推動的光子學繁榮進入了沉寂期,因此這些企業遭受了與許多其他企業同樣的命運。那些日子已不復返了。從社交網絡到流媒體,從個人化醫療到物聯網,從工業4.0到自動駕駛車輛,通信行業已經意識到由大量應用驅動的數據需求呈指數增長。盡管該行業在2002年之后的十年間暫時遭遇了陣痛,但自由空間光通信背后的原理依然有效,這從根本上類似于可追溯到18世紀7的光學電報(盡管速度當然要快得多):信息在從一個地面位置傳送到另一個地面位置時以光閃爍的方式編碼。這為在不同位置之間快速配置安全、專用的光子互連提供了巨大的潛力,例如在擁擠的城市中從建筑物到建筑物,或者是更廣泛網絡的“最后一英里”。二十年前,此類互連需要大幅擴展的光束—孔徑通常為200毫米量級的望遠鏡—既是為了針對鳥兒偶爾遮斷光束的容錯性,也是為了人眼安全。今天,新一波的創新者正在利用這個時代更先進的糾錯算法和更高效的電子器件來實現成本更低但速度更快的實施。新加坡的Transcelestial就是一個例子,其提供吞吐量高達10吉比特每秒的緊湊型桿裝收發器。

            為什么選擇快速轉向鏡?

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          S-331超高動態壓電陶瓷偏擺轉向鏡平臺

            由于激光束的發散度較低,因此必須尋求準確的對準解決方案,以在衛星到衛星鏈路、地面到衛星或外太空通信中覆蓋的遙遠距離內保持光束準確對準目標。除了可以通過衛星姿態系統實現的粗略轉向系統外,還需要高速精細轉向系統來應對來自衛星的振動(例如穩定系統)。

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            采用差動壓電陶瓷(PZT)促動(推/拉)的快速轉向鏡的基本設計。優點之一是角度對溫度變化不敏感。(來源:PI)

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            不同負載下長焦S-335.2SH快速壓電陶瓷轉向鏡的諧振頻率:1英寸反射鏡,?英寸反射鏡,空載。S-331等裝置具有更高的工作頻率,但角度范圍更小。(來源:PI)

            在地球到衛星的通信中,大氣湍流是另一個可能導致光束偏離其原始路徑的因素。在接收端,激光束被耦合到單模光纖中,這需要非常高的精度以避免光功率損失。壓電或電磁快速轉向鏡(FSM)可以提供低至納弧度范圍的角度分辨率以及高達kHz范圍的機械帶寬。反射鏡結構緊湊、快速且準確,因此足以應對這些應用中的常見干擾。盡管壓電陶瓷驅動式FSM可提供更高的分辨率和帶寬,但電磁單元(通常是音圈驅動式FSM)可實現更大的轉向角度。自20世紀90年代以來,PI的快速轉向鏡技術已應用于地面和天基測試與實施。PI的解決方案提供基于壓電或電磁驅動的高效快速設計,包括各種公開可用的現成產品和保密的定制產品,未來還會推出更多。


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