● 摘要
无人机编队飞行是无人机及其应用技术发展的一个新领域，通信与协同控制是无人机编队飞行中必不可少的关键技术。随着激光技术的飞速发展，大气激光通信、激光测距与定向技术已经日趋成熟，在无人机上搭载激光通信设备和激光测距机，可为其提供通信和协同控制的技术手段，从而实现无人机的编队飞行。本课题的目标是设计集激光通信、激光测距定向于一体的激光协同系统总体方案，验证系统总体设计方案的可行性，这将为系统进一步的详细设计奠定基础，也为系统的真正实现提供了保证。论文主要包括三个部分：无人机激光协同系统总体方案设计，捕获、跟踪与瞄准（ATP, Acquisition、Tracking and Pointing）子系统设计与仿真、光学系统设计及性能分析。在总体方案设计中，进行了信号发射/接收装置的器件选型、ATP子系统的设计、光学系统设计、激光测距方案设计。本文设计了一种与激光通信结合的新型激光测距方案，采用了高精度的时间数字转换器TDC-GP1，不仅可以降低电路设计难度，也提高了系统可靠性、灵活性和适用性。ATP子系统完成双端机光束的捕获、跟踪与瞄准，对整个通信链路的建立起着关键性作用，它直接决定着整个系统的工作效能。本系统采用了高分辨率的CCD探测器作为角度测量元件，通过光斑质心定位法进行测向，并采用由两步进电机驱动一反射镜构成的二维激光扫描系统实时调整发送方激光束出射方向来完成双端机光束对准。作者结合无人机飞行特性，进行了ATP子系统动态仿真实验，并对仿真结果进行了分析，验证了系统总体设计方案的可行性。光学系统用来实现光束的扩束和会聚，包括激光扩束镜和接收光学天线等部分。激光扩束镜对垂直腔面发射激光器（VSCEL, Vertical Cavity Surface Emitting Laser）发射光束进行扩束，压缩光束发散角，这不仅满足光束出射范围，同时又减少了光能量损失。接收光学天线采用了大相对孔径宽视场的广角物镜，最大限度的接收光信号，并将其会聚到相应的探测器表面，并进行了全视场畸变校正，可提高CCD测向精度。将激光通信与测距定向技术应用于飞行器，是其重要的发展方向之一。激光协同系统具有广泛的应用前景，本课题对无人机激光协同系统的工程实现具有重要的参考价值。