光纤耦合光学系统的单模耦合效率研究

单模耦合是光纤耦合光学系统中的关键技术,当前单模耦合过程中还存在一些难题,直接影响单模耦合结果,为了获得更优的单模耦合结果,对光纤耦合光学系统的单模耦合效率进行分析和研究。首先根据单模耦合原理设计了光纤耦合光学系统,并设计了发射端与接收端,然后构建光纤耦合光学系统的单模耦合模型。测试结果表明,设计系统的单模耦合模型优越性十分明显,耦合效率得到了明显提升,为相关光纤耦合光学系统提供了有价值的参考意见。

卫星平台振动对星间激光链路的影响和解决方案

分析了振动对卫星光通信的影响以及卫星平台振动产生原因和特点,找出了卫星平台振动规律。针对振动对卫星光通信系统影响问题,定义了补偿因子以描述补偿效果;对于影响较大的低频振动情况,设计并建立了模拟振动补偿系统。实验结果表明,采用前馈补偿技术的模拟振动补偿系统对于10Hz低频振动的补偿效果显著,补偿大约80%的振动。

自由空间光通信ATP系统中精瞄偏转镜的设计

二维精瞄偏转镜是自由空间光通信中捕获、跟踪和瞄准(ATP)系统的关键组成部分,对偏转镜进行了机构设计和有限元模态分析,偏转镜采用压电陶瓷驱动器驱动,采用柔性铰链传动。研制了集驱动、检测、主控模块为一体的数字式精密定位控制器,在实验室构建了两套测试系统,对偏转镜的频率和静态性能进行了测试,并着重介绍了频率的两种测量方法及其优缺点分析。仿真和测试结果表明,偏转镜的频率约为1.5 kHz,转角范围约为±2 mrad,精度约为1μrad,分辨率约为0.1μrad。

低信噪比大频偏空间光信号的频率捕获研究

卫星相干光通信系统信号解调过程中,卫星相对运动会导致接收的信号光产生GHz量级的多普勒频移,信号光的远距离传输导致光信噪比极低,传统方法无法在低信噪比下补偿大范围多普勒频移,严重影响通信系统的能力。针对上述问题,本文提出了一种两段式频率捕获算法,该算法包含自动扫频和锁频控制两个阶段。自动扫频阶段通过本振光自动频率扫描将频差缩小至100 MHz量级;锁频控制阶段通过高精度的本振光频率控制与FFT变换,在低信噪比下继续缩小频差至MHz量级。仿真验证结果表明:该算法可在2 dB信噪比下补偿大动态范围的10 GHz范围多普勒频差,满足卫星相干光通信解调需求。

卫星光通信复合轴跟瞄控制方法研究

提出了用复合轴瞄准控制方法实现卫星光通信跟瞄控制 ,以提高卫星光通信中跟瞄系统的性能。提出了粗瞄和精瞄系统的模型 ,并分别设计了控制器。在此基础上 ,建立了一套跟瞄控制模拟系统。结果表明 ,所设计制作的跟瞄模拟系统在跟踪的匀角速率运动时的最大跟踪角度偏差仅为 14 μrad。

潜望镜式卫星光通信终端的CCD粗跟踪

由于轻小型卫星光通信系统中潜望镜的光学结构随粗瞄机构姿态变化而发生改变,使得相应的跟踪算法变得较为复杂,本文对潜望镜式星间激光通信终端粗跟踪算法进行研究以提高粗瞄机构的跟踪精度。利用矩阵光学方法,建立了潜望镜式光通信终端中光学器件的矩阵模型,在获得CCD测角模型后,推导了基于CCD测角的粗瞄装置自动跟踪算法模型,实现了潜望镜式光通信终端粗瞄装置对目标光束的快速跟踪,并对模型进行了相应的实验验证。实验结果表明,该CCD测角跟踪模型正确地反应了实际终端中的光学传递关系,能够正确地对CCD图像位置信号进行处理并获得稳定跟踪角度,平均跟踪精度优于10μrad,满足卫星激光通信中稳定可靠、高精度粗跟踪的要求。本文提出的方法对类似的光学系统具有借鉴意义。

CMOS图像传感器的辐射实验

为了考察商用CMOS图像传感器应用于空间的可行性,对进行了空间辐射环境模拟实验研究。实验采用60Co-γ辐射源模拟空间辐射环境,辐射最大剂量为5×104rad(Si),辐射速率为1 Gy/s。在辐照时,根据实验需要在CMOS两端加偏置电压或不加偏置电压,并采用在线和离线测量相结合的方法。实验结果表明:辐射初期各项性能指标变化不大,均匀度不变,暗电流略有增加,辐射停止一段时间后,性能下降较为明显,但经过较长时间退火后,性能渐趋稳定,且有一定恢复。研究表明:在采取一定防护措施后,商用CMOS像传感器可以应用在空间辐射环境中。

星间激光链路数据中继技术研究进展

基于高性能激光链路构建高速安全的数据中继卫星系统可为不同轨道、不同功能的对地观测卫星和用户航天器提供大容量、无缝隙的数据中继服务,在军事和民用领域均具有广泛的应用前景。以欧洲为代表的发达国家相继开展了星间激光链路数据中继技术的理论研究和星上演示验证,并启动了相应的工程验证计划。综述了国内外星间激光链路数据中继技术的研究现状,对几种典型激光链路数据中继卫星系统,着重研究了系统结构、激光终端及模拟验证实验。最后,分析了数据中继卫星激光链路组网中着重关注的几个方向。

CMOS图像传感器电子辐照实验的研究

研究了电子辐射剂量对CMOS图像传感器性能的影响,性能参数为平均暗电流输出和光强响应度。搭建了电子辐射场和光强响应度的测量系统,在器件处于工作状态和非工作状态下分别对其辐射,辐射剂量为:5×103 rad、1×104 rad、7×104 rad、1×105 rad、5×105 rad。对于暗电流,当辐射总剂量超过7×104rad^1×105rad之间的某一个阈值时,暗电流随着辐射剂量的增长基本呈线性增加;光强响应方面,当器件处于非工作状态接受辐射时,辐射剂量对光强响应影响不大;当器件处于工作状态接受辐射时,辐射剂量超过7×104 rad,光强响应曲线会下移,斜率减小,灵敏度降低。理论分析后,得到了暗电流随电子辐射剂量的变化模型。研究表明:长期工作于空间环境下的CMOS图像传感器,容易受到辐射总剂量效应的影响,需采取一定的防辐射措施。

温度对潜望式激光通信终端SiC反射镜性能影响

分析了温度梯度和均匀温度对潜望式激光通信终端反射镜形变的影响,利用椭圆域上的Zerni-ke多项式对椭圆反射镜的波前进行拟合,计算由于热形变导致的波前畸变误差,给出了星间激光通信终端反射镜均方根值、发射光束瞄准误差、接收端光强随温度梯度和均匀温度的变化关系。结果表明:温度梯度对反射镜的影响只是引起峰值光强的漂移和少许下降,当温度梯度为14℃/m时瞄准误差达2.1μrad。均匀温度会引起接收端的光强分布变化,从而导致很大的瞄准误差和光强衰减,当均匀温度与参考温度的差值小于0.6℃时,由波前畸变误差引起的瞄准误差小于1μrad,当差值大于0.6℃时,瞄准误差突然增大到几μrad,接收端光强分布发生变化,此时反射镜热形变引起的像散项对光强分布起重要作用。

空间激光通信技术发展趋势分析

空间激光通信作为一种先进的通信手段,近年来发展迅速。重点分析了国际上空间激光通信技术的发展新动向,试图对国内开展相关研究提供参考和借鉴。

国内外空间光通信技术发展及趋势研究

全面介绍了国内外卫星光通信技术的发展、研究状况及卫星光通信技术系统的组成和主要关键技术,分析了卫星光通信相对于卫星微波通信的优点,最后对卫星激光通信的前景进行了综述。

深空光通信链路特性分析及功率预算

深空光通信链路距离非常远,要求功率预算非常严格。影响通信链路特性的因素很多,功率预算往往需要很复杂的折中考虑。重点分析了链路距离、光学天线直径、光束发散角、大气信道损耗、光学系统损耗、探测器灵敏度等因素对链路方程、探测器信噪比和通信误码率的影响。提出了结合链路方程、信噪比和误码率对发射功率进行预算的新方法。开展了7 km地面间光通信室外演示验证实验,对大气信道损耗、光学系统损耗等进行了测试;开展了光束发散角、探测器灵敏度的室内测试实验。实验结果和理论分析基本吻合,表明该预算方法具有应用于深空光通信的可行性。

卡塞格伦光学天线杂散光分析与测试

从能量传递及光学天线出瞳允许的杂散光亮度出发,推导得出了杂散光控制指标要求.提出两种消除一次杂光方案.方案一是在主、次镜上设置遮光罩,方案二是设置主镜遮光罩并在出瞳附近设置利奥光阑.理论分析表明方案一因设置次镜遮光罩而增加遮拦比,方案二因在出瞳附近设置利奥光阑而产生渐晕,由于光学天线对发射/接收效率指标要求很高,因此在设计时需兼顾能量.针对某卡塞格伦光学天线仿真分析了两种方案的接收/发射效率和杂散光抑制效果,发现方案二的发射效率和杂散光抑制能力优于方案一,只是边视场的接收效率略低.最终选用方案二作为原理样机的杂散光抑制方案,对其进行杂散光测试,测试结果为：视场外1°~20°系统实测消光比小于-40dB,满足杂散光指标要求.

卫星光通信光学天线轴间距的精确调试

卫星光通信系统的光学天线由物镜和目镜构成,两者在光轴方向的间距对系统的发射和接收性能有重要影响。轴间距通常由干涉仪确定,但干涉仪与光学天线的工作波长不同时会引起镜头组焦距变化,导致物镜和目镜的轴间距存在偏差。为了能利用单波长干涉仪精确调试物镜和目镜的轴间距,本文根据光学天线在干涉测量装置中的程函方程,研究了因波长差异引起的物镜和目镜的轴间距变化量与干涉条纹变化量的相应关系,并据此提出一种能精确调试光学天线物目镜轴间距的方法。提出了几种检验该方法有效性的验证方案,包括实验验证和计算机仿真验证两大类。基于计算机仿真的验证结果表明,卡塞格伦反射式光学天线和透射式光学天线轴间距模拟调试误差分别<15%和<3%,仿真误差满足使用要求。

强湍流下并行中继自由空间光通信的中断分析

在大气强湍流条件下,对并行中继自由空间光通信系统的中断概率进行了研究。考虑大气衰减、大气湍流和指向误差对自由空间光通信系统传输性能的影响,建立了自由空间光通信系统的复合信道模型。基于此信道模型,推导了并行中继自由空间光通信系统端到端中断概率的解析表达式。最后,通过计算机仿真分析了发送功率、指向误差及通信距离对通信系统中断概率的影响。仿真结果表明,并行中继传输技术可以有效提高自由空间光通信系统的中断性能。此外,所推导中断概率的解析表达式可准确地评估并行中继自由空间光通信系统的传输性能,为未来自由空间光通信系统的设计提供理论依据。

承载式激光通信光学天线

在保证"一对多"激光通信终端光学天线的成像质量前提下,为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题,提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计,保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析,结果表明:整机一阶模态151.54 Hz;光学天线前端可承载8.5 kg,后端面可承载13 kg;径向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS值(均方根误差)为λ/158、PV值(最大峰谷误差)λ/30,次镜最大倾角1.88″;在(20±5)℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下,主镜面形精度RMS为λ/65、PV为λ/14,次镜最大倾角1.21″,该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量,可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置,使用ZYGO干涉仪进行测试,结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下,系统波相差RMS值优于λ/15的指标要求。

卫星光通信中耦合运动对光信号跟踪影响分析

光通信终端与卫星平台的耦合运动是影响卫星光通信系统光信号跟踪性能的重要因素。以铱星系统星间链路为例,建立了卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动的数学模型,并进行了数值仿真。理论分析及仿真结果表明:卫星光通信终端与卫星平台相互耦合运动使系统粗跟踪误差增大,方位轴、俯仰轴最大误差分别为94μrad和98μrad,超过精瞄系统补偿范围。为确保星间激光链路通信性能,提出了光束粗跟踪控制补偿算法,并进行了相应的仿真实验,仿真结果表明:补偿后的控制算法将方位轴、俯仰轴最大跟踪误差降低为37μrad和41μrad,符合精瞄系统补偿要求,保证了系统跟踪性能。该结果对今后小卫星星座激光组网具有一定的指导意义。

卫星光通信终端二维转台运动参量对天线指向影响研究

二维转台与卫星平台间的耦合运动,是影响卫星光通信终端天线指向控制的重要因素。在耦合动力学模型基础上,研究了二维转台不同运动参量对光通信终端天线指向偏差的影响。分析结果表明:在耦合动力学环境下,光束指向偏差随二维转台转动成规律性变化;当方位轴、俯仰轴转角θh、θv分别为(π,0)、(-π,0)时,指向偏差出现最大值;随二维转台转动时间的增加,天线指向偏差略有增加,转动时间由10s增加到1000s时增幅仅为1%。其结果为补偿耦合运动影响,保证天线指向控制精度,提高卫星光通信终端星上应用的稳定性打下基础。

星间光链路(OISLs)中捕获系统分析及仿真

星间光链路 (OISL s)是极具前景的星间通信手段 ,捕获是星间光链路建立的关键技术之一。本文对 OISLs中捕获系统的设计要点进行说明 ,重点对捕获系统的捕获概率、捕获时间以及捕获链路进行数学分析 。