离轴天线在卫星激光通信系统中的应用

现有卫星激光通信终端通常采用同轴两反天线结构,该结构存在接收视场小、发射效率低等缺点。为消除同轴两反结构存在的固有缺陷,提高卫星激光通信系统的瞄准和捕获效率,研究了利用离轴三反结构提高卫星激光通信系统的性能。首先根据基本像差理论,推导得到离轴三反光学结构的初始结构方程。利用离轴结构具有更多设计参量的优势,对离轴三反结构进行优化设计,给出了设计实例。计算机仿真得到的光学传递函数、点列图、衍射包围圆能量和波前误差等均表明:离轴三反结构与同轴两反结构相比,具有更加优异的性能,能够满足卫星激光通信系统不断提升的性能要求。

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。

融合YOLOV5+DSST+KCF的目标检测跟踪算法在激光通信中的应用

在空间激光通信中,两通信设备实现激光通信需要经过粗瞄准与精瞄准的过程,而粗瞄准过程在大部分场景下需借助光学望远镜和信标激光等辅助实现,实施不易;针对在粗瞄准过程中如何快速、准确识别出激光通信设备,并辅助完成激光通信,提出将不同目标检测算法与长时跟踪KCF算法相结合;通过对比发现,YOLOV5+DSST+KCF(YDK)算法的平均帧率为12帧,在帧率满足系统要求情况下,YDK算法的响应峰值要比原KCF算法、HAAR+DSST+KCF(HDK)算法分别提高了43.5%、31.4%,且有效解决了目标尺度变化问题。

衍射光学元件在卫星激光通信终端中的潜在应用(英文)

卫星激光通信技术是目前通信技术领域的研究热点,而光学子系统的优化设计是其重要研究方向。主要介绍了利用衍射光学元件实现卫星激光通信终端的小型化、集成化和高效化。文中首先简要介绍卫星激光通信系统的基本原理,随后介绍了衍射光学元件在卫星激光通信终端中的各种可能应用,包括光束整形和分光,光学滤波,防反射镀膜,像差和热差补偿等。给出了一个包含衍射光学元件的激光通信终端光学系统优化设计实例,相应的数值仿真结果表明:衍射光学元件与传统光学元件相比,具有明显优势。

基于相位混合算法的衍射光学元件优化设计方法

在光束整形衍射光学元件的设计中,为提高目标衍射图样的重构精度,提出了一种基于相位混合的迭代算法。该算法采用复振幅每次迭代循环的初始相位与返回相位的加权和为驱动函数,并以每次循环开始和结束时的光强比较作为光束相位变换的判据。简单讨论了Gerchberg-Saxton(GS)算法的缺陷,并以高斯分布-均匀分布和高斯分布-环分布为例,对比了改进算法与GS算法的设计结果。计算机仿真结果表明,改进算法的极限收敛精度比GS算法高几个数量级,其能量利用率、顶部不均匀性等指标也均优于GS算法。该算法能获得重构精度较高的输出图样,对衍射光学元件的优化设计具体参考意义。

利用衍射锥镜降低卫星光通信探测器位置精度要求的方法

针对卫星光通信系统中接收系统对探测器位置的精度要求,提出利用扩大焦深范围的方法降低探测器的轴向位置精度要求。并根据接收光学天线存在中心遮挡的实际情况,采用切趾圆环对数型衍射光锥实现光束强度的轴向均匀分布。利用能量守恒法获得了衍射锥镜的位相分布函数和振幅透过率函数。计算机仿真结果表明,利用该光锥实现光强轴向均匀分布的能力远大于普通透镜,它将有效提升卫星光通信系统捕获、跟踪、通信性能的可靠性。

X射线脉冲星能谱模拟方法

为探索X射线脉冲星能谱特征对X射线脉冲星导航的作用,提出了一种模拟X射线脉冲星能谱的方法。该方法利用X射线管模拟X射线信号,并通过阳极高压控制X射线管出射能谱,根据不同阳极高压下X射线管出射谱特征,采用最小二乘法拟合得到阳极高压随时间的变化曲线,从而实现X射线脉冲星能谱的地面模拟。进行了相应的数学建模仿真,仿真结果证明了该方法的可行性。完成了地面模拟实验,实验结果表明,利用该方法模拟得到的X射线脉冲星能谱与真实能谱的相似度达到79%。此外,为完善模拟X射线脉冲星特性,在能谱模拟的基础上提出了X射线脉冲星能谱和流量同时模拟的方案。这些工作为将来在地面验证X射线探测器性能和导航算法提供了实验平台。

卫星光通信中空间辐射对EDFA性能的影响分析

由于光纤类器件对于辐射十分敏感,考虑到卫星光通信特定的辐射环境,要想采用地面已非常成熟的外调制技术,必须分析外调制技术中的核心器件EDFA在其中的可行性。采用60Co作为辐射源,国内首次对ED-FA及其内部重要组件隔离器和WDM耦合器进行了高剂量轨道和低剂量轨道辐照模拟实验,实验结果表明在总剂量为5krad的低剂量辐照情况下,EDFA在-2dBm的输入时,输出功率由辐照前的14.3dBm下降到14dBm,其它各组件的性能变化不是很大,可以直接使用,而在总剂量为1000krad的高剂量辐照情况下,输出功率下降到-25.3dBm,耦合器也产生了大约8dB的损耗,由于其性能下降明显,若在此种环境下使用,需考虑做空间辐射防护。

星地激光通信中地球背景辐射的抑制研究

研究了星地激光通信中地球背景辐射及其抑制技术。推导出了不同轨道处星上终端的地球背景辐射入瞳功率理论公式,提出了固有杂散辐射的概念,并对其作了理论推导。针对一个典型的终端对其地球背景辐射进行了理论计算,并设计了不同形式的遮光系统。最后利用光学仿真软件LightTools对不同轨道高度、不同遮光系统形式的星上终端的杂散辐射进行了仿真,得到了轨道高度以及遮光系统形式对杂散辐射的影响曲线,并对其作了分析。为星地激光通信中星上终端的地球背景辐射提供了理论依据,为星上终端的遮光系统设计提供了仿真依据。

一种提高卫星光通信终端发射效率的新方法

在采用同轴反射式光学天线的卫星光通信终端中,发射光束受天线次镜的遮挡,将损失部分能量。为消除次镜遮挡,提高光通信终端的发射效率,提出一种基于衍射光学元件的新方法。该方法利用衍射原理将光束整形为圆环光束,以规避次镜遮挡。按照遮挡比和切断比固定和变化这两类情况进行了仿真设计,前一类仿真结果表明:当遮挡比为15,切断比为1.5时,远场强度峰值提高了40%。后一类情况的仿真结果则表明:遮挡比越大,系统透过率和远场峰值强度越高,远场光束的主瓣宽度和强度峰值相对增量则分别变窄和变低;切断比越大,强度峰值的相对增量也越大。该方法提高了卫星光通信系统发射端的发射效率,同时也改善了接收端的光束质量。

大功率半导体激光器阵列光束整形新进展

大功率半导体激光器阵列(LDA)的应用日益广泛,但受其发光机制的限制,光束质量较差。为满足应用要求,必须对LDA光束进行整形处理。介绍了LDA光束整形的基本原理和关键技术,按照光束传播特性的不同,将整形技术分为两大类,即几何光学光束整形和衍射光学光束整形方法进行了阐述。在阐述典型例子的基础上,分析和比较了各种整形方法的优点和不足。

温度对空间光-单模光纤耦合的影响研究

环境的温度是影响运行于轨道中的光学天线系统性能的主要因素。当温度变化时,透镜和反射镜的曲率和镜组间隔会产生相应的变化,从而导致空间光-单模光纤耦合效率的下降。假设温度只改变天线系统焦距,而不改变光束成像质量,针对反射式光学天线,建立了温度影响空间光-单模光纤耦合效率的理论模型,并对其进行了理论仿真和实验研究。结果表明:实验和仿真结果相吻合,相对于理想情况下(离焦量为零),当温差增大2℃时,离焦量增大约52μm,耦合效率下降约10%。此研究结果可为光学天线温控精度的提出提供理论依据。