空间激光通信最新进展与发展趋势

空间激光通信凭借其带宽优势,成为未来高速空间通信不可或缺的有效手段,是近年来国际上的研究热点。本文详细介绍了美国、欧洲和日本在空间激光通信技术领域的最新研究进展和未来发展规划,总结了国内外空间激光通信演示计划的主要参数指标。通过对空间激光通信最新研究计划的分析,归纳出空间激光通信高速化、深空化、集成化、网络化、一体化5个发展趋势,以及需要突破的高阶调制、高灵敏度探测、多制式兼容、"一对多"通信等关键技术。为我国激光通信设备及相关研究提供借鉴和参考。

利用位置式数字PID算法提高DFB激光器驱动电源稳定性

由于分布反馈式(DFB)激光器输出光功率受其激射电流的影响,为了保证其稳定的光功率输出,研制了基于位移式数字PID算法的高稳定性DFB激光器驱动电源。在硬件设计方面,该驱动电源主要由控制器模块、恒流源模块和保护电路模块组成。采用模拟PI深度负反馈环节有效地提高了驱动电流的稳定性。在软件方面,采用位置式数字PID算法,消除了实际驱动电流值与理论值之间的微小差异。利用该驱动电源,对中心波长为1 563.01 nm的DFB激光器做了驱动测试。实验表明,长期稳定性(>220 h)优于4×10-5,中心波长未出现漂移,为其在红外气体检测中提供了优越性能保障。

卫星激光通信发展现状与趋势分析(特邀)

卫星激光通信凭借其宽带宽以及无电磁频谱约束等特点,成为解决卫星微波通信带宽瓶颈和缓减卫星频谱资源紧张,实现卫星高速通信的有效手段。本文介绍了卫星激光通信的系统组成及特点,分析了国内外卫星激光通信技术领域的发展脉络、最新研究进展和未来发展规划。结合未来空间网络与深空探测需求,从高速化、深空化、集成化、网络化、全光化五个方面总结了未来发展趋势,并对未来涉及的关键技术进行了讨论,为我国卫星激光通信技术研究提供借鉴和参考。

AOTF光谱相机前置变焦光学系统设计

基于声光可调谐(AOTF)光谱相机的技术指标和性能要求,采用机械正组补偿方式,实现了10×可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程,并用Zemax光学软件进行设计,对设计结果进行了像质评价和像差分析,并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明:该系统在0.38μm^0.7μm波段实现了30mm^300mm连续变焦,在空间频率50lp/mm处调制传递函数(MTF)值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段,具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点,能够满足光谱相机的成像要求。

摄远型红外8～12μm波段消热差物镜设计

介绍了一种摄远型长波红外消热差物镜的设计方法。将摄远物镜模型与消热差模型相结合，推导出之间的光焦度分配关系，并将二者统一起来，直接得到摄远型消热差物镜的光焦度分配关系式。首先，根据摄远物镜的设计方法进行物镜的设计，在满足远摄比的情况下结合像差理论合理选择最优的前组和后组光焦度解；然后采用光学被动消热差方法，进行消热差设计，选择材料组合，分配组元内部各透镜的光焦度；最后利用计算机辅助软件进行像差校正。为了验证该方案的可行性，设计了一个工作于8~12μm，焦距100 mm，F数为2.0，全视场角为6＆#176;，远摄比达到0.8的长波红外消热差光学系统。在-40~60℃温度范围内，成像质量稳定，调制传递函数（MTF）接近衍射极限，并且体积小、结构简单，质量轻。所设计系统优化后的光焦度分配值和初始计算值非常接近。

星载空间激光通信系统设计与实现

空间激光通信系统具有传输速率高、体积小、质量轻、功耗低等特点,非常适用于卫星高速数据传输,可有效解决传统卫星微波通信速率瓶颈问题。近年来国内外研究机构对空间激光通信技术进行了大量的研发,并部署了一系列在轨验证计划。基于西安光机所自主研发的DPSK卫星激光通信系统,从光通信机、PAT主机及电控箱两个方面进行了详细介绍,系统通信波长1550 nm波段、通信速率5 Gbit/s、口径100 mm、跟踪精度小于3.12μrad(3σ)、误码率优于3×10^-7@-44 dBm(不含纠错编码),并通过了力学、热学空间环境适应性试验,满足在轨运行要求。

用于目标跟踪/识别中红外AOTF光谱相机光学系统的设计与优化

为获得红外目标的空间信息和光谱信息,设计了一种用于中波红外声光可调谐光谱相机的光学系统.设计中引入折/衍射混合透镜,在用6片透镜的情况下达到了12×变倍,在长焦处时能识别2 000m远的目标.采用ZEMAX光学设计软件模拟声光晶体的衍射,在晶体出射面上优化设计了4°的楔角,使-1级衍射光能共轴出射.该光学系统在空间频率17lp/mm处调制传递函数值最大达到0.7,能量集中度大于90%,能够满足光谱相机用于识别/跟踪目标的要求.

中红外AOTF前置光谱相机折/衍射混合变焦光学系统

设计了基于AOTF器件的中波红外光谱相机前置变焦系统，针对AOTF器件和探测器的特性，系统采用折/衍射混合设计，用6片透镜即实现了25~300 mm连续12×变焦，并用ZEMAX软件对则汇集结果进行优化和像质评价。结果表明，该光学系统各个波段上在空间频率14 lp/mm处调制传递函数（MTF）值接近衍射极限，能量集中度大于90%。可用于大多情况下中红外光谱成像分析以及中红外的目标探测及识别。

面向卫星互联网的星载光交换技术

随着卫星遥感、大数据超算中心、视频战场、6G移动通信等超高速大容量信息传输需求日益提高,以激光取代传统微波作为信息载体的卫星通信技术发展成为趋势,这也是解决微波通信带宽瓶颈和缓解频谱资源紧张的有效手段。未来需要构建全球覆盖的卫星互联网,提供地面光纤网络所不具备的能力(大覆盖率、低时延、人口稀少地区服务、无地理障碍等)。对于未来卫星节点超高速大容量信息处理来说,星载光交换技术是关键与核心。首先,介绍基于激光通信的卫星互联网发展脉络,分析面向卫星互联网的星载光交换技术的重要性,重点对星载光交换技术进行细致地分类对比、体制及信息处理模式研究,展示潜在的技术方案。然后,针对光交换核心器件特性和应用方案进行分析研究,希望为下一代卫星互联网技术研究提供借鉴与参考。

一种改进的易于加工、装调的离轴三反光学系统设计

为了降低离轴三反光学系统加工和装调难度,提出了一种无遮拦的两反射镜三反射光学系统。将传统的离轴三反射光学系统中的主镜和三镜改进为一块非球面反射镜,即用一块镜面实现两镜的设计,这既能够降低光学加工的复杂度,同时也减少了装调的难度。根据三反射系统像差设计理论,推导出同轴两反射镜三反射系统的初始结构参数计算公式,得出了适用于该系统的求解方程组。设计了焦距1000 mm,F数为10,全视场2°×0.4°,无中心遮拦的离轴两镜三反射系统,两反射镜面型均为二次曲面。从调制传递函数、点列图、衍射能量分布图可以看出,系统成像质量好,能量比较集中。整体系统体积小、结构简单,重量轻。

基于Matlab的变焦光学系统设计

为了降低变焦距系统设计时对经验的过度依赖,提出用Matlab仿真分析来分配变焦系统各组元光焦度。以组元之间的间隔为初始量,把变倍组的物距作为自由量,通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。并通过Matlab仿真,画出变焦过程中各组元移动轨迹,分析各组元偏角、视场角等因素对系统复杂程度的影响,合理分配各组的光焦度,最后制定出初始结构。对没有经验的设计者,是一种很好的方法。为了验证该方案的可行性,设计一个14×正组补偿型变焦系统,所设计系统优化后的光焦度分配值和计算的结果很接近。

基于TeO_2晶体的声光可调谐滤波器消色散设计

声光可调谐滤波器(AOTF)是一种新型的色散元件,被广泛应用到光谱成像领域,但由于其在调谐时,衍射角会随着波长的变化而变化,造成图像漂移。为了解决AOTF光谱相机晶体色散引起的图像漂移问题,采用了在晶体出射面外添加棱镜的方法。通过分析晶体旋光性对介质外衍射角的影响,比较发现当入射光极角很大时,必须考虑晶体的旋光性对介质外衍射角的影响,在此基础之上分析棱镜偏折角与棱镜顶角和材料的关系,当入射光极角为28°时,添加顶角为10.1°的棱镜可得到0.0007°的消色散偏差。由此说明,在光路中添加材料和顶角合适的棱镜,可以很好地消除AOTF光谱相机中晶体的色散。

多组元全动型变焦物镜设计

为了寻找求解多组元全动型变焦系统更加简单而有效的方法,采用程序法的形式,通过给定初始参数(各组元倍率、间隔),对目标系统进行初始数据计算;然后通过给定其限制条件(正切差、变焦曲线曲率、视场角和系统总长)作为控制指令对数据进行优化;最终给出满足条件的光焦度分配,并计算出系统各组元数据参数。为了验证该方法的可行性,以四组元全动型变焦物镜为例,计算出了满足条件的系统参数,通过程序给出的初始数据在光学设计软件Zemax上完成光学系统仿真设计。将程序给出的光焦度分配与Zemax给出的焦距结果进行了对比,结果表明两者数据非常接近,从而证实了该方法的可行性。

湍流大气中激光通信系统接收光功率的优化研究

以部分相干高斯-谢尔模型(GSM)光束为例,对湍流引起的漂移方差和扩展角进行模拟,综合考虑由光束漂移引起的瞄准误差和光束扩展引起的接收光功率密度的整体下降,对激光通信链路中接收端光功率进行数值计算和分析,找出激光通信系统中最佳发射光束的参数。研究结果表明,湍流大气中激光通信系统最佳发射光束的参数与光束的束腰半径、空间相干长度、波长、传播距离和湍流强度有关。部分相干GSM光束接收端光功率随着波长、光束束腰、空间相干长度和传输距离的变化存在一最优值。

湍流大气中部分相干光束扩展对接收光功率的影响

研究了部分相干高斯一谢尔模式（GSM）光束的湍流角扩展对接收光功率的影响，对激光角扩展和通信链路接收端光功率进行数值计算和模拟，并定量分析了角扩展对激光通信链路接收功率的影响。研究结果表明，在部分相干GSM光束下接收端功率随着光束束腰半径、空间相干长度和传输距离的增加而减小，随波长的增大而增大。在此基础上，把部分相干GSM光束与完全相干高斯光束进行对比，对比结果表明，部分相干GSM光束因扩展引起的功率损耗小于完全相干高斯光束，在一定初始参数条件下，部分相干光束接收到的功率是完全相干光束的2．65倍。

基于啁啾管理激光器的直接调制RZ-DPSK信号产生技术研究

利用啁啾管理激光器的啁啾效应实现了光信号的直接相位调制,无需差分编码,也无需外部调制器。分析了利用频率啁啾产生归零差分相移键控(RZ-DPSK)光信号的原理,搭建了基于啁啾管理激光器的2.5 Gb/s RZ-DPSK激光通信系统,同时将该系统与基于LiNbO_(3)外调制的通信系统进行了性能对比。实验结果表明:当前向纠错极限误码率为10^(-3)时,直接调制RZ-DPSK系统的接收灵敏度为-48.1 dBm,与传统外调制方式的灵敏度相当,而且该系统可以有效降低发射端的体积和功耗,结构也更加简单紧凑。