激光跟踪测量系统角度自动校正装置设计

研制开发了一种能使激光跟踪测量系统在动态条件下连续测量的角度自动校正装置。它主要由精密圆形导轨和角度方位自动调节机构组成,能使角锥棱镜在动态测量过程中始终指向激光跟踪测量系统,从而实现在动态条件下的连续工作。利用研制的角度自动校正装置对激光跟踪测量系统进行了角度误差补偿试验,结果表明,该装置使激光跟踪测量系统的水平角测量误差由34.69μm减小到9.71μm,垂直角测量误差由35.43μm减小到10.03μm,从而有效地提高了激光跟踪测量系统的角度测量精度,解决了激光跟踪测量系统在动态测量中受角锥棱镜逆反射器接收角度范围限制而导致的无法连续测量问题。

机载角反射器阵列设计

低轨目标目前流行的类半球状布阵方式的远程角偏小,测距盲区较大。对角锥棱镜进行研究分析,依据角反射器光束入射角度允许变化范围,合理分布角反射器,设计了一机载激光反射器装置,外形尺寸为119mm×88.8mm,共有15个角锥棱镜,底面切割成正六边形,底面边长为15.5mm,底面对边距为26.87mm,有效通光口径为25mm,高为19mm。考虑到角反射器的速差效应及其补偿要求,角锥棱镜最大角误差为5″,面形最大误差为5″。通过合理设计,比较单层角反射器,增加了入射光允许的角度范围,大大减小了低轨目标的测试盲区。

激光光束入射角度变化对角锥棱镜测量精度的影响

为了掌握光束入射角变化对激光跟踪仪中角锥棱镜测量精度的影响规律,详细分析了角锥棱镜的工作原理和反射特性,计算了角锥棱镜在不同入射角下的实际有效反射面积,并建立了角锥棱镜有效反射面积随光束入射角变化的理论公式,进而得到角锥棱镜测量精度随光束入射角变化的规律。实验结果表明:角锥棱镜测量精度随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变。在最大允许入射角为±35.26°时,其测量误差达到0.050 mm;而在±20°内时,其测量精度优于0.010 mm;入射角在±15°内其测量精度最高,稳定性最好。所得结论证明了当角锥棱镜入射角在±20°内工作时能满足了激光跟踪仪的测量精度要求,这对角锥棱镜设计和实际测量工作具有指导意义。

导航卫星激光后向反射器研究

鉴于设计Galileo导航卫星上激光后向反射器的需要,采用理论计算和实验验证的方法对角反射器的光行差补偿设计和远场衍射光强分布进行了研究。对不同直角偏差、是否镀反射膜的角反射器远场衍射光强分布给出了计算和试验结果。研究结果表明:理论计算与实验结果是完全一致的;对类似Galileo卫星的角反射器设计采用光行差角补偿是必要的,以及采用反射面不镀膜是合适的。

傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的分析

从理论上分析了一些引起傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的原因 ,具体的就平面镜面形、偏振态、探测器横向位置偏移、平面镜倾斜、角锥反射镜顶点之间的横向偏移等作了一定的分析 ,得到了几个重要的公式 ,并就这些公式的用途作了简短的说明。

角锥棱镜的斜入射远场衍射图样

角锥棱镜是激光反射器的主要光学组件,在合作目标卫星激光测距中发挥着关键作用.精确计算角锥棱镜的远场衍射图样是估算激光测距回波能量的必要过程.本文基于角锥棱镜的反射原理,分析了不同激光入射方向对反射器有效反射面积的影响,提出了一种适用范围更广的有效反射面积计算方法,同时分析了激光入射方向对角锥棱镜光学反射率的影响.在此基础上,应用光学标量衍射理论建立了远场衍射图样算法,分别对多种激光入射方向的镀金属(银)膜和无镀膜角锥棱镜进行了远场衍射图样仿真计算,得到了两类角锥棱镜的远场衍射图样分布随入射方向变化的规律.搭建了角锥棱镜远场衍射图样测试系统,通过实测结果与仿真计算的对比分析,验证了仿真计算的准确性.

非对称回复反射自由空间光通信链路性能

调制回复反射器(modulating retro-reflector,MRR)制约非对称自由空间光通信系统的性能.本文建立高斯光束经角偶棱镜(corner cube retro-reflector,CCR)的MRR反射后出射光束的数学模型,分析大气湍流对调制回复反射器光链路的影响,研究CCR多光束反射特性对大气湍流信道的补偿作用.仿真结果表明,在传输距离、光功率、反射面积一定的条件下,波长、入射角及CCR折射率都是影响链路性能的关键因素,CCR反射后的多光束效果也可有效降低接收信噪比的起伏.

一种紧凑结构型干涉仪的设计

设计了一种基于立体角镜与固定平面镜组合的紧凑结构型干涉仪系统,分析其光学系统,得到各器件的影响与设计指标。对动镜驱动系统进行设计与分析,并通过PID算法进行调速,确保动镜运动的准直、匀速与平稳。实验表明仪器的波数精度、分辨率、信噪比等关键指标能够满足实际应用的需要。

卫星激光角反射器的远场衍射光强研究

介绍了卫星激光角反射器的远场衍射光强研究,包括二面角(直角)偏差、表面不平度和反射面特性对远场衍射能量分布的影响。提出的远场衍射数学模型已用于Galileo卫星激光后向反射器设计,对其样品的实验结果表明,与理论计算的远场衍射能量分布相一致。

卫星激光后向反射器结构应力对衍射能量分布影响研究

阐述了Galileo卫星激光后向反射器机械结构特性。着重讨论了后向反射器的环境适应性设计和应力对角反射器光学性能的影响,以及相应的实验结果。

斜入射条件下角锥棱镜光学特性分析

角锥棱镜具有严格的后向反射特性。激光斜入射条件下,会造成角锥棱镜有效反射面积的减小及附加光程差,对激光主动探测及激光精确测距产生影响。利用几何光学原理,建立了斜入射条件下角锥棱镜有效反射面积数学模型,针对激光精确测距要求,推导了附加光程差与入射角的关系。理论分析及数值仿真结果表明,激光主动探测系统回波功率随入射角的增大而减小,不同的入射方位角对应不同的最大可探测入射角。对于给定的角锥棱镜,测距精度随入射角的增大而减小,在角锥棱镜最大允许入射范围内,测距精度误差可达2.85 mm。这对角锥棱镜的设计和实际应用具有指导意义。

板式空心角锥棱镜的研制

在远距离测量、特别是距离达到一公里左右时,角锥棱镜几乎是唯一可行的反射器件。远距离测量的需求是增大角锥棱镜的通光口径,以便于捕捉目标,并增大反射光的能量。常用的整体式角锥棱镜,以及国外的柱式空心角锥棱镜,随着通光口径的增大,都会显著增加棱镜的体积与重量,造成使用不便与工艺困难。解决办法是采用板式结构,经试验,通光口径为80mm的板式空心角锥棱镜,工作距离可达一公里以上,出射光对入射光的平行度达角秒级,体积与重量在可以接受的范围内,而且可以降低工艺难度。

角锥棱镜腔Nd:YAG／Cr^(4+):YAG被动锁模激光器的研究

理论分析并数值模拟了腔内光强随角锥棱镜旋转的变化,实验证明在角锥棱镜腔Nd: YAG／Cr4+:YAG被动锁模激光器中,偏振耦合输出得到了锁模深度和锁模几率近乎100％的线偏振被动锁模脉冲输出。通过旋转角锥棱镜改变偏振耦合输出、调节腔内光强,可以得到被动锁模和被动调Q两种状态的脉冲输出,脉冲能量166．5 mJ／pulse,脉冲动静比高达59．7％。

全站仪斜入射角锥棱镜的测角误差分析

在介绍了角锥棱镜的结构和观测原理的前提下,分析了角锥棱镜在全站仪激光斜入射情况下引起的测角误差。建立了棱镜的加工误差和棱镜框架结构两方面引起的斜入射条件下的测角误差模型。最后通过对不同品牌的角锥棱镜进行斜入射测量实验,验证了理论模型的正确性。

角锥棱镜的误差分析

本文根据光的矢量形式的反射定律,导出了角锥棱镜的出射光线偏角误差与角度误差的关系式,讨论了三种特殊情况下的出射光线偏角误差,并对各反射面和折射面面形误差对出射光束的影响进行了分析计算,所得结论可为角锥棱镜角度公差及面形误差的给定提供理论依据。

化学氧碘激光器中的角立方反射器的研制

分别利用电子束蒸发和离子束溅射手段在单晶硅基底上制备了54.7°入射1315nm和632.8nm双波长高反射薄膜,并对两种手段所镀制薄膜地性能进行了比较;然后对离子束溅射所镀制的反射镜进行了胶合,得到了高精度的角立方反射器。最后,将所制备的角立方反射器实际用于化学氧碘激光谐振腔后,获得了近衍射极限的激光输出。

镀膜角反射器空间辐照环境效应研究

角反射器作为激光测距的合作目标,早已得到广泛地研究和应用,但对镀反射膜角反射器的相关研究,文献显示却比较少。通过对镀制了金属反射膜的角反射器进行空间环境模拟试验,结合激光反射率测试,研究了空间辐照环境对镀膜角反射器光学性能的影响。在经过电子、质子辐照以及紫外辐照试验后,镀膜角反射器表现出良好的空间辐照环境稳定性。

用Stokes参量法研究角锥棱镜的偏振特性

角锥棱镜的偏振特性会产生退偏效应影响免调试固体激光器的输出质量和效率,也可以实现相干互注入用于激光合成领域。无论是光的合成还是退偏效应的消除,都需要有精确的偏振特性数据。利用解析几何和光线追迹法从理论上推导出角锥六种光回路的Mueller偏振变换矩阵。为了提高测量精度和稳定性,设计了一种动态检测Stokes参量的方法,通过实验获得角锥棱镜六种传输光路的高精度数据,实验与理论的误差率为4.470%,误差在合理范围内,可以确定其偏振特性。所做研究将有助于消除角锥棱镜的退偏效应,提高免调试固体激光器等设备的性能,提高激光合成效率和质量。

交会对接光学成像敏感器中合作目标的分析与设计

交会对接技术是实现太空梭、太空平台和空间运输系统的装配、回收、补给、维修、太空人交换及营救等在轨服务的先决条件,交会对接光学成像敏感器是两航天器交会对接近距离平移靠拢段唯一能够提供六自由度相对导航信息的敏感器,由安装于追踪飞行器上的相机和安装于目标飞行器上的合作目标组成,采用角反射器作为合作目标标志,完成两飞行器间的相对位姿的解算.对其需求分析、设计方案、回光能量测试等进行了讨论,该方案已在神舟十一号载人飞船、天舟一号货运飞船与天宫二号的交会对接任务中成功验证,后续针对空间站及光学舱任务进行适应性修改.

微角锥棱镜阵列在逆向调制激光通信中的应用

基于逆向调制反射器(MRR)的自由空间光(FSO)技术是将传统FSO链路中一个终端的激光发射器和跟瞄系统替换成MRR而构成的一个非对称的FSO系统。MRR主要由光调制器和无源逆向反射器构成。针对未来超高速信息传输与小型化链路的需求,研究使用微角锥棱镜阵列(MCCRAs)来替代MRR中的无源逆向反射器,研究MCCRAs的波前补偿特性在MRR FSO系统中的应用。对MCCRAs的波前补偿原理进行了理论分析,通过实验分析验证了MCCRAs的波前补偿特性。在同等实验条件下,实验结果表明,MCCRAs的波前补偿特性在抵抗大气湍流对激光传输造成的影响上有着良好的效果表现,可提升1～2个数量级的BER性能。对基于MCCRAs的MRR FSO系统进行整体评估,探讨国内MRR FSO技术面临的技术瓶颈并对未来工作提出进一步建议。