全双工逆向调制回复空间光通信系统性能评价

基于逆向调制反射器(MRR)的空间光通信系统因其结构紧凑、可免去链路一端的捕跟(APT)系统、功耗低等优点,是空间光通信系统研究热点之一。提出采用双波长激光发射实现全双工逆向调制回复空间光通信结构,并基于该结构对强度调制解调模式,通信距离为300 km,通信速率为1 GHz下的地面站对近地小卫星全双工通信链路进行了链路计算及通信误码率的分析。当MRR端口径为0.1 m时,通信链路余量大于5 d B,通信误码率优于10-15,满足通信链路的要求。并进一步分析了仿真结果存在的缺陷。结果表明所提出的空间光通信结构在小卫星对地面站全双工激光通信是可行的,是未来空间光通信系统发展趋势之一。

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。

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。

PN1B微小卫星激光反射器设计及激光测距试验

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射,为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求,依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制,首次采用通光口径为10mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验,测量结果表明激光回波数据充足,每秒平均激光回波光子数达173个,标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。

卫星角反射器的设计

以角反射器远场衍射理论为依据,提出了利用角反射器参数补偿速差的技术方案。即通过改变角反射器参数的大小,使得接收光斑的极值中心刚好回到测站位置,以弥补速差效应的影响。采用角反射器衍射光学理论与采用传统理论所得的卫星角反射器补偿角之间存在差异,这种差异随着轨道高度的不同而发生变化。以德国Champ卫星上角反射器为例,运用角反射器衍射光学理论进行了设计,设计所得的单角误差-3.70″与Champ卫星提供的-3.8″非常相近,而且按两者结果模拟得到的接收强度仅相差0.6%,从而验证了设计方法的正确性和可靠性。

HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。

卫星激光反射器有效反射面积的计算与测试

本文介绍了反射器有效反射面积的概念及计算方法,并用矢量的方法分析了光线在角反射器内部的轨迹。计算了60o位置角的角反射器的有效反射面积,对内切圆角反射器的相对有效反射面积进行了测试,给出了测试结果。分析了角反射器位置角对有效反射面积的影响,以及星载激光反射器的反射面积与卫星轨道高度的关系。理论计算及实测结果表明,当卫星高度低于14625km时,为保证在卫星的可观测区域内,反射器均有较大的反射面积,应对角反射器镀以高反射膜,使反射器的有效反射面积不受反射器位置角的影响。

区域观测卫星激光反射器有效反射面积的设计

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布,进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中,地面台站只需对卫星局部天区过境观测,但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积,且对质量和尺寸有限制,需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型,并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例,给出了有效反射面积的仿真结果,并进行了实验室测试。结果表明,局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符,为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。

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。

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.

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。

单片式LCOS微型投影仪照明系统设计

照明系统作为投影仪的重要组成部分,对于整个系统的亮度和均匀度起着决定性作用。本文提出了一种特殊的复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)作为回复反射器微型投影仪照明系统,目的在于利用CPC特殊的几何结构对UHP(Ultra High Performance)光源发出的部分光线进行收集循环利用,以提高整个系统的光能利用率。通过在Tracpro软件中建立整个单片式LCOS微型投影仪照明系统进行光线模拟,结果表明:使用特殊CPC回复反射器以后,投影到屏幕上的能量提高约为单纯利用椭球形反光碗收集光线时的两倍。

激光靶光电探测系统优化设计

介绍了一种新颖的激光光幕靶弹丸速度测量系统.系统由半导体激光光源准直、扩束形成原向反射屏反射后形成一定直径的反射光斑,光斑经用以扩大接收面积的光纤光锥会聚后由光电探测器接收.给出了苏格兰片反射率测试的方法和测试结果以及3 mm飞行物体的过靶波形.试验结果表明,采用原向反射屏和光纤光锥构成的光电探测系统具有较高的信噪比和灵敏度.

耐臭氧龟裂试验机观察装置的设计及优化

通过对硫化橡胶或热塑性橡胶耐臭氧龟裂试验机观察装置的设计及优化,包括对观察灯、观察镜、反光镜的设计及优化,解决了在耐臭氧龟裂试验机不停机状态下对臭氧龟裂试样的观察,大大提高了臭氧龟裂观察结果的准确性、全面性,也解决了臭氧龟裂试验操作不方便的问题。

分体式原向反射法水下武器速度测试技术研究

水下动态参数的测试是特种武器、两栖武器、水下专用武器性能考核的必备环节,而水下运动体的速度信息是评价水下武器性能的重要指标之一。针对现有的水下高速目标参数测试系统中存在的成本高、安装调试复杂、设备体积庞大等问题,提出一种以激光光幕为有效区域水上、水下分体式,实时、非接触的测速方法。通过分析Lambert-Beer定律和体散射函数等数学原理,确定了水下光谱传输规律综合考虑性价比获得最佳峰值波长;将1m的圆柱体作为散射体模拟光在水中的散射情况,追迹空间区域内的光线总数为1×10~5,获得位于传播方向上1,3,5和7m处的接收面上辐照度的光能量分布,从而获取系统激光光源的最佳峰值功率。以此为依据,采用定距测时原理和一维原向反射技术,由峰值波长为532nm的半导体光纤耦合绿光激光器、光纤耦合式鲍威尔棱镜防水扩束器、一维原向反射器等构建光学系统。激光光源、光电转换部分和信号调理部分位于水上,激光光幕和原向反射器位于水下,通过光纤束完成两路光信号的发射和反射光的回收。发射端光纤一端与光源耦合,另外一端与鲍威尔棱镜耦合置于水下形成扇形光幕。接收端光纤一端均布于鲍威尔棱镜出口,另一端与PIN型光电传感器耦合。设计齿形一维原向反射器并完成加工制造,光线将沿着入射光方向原向返回,另外一维方向则仍为镜面反射,将接收系统置于发射点垂直光面内附近即可接收大部分光能量,解决了现有原向发射器因水介质折射率不同于空气而导致原向反射特性消失的问题。实验采用波长为(532±5)nm绿光激光器,功率稳定性<1%,光学噪声<0.5%,准直后耦合至长度为2m的单模光纤再经过鲍威尔棱镜展宽为60°扇形一字线光幕,扩束模块封装采用尼龙防水材料,接收光纤均布于光源周围形成环形光纤束,光纤另外一端均匀排列与PIN光敏二极管直接耦合。光敏二极管前加中心波长为532nm的光学滤光片,FWHM=(3±1)nm,透过率为70%。PIN型光敏二极管有效尺寸为5.0mm×5.0mm。采用多档可调的光电信号调理电路以适应不同尺寸的测试对象。该系统进行了不同目标速度参数测试实验,以钢弩为发射装置,信号经过光纤回收、信号调理,采集至计算机处理获得波形及区间内平均速度,两激光光幕之间的距离为定值300mm,波形峰值作为计时时刻。成功获取了较高信噪比的波形信号和目标速度值。利用水下运动体模型与模拟结果进行比较得到其绝对误差。实验结果表明:本方法结构简单、重复性好,可实现有效区域达到1m×1m,最小可测目标尺寸为5mm,理论测速上限可达1 000m·s-1,实验数据通过与理论经验公式结果比对表明,系统测试精度可达0.2%。

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.

角锥棱镜后向衍射特性的Zemax分析

当角锥棱镜(CCR)作为激光的合作目标时,其后向空间衍射特性是进行系统设计所必须考虑的。Zemax具有强大的物理光学计算能力,可对非序列光学元件角锥棱镜的后向衍射特性进行仿真,仿真结果精度高,方法简便具有通用性。首先建立了角锥棱镜的几何模型,分别计算了在垂直和倾斜入射条件下,理想和具有二面角误差角锥棱镜近场和远场的衍射图样,最后考虑偏振效应下角锥棱镜的衍射图像,将近场模拟结果与实际测量值进行了对比,具有非常好的一致性。根据定量的仿真计算结果,得到了一系列有益于工程设计的结论,借助于Zemax,将对不同使用要求的角锥棱镜及其系统设计产生极大便利。

纳卫星激光反射器光机设计及激光测距分析

针对我国首个大气密度探测纳卫星高精度测轨应用需求,设计了重量约112g、有效反射面积大于1cm2、外形尺寸为Φ96mm×20mm的轻型八棱台结构被动型激光反射器,作为无功耗载荷应用于纳卫星激光精密测轨,解决了纳卫星高精度独立测轨和外部轨道精确标定问题。利用地面激光测距台站开展卫星跟踪和精密测量,提供亚厘米级精度的激光测量数据。根据激光雷达测距方程及地面测距系统参数,分析了纳卫星激光回波信号强度,以及激光观测数据精度。测量结果表明,纳卫星激光反射器设计结果与实测数据相符,测距数据精度达8~9mm,可以满足纳卫星高精度激光测距要求,并支持卫星精密定轨及大气密度探测科学任务。

回复反射器配光性能测试系统研究

本文介绍一种检测汽车用回复反射器光度性能的自动化检测系统。该系统采用激光准直和专用投光装置 ,利用双探头结构 ,测量回复反射器的发光强度系数 CIL 值。依据色度学理论 ,采用 CCD并行处理结构 ,快速测量其色坐标。

猫眼光学误差的测量与修正

介绍了猫眼光学误差对激光跟踪三维坐标测量系统的影响及猫眼光学误差的主要来源,设计了一种猫眼光学误差的测量原理并构建了相应的测量装置,论述了测量数据处理方法以及在进行激光跟踪三维坐标测量时对猫眼光学误差进行修正的方法。在数据处理过程中,使用了非线性拟合算法来消除半球偏心和安装偏心对测量结果的影响,使用了二维插值算法来获取猫眼在任意入射方位角处的光学误差值。使用所构建的测量装置对Leica公司生产的CER75猫眼的光学误差进行了实际测量并对测量数据进行了处理。实验结果表明,被测猫眼在其接收角范围内的最大光学误差约为4μm。