机载光通信复合轴光路优化设计和跟瞄技术研究

根据机载激光通信的环境和链路距离,采用光电粗精复合轴结构,提出一种双探测器、双光轴机载激光通信复合轴捕获跟踪瞄准系统方案.对整个系统的光路结构进行了分析和优化设计,使粗跟踪精度达120μrad,精跟踪系统带宽大于300Hz,执行动态范围达5mrad,跟踪精度达3μrad,并成功实现通信距离17.5km、通信速率1.5Gbps,误码率达1E-7的飞机对地面激光通信实验.     

多晶硅片反应离子刻蚀制绒后扩散工艺的匹配性

根据机载激光通信的环境和链路距离,采用光电粗精复合轴结构,提出一种双探测器、双光轴机载激光通信复合轴捕获跟踪瞄准系统方案.对整个系统的光路结构进行了分析和优化设计,使粗跟踪精度达120 μrad,精跟踪系统带宽大于300 Hz,执行动态范围达5 mrad,跟踪精度达3 μrad,并成功实现通信距离17.5 km、通信速率1.5 Gbps,误码率达1E-7的飞机对地面激光通信实验.     

空间激光通信组网反射镜联动跟踪控制技术

为提高光学天线能量利用效率,实现空间激光通信组网,本文对反射镜联动跟踪控制技术展开研究。首先,阐述了系统组成原理,详细论述了基于单探测器多执行器的反射镜联动跟踪控制策略。接着,通过分析激光链路能量,得到了联动跟踪约束条件及误差要求。然后,建立了双反射镜联动跟踪数学模型,对伺服控制器进行仿真。最后,搭建原理样机对跟踪性能进行测试。实验结果表明,系统能够对目标进行稳定跟踪,跟踪脱靶量精度优于83μrad,双镜联动精度优于26μrad,系统接收光功率显著提高。本文研究为实现空间一对多激光通信链路组网奠定了基础。     

基于现场可编程门阵列单探测器复合轴控制技术

为了解决空间激光通信系统中单探测器复合轴结构的粗精解耦难题,通过分析二维关联控制矩阵,得出粗精跟踪解耦的必要条件,提出了一种单探测器复合轴结构的工作方式.在跟踪过程中,相机直接配合子轴执行器完成精跟踪工作,而主轴的跟踪信息由子轴的角度偏转器来提供,同时所有的图像处理算法、位置检测算法、以及粗精伺服控制算法都在现场可编程门阵列中实现,完成了系统的轻小型化设计.实验搭建了测试系统,并对现场可编程门阵列硬件和系统跟踪性能进行测试,结果表明单探测器复合控制系统可以实现跟踪准确度优于3μrad,为工程化奠定了良好的基础.     

卫星激光通信跟瞄精度测试方法及其实验研究

卫星激光通信捕获、跟踪、瞄准(ATP)需要端机具备有微弧度(μrad)量级的高精度跟踪能力。如何检验通信端机的这一特性是一个很重要的问题。设计了一套端机跟瞄精度测试装置。装置模拟入射光方向的偏转,端机跟踪从偏转方向发出的回馈信标光。通过测量回馈光远场光斑的位置变化可以得到端机的跟瞄精度。测试实验表明,当入射光方向的变化小于4μrad,测试频率在0~250Hz时,测试系统的精度可达到0.2μrad。此项工作对卫星激光通信的光链路通信的研究以及对端机性能的整体评估具有重要意义。     

大气湍流对空间激光通信跟踪系统的影响

基于大气信道内的空间激光通信演示验证实验,对系统光斑跟踪精度的影响因素进行了分析,研究了大气湍流对光斑跟踪精度的影响,建立了光斑质心检测模型,设计了一套信标光光斑粗精复合跟踪系统.搭建了室内测试实验系统,完成了大气湍流对光斑跟踪精度影响的测量,结果表明在中弱湍流时,跟踪精度随湍流增大有近似线性关系,系统整体跟踪精度在5~15μrad之间,可较好地完成光斑跟踪功能.在野外环境开展的飞机-飞机激光通信演示实验中,对伺服系统的跟踪性能及跟踪精度进行实际测量,整体跟踪精度不大于15μrad,与室内实验测试系统基本一致.     

基于FSM的高精度光电复合轴跟踪系统研究

为解决大惯量光电跟踪器对高速机动目标的角秒级跟踪问题,设计了以快速控制反射镜作为精级,大惯量跟踪架作为粗级的双探测器型光电复合轴跟踪系统,并对快速控制反射镜和复合轴系统所涉及关键技术进行了分析。通过某模拟航路半实物跟踪试验不超过70μrad的跟踪误差,验证了系统设计的有效性。     

卫星光通信系统振动源的模拟设计

为了便于空间激光通信中捕获、跟踪性能的测试,提出了一种卫星振动模拟源系统设计方案。该系统主要由上位机借助LabVIEW软件解析标准振动功率谱密度函数,将模拟出的平台振动信号传给以STM32F4为核心的控制系统,驱动振镜进行俯仰、方位摆动。借助欧空局设计的SILEX平台模型,推导验证了本方案的可行性,并搭建实验现场,通过探测器对光斑脱靶量进行了实时监测,分析了脱靶量功率谱,同时对在实际应用中产生的伪随机序列进行了优化与处理。实验结果表明,设计的振动源幅值精度优于2μrad,模拟结果真实有效。另外由于其频率可调节,模拟系统幅度可达±10mrad,故易于模拟不同的标准模型,为复合轴捕获、跟踪和瞄准(APT)的实验室验证提供了条件。     

人造钠信标角度非等晕性的实验研究

为实际验证较大角度偏移(θ≈50μrad)条件下人造钠信标探测光路与科学目标光路之间经历大气湍流波前畸变的相关特性及其影响,开展了基于时序同步探测的人造钠信标角度非等晕性实验测量研究,利用单哈特曼波前传感器实现了对自然星回光点阵以及50μrad角度偏移钠信标共振回光点阵的同步测量,获得了时序同帧钠信标与自然星回光的波前序列,并从两者波前二维分布及Zernike模式的统计相关性、非等晕误差的Zernike模式统计分布特性及其对目标成像影响等方面对实验结果进行了较全面的分析.结果表明,50μrad的角度偏离导致两者波前仅低阶模式之间保持着一定相关性(如第3—9阶),而非同轴钠信标偏离望远镜接收口径的大气湍流误采样带来其探测波前与自然星波前之间部分高阶模式相关性的严重退化,致使目标成像点扩散函数Strehl比(0.31—0.22)、光学质量β(2.70—3.35)的下降,该影响不容忽视.最后,依据实验大气条件完成非等晕误差测量结果与理论计算结果的对比分析,获得了理论与实验相符的结果.     

基于单元探测器的激光跟踪技术研究

在激光通信、激光制导和交会对接的过程中,为了实现对远距离目标的捕获和跟踪,提出了 一种基于单元探测器的激光跟踪技术,该技术以单元探测器测量距离信息,通过快反镜使光束螺旋扫描视场,并反馈角度信息,由此得到三维图像.信号处理端通过处理三维图像可以获取目标相对视场中心的脱靶量,控制端根据脱靶量驱动快反镜偏转,使目标一直处于扫...     

Large-aperture double-focus laser collimator for PAT performance testing of inter-satellite laser communication terminal

A laser collimator is necessary for testing and verification of the pointing, acquisition and tracking (PAT) performance of inter-satellite laser communication terminals on the ground. The laser collimator must have a large clear aperture to fit the PAT performance testing system. The PAT subsystem has a large field of view for the acquisition and a high angular accuracy for the fine tracking. To resolve the conflict between large field of view and fine angular resolution, a large-aperture double-focus laser collimator is proposed and its optical design and mechanical structure are described. The collimator mainly consists of a primary lens, a reflector, a beam-splitting plate, a secondary lens, two compensating lenses, two imaging sensors and a laser. The primary lens directly forms the long focal length arm of the collimator. The combination of the primary lens and the secondary lens form the short focal length arm of the collimator. The collimator has an angular resolution <0.75 μrad and a 10 mrad field of view. For the collimator, the incident beam is focused on the two imaging sensors by its two arms, and the beam emitted from the laser is collimated and transmitted. The collimator is combined with an optical scanner and a fine beam deflector to test and verify the PAT performance of the inter-satellite laser communication terminal in a full physical manner.     

三同心球光学系统跟瞄误差分析

针对独有的跟踪方式,具体讨论了激光通信三同心球光学系统的跟瞄方案,并进行了具体规划。通过对通信跟踪光路和通信接收光路的视场和精度分析,给出了二者的相关参数,作为Matlab理论计算跟踪像面轨道的依据。利用Tracepro软件模拟了引入相关误差量后的通信跟踪和通信接收像面光斑质心偏移和光斑大小变化情况。仿真结果显示:随着角度的旋转,通信接收的质心偏差在±4μm范围内,通信跟踪的质心偏差在±50μm范围内;通信接收像面光斑直径小于80μm,通信跟踪像面光斑直径均在400μm以内。系统所引入的误差在允许范围之内,不影响相关跟踪通信功能。     

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。     

深空光通信中图像信标的捕获和跟踪

用激光进行深空探测科学数据回传,上行信标光衰减严重,不能提供足够高的跟踪速率,因此常采用自然天体图像作为信标。对该信标的捕获和跟踪是深空光通信链路成功建立和保持的关键。在航天器上存储一幅目标天体图像做参考,利用该图像和探测图像的相关性对该信标进行捕获,理论分析和仿真结果都表明,可以精确地确定光通信天线的初始对准方向,使跟瞄系统进入跟踪模式。基于离散傅里叶变换和极大似然方法对信标的平移进行计算,需要解一个非线性方程组,线性近似计算结果表明平移量总误差在0.5个像素以内,X方向的平移误差为3.3%,Y方向的平移误差为2.7%,可以满足深空通信的要求,因而是一种可行的方案。     

光通信系统中分光系统光学调整的误差分析

在平行光路中,光学系统的光学元件的误差或微量运动可抽象为绕定点的微量转动,其成像关系可归结为在微量转动下物像共轭关系的依次迭代,利用光学系统这种动态成像关系的思想,建立一个统一的光学调整及误差分析的数学模型。利用此模型分析光通信系统中分光系统的机械安装误差对系统的影响,建立每个反射镜的机械调整坐标,从理论上指导分光系统中每个反射镜的机械调整,最终使通信激光发射系统和精信标激光接收系统的光轴平行度达到5。