一种新型的卫星光通信高速跟瞄探测装置

卫星光通信(IOC)的跟瞄(PAT)子系统中，高的角度偏差检测频率对于保证链路稳定和通信质量具有重要价值。针对高速PAT角度偏差检测的需要，设计了一种基于二元光学器件(BOE)的新型角度探测装置，并给出用于此装置的改进光斑形心算法。入射到光通信终端的光束经BOE的整形和聚焦后，通过线阵CCD即可实现二维角度偏差探测。仿真结果表明，角度探测频率可达数10kHz，最大测角相对偏差2．84％，BOE效率83．9％。与传统的面阵CCD二维测角装置相比，新装置算法复杂度由O(N^2)降低到O(N)，同时系统的硬件部分复杂度也得到了极大简化。     

星地激光通信链路瞄准角度偏差修正及在轨验证

在我国首次星地激光通信链路地面捕获实验初期,由于激光通信终端地面光机装调和整星安装过程中存在的系统误差,在瞄准过程中存在8mrad的瞄准角度偏差,且平均捕获时间大于40s,严重影响星地光通信链路捕获性能。基于此,利用立方棱镜坐标系为桥梁,建立了基于坐标变换的卫星本体坐标系与终端基准坐标系的修正变换矩阵,通过地面坐标系测量,最终对光束瞄准角度偏差进行了有效补偿。海洋二号卫星在轨实测结果表明,星地激光通信链路的瞄准偏差由最初的8mrad减小为0.8mrad,捕获扫描范围显著缩小,链路平均捕获时间由最初的40s减小到小于5s,明显优于国外同类型终端在轨实验性能,对卫星激光通信链路捕获性能的提高具有重大意义。     

激光发散角测量的误差分析

为了研究产品装调过程中,套孔法和CCD成像法得到的激光发散角偏差较大原因,采用ZEMAX仿真进行了理论分析,并结合相关试验进行了验证。结果表明,在CCD白光观瞄系统中利用CCD成像法测量激光光斑大小时,由于白光与激光间存在光程差,计算激光发散角时,需要消除光程差导致的图像误差的影响。激光光斑大小与距离符合双曲线规律变化。近场条件下不成线性关系,CCD成像法测量得到的激光光斑图像偏大,计算得到的激光发散角远大于套孔法的测量值;远场条件下近似成线性关系,套孔法及CCD成像法测算得到的激光发散角数值基本一致。该研究可以根据产品的设计参量,消除光程差对激光激光束散角的影响,提高测量精度。     

激光束质量实时测量技术

提出一种新型光束质量实时测量技术,该技术主要基于由平板反射镜组成的多平面成像系统,一次性将激光束腰附近2倍瑞利距离内的多个光斑成像在同一个平面上,用CCD相机获取这些光斑的光强分布图样。通过图像处理获知接收到的光斑的光强分布。采用远场发散角、焦点尺寸、桶中功率比和M2因子四种光束质量评价标准对激光光束质量进行评价。利用该方法实时测量了高能钕玻璃双板条激光器的输出光束。     

采用CCD的空间光通信光斑位置提取重心算法的分析及实验

对采用CCD的空间光通信光斑位置提取重心算法进行了理论分析,对不同程度光束偏转的APT系统光斑位置定位及无空气扰动条件下背景光对光斑位置定位的影响进行了实验研究。     

卫星光通信中光束跟瞄技术研究

卫星光通信中,两个光通信终端同时对来自对面终端的光束进行跟踪,跟踪误差为时间和统计上的联合随机变量.讨论了跟踪误差对光功率接收的影响,对双向跟踪的稳态条件进行了估计.最后,以开关键控脉冲调制和直接检测方式的卫星光通信为例,通过仿真分析了跟瞄误差对光通信的影响.     

一种提高空间光通信APT中CCD分辨率的新方法研究

为了提高空间光通信APT过程中光束跟瞄的精度,经过分析提出了利用CCD的多次采样处理来提高探测器CCD的空间分辨率,经过对该多次采样理论的计算机模拟证实了该方法的可行性。     

卫星光通信复合轴跟瞄控制方法研究

提出了用复合轴瞄准控制方法实现卫星光通信跟瞄控制,以提高卫星光通信中跟瞄系统的性能。提出了粗瞄和精瞄系统的模型,并分别设计了控制器。在此基础上,建立了一套跟瞄控制模拟系统。结果表明,所设计制作的跟瞄模拟系统在跟踪的匀角速率运动时的最大跟踪角度偏差仅为14μrad。     

大功率TEA CO2 激光远场发散角评估方法

在大功率激光远距离定向传输中,远场发散角是衡量其性能的一个重要参量。大功率TEA CO2激光具有功率高、光束直径大等特点,常规手段无法准确测量其远场发散角。为解决该难题,提出了一种利用激光光斑尺寸拟合分析法来评估大功率TEA CO2激光的远场发散角。首先,从理论上推导大Fresnel数多模高斯激光束远场发散角,分析了影响激光束发散角的主要因素;然后,采用光斑烧蚀法试验测量近场(20 m)光斑数据,基于光束质量(M2)因子理论拟合得出了激光光束质量和束腰大小,从而推导出激光束远场发散角;最后,对比分析了以上两种方法的计算结果,讨论了结果存在偏差的原因。结果表明,近场光斑数据拟合法可准确、便捷地测量大功率TEA CO2激光束远场发散角。     

基于CCD的脉冲激光器远场发散角工程化研究

简述了激光光束的基本参数及特性,并介绍了采用CCD进行激光发散角测量的基本原理和装置.用CCD测量光斑可以及时获得光斑的二维扫描结果.实际工程应用时常采用CCD来测量激光远场发散角.进一步介绍了使用CCD摄像法进行发散角测量所采用的系统软件设计,首次提出了采用图像处理的方法来捕捉脉冲激光光斑.     

大气激光通信中稳定跟踪器件及算法研究

在大气激光通信中捕获对准跟踪(APT)是通信成功的前提。对空间激光通信中的捕获对准跟踪系统常用的两种光束定位探测器件CCD和四象限光电探测器(QD)的特性进行了深入分析,研究了影响大气激光通信跟踪系统性能的5种大气湍流效应,分别讨论了光束漂移、光强起伏、光斑弥散、到达角起伏及光束扩展的原理及对应仿真结果。结合大气湍流和探测器,针对质心跟踪算法和形心跟踪算法进行深入分析,得到并实验验证了在大气条件下形心算法的跟踪误差小于质心误差的结论。     

ATP跟瞄精度与最佳信号光发射角的研究

激光星间通信中捕获、跟踪、瞄准(ATP)技术是保障通信正常进行的关键一环，在完成捕获进入跟踪状态下，ATP的跟瞄精度是一个重要指标。然而．在实际系统中，ATP的跟瞄精度受到很多因素的制约．只能达到一定的精度。在这种条件下．信号光束发散角的选取对通信系统的整体性能影响很大。提出了影响光束发散角的三种因素，并进一步分析了在给定跟瞄精度的条件下．信号光束的发散角并不是越小越好而是存在一个最佳发散角．该发散角可以在满足通信系统指标的情况下．对发射端的功率需求最小。     

大气光通信PAT子系统指标初步设计分析

分析了跟踪角速度，功率，跟踪精度等因素对大气激光通信系统中瞄准，捕获和跟踪子系统参数选择的影响，给出了波束发散角，扫描角范围，接收视场等主要参数的选择原则，对地面终端光通信系统设计背景提出了瞄准，捕获和跟踪了系统的相应指标。     

大气激光通信机的光学模型和物理实现研究

将光学理论应用到大气激光通信机设计中，提炼出大气激光通信机的发射和探测过程的光学理论模型，提炼推证了半导体激光器远场发射、准直发射和接收透镜探测损耗的公式，提炼推证了准直激光焦面探测爱里斑公式及对应的质心运算和质心评价公式。设计了和上述推证相关的光学天线和分光镜等。设计了光学天线分辨率、CCD捕获分辨率、通信分辨率、伺服系统分辨率等和系统精度相关的参数。     

基于微透镜阵列的光束积分系统的性能分析

为了提升高功率固体激光器抽运光束的均匀性,研究了成像型和非成像型光束积分系统光束匀化机理。从光斑尺寸、最大入射角及光斑均匀性三个方面,详细对比了两种积分系统的性能特点。分析表明,成像型光束积分系统不但具有更好的匀化效果,相比非成像型还降低了对半导体激光器(LD)光束准直的要求,并且可调整微透镜阵列间距实现光斑尺寸的改变,拓展了系统应用范围。经实验测试,在照明范围内LD阵列光束经成像型积分系统后光斑不均匀性小于10%。     

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。     

激光星间链路中振动补偿技术研究

提出了一种在激光星间链路过程中的卫星平台振动补偿方案。采用CCD探测器代替角度传感检测振动,简化了卫星光通信跟瞄系统。在激光星间链咯中,卫星平台角振动对光束的跟瞄有较大的影响,采用前馈补偿方式实现较好的抑制。在实验室中建立了卫星平台振动模拟装置和前馈振动补偿系统,针对卫星平台的实际振动情况进行了模拟实验。结果表明,对于100Hz卫星平台角振动,当CCD采样频率大于1kHz时,补偿后的瞄准误差与补偿前相比下降了71％。     

激光光束在海水中的空间传输特性分析

由于激光的初始发散角以及海水对光的散射作用,激光在水下传输时光斑大小发生改变,从而影响接收机的接收范围。采用波长为514 nm的蓝绿激光,基于水下无线光通信信道模型,模拟光子在海水中的传输过程,通过统计不同传输距离时的光子数和光子位置,建立了海水信道中的光斑扩展模型,分析了海水水质对高斯光束的光斑空间特性的影响。结果表明:高斯光束在海水信道中传输时,根据光强比值定义光斑大小的位置,1/e光斑半径与传输距离呈线性关系,线性增加系数为光源的发散半角;当接收机灵敏度为确定值时,传输较短距离后光斑逐渐减小;光斑大小由接收机灵敏度决定,随着接收机灵敏度的增加,在相同距离下,接收到的光斑大小基本呈线性增加。