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卫星光通信光学天线光机系统设计及自重形变的有限元分析

杜继东  
【摘要】:卫星光通信,是一种利用激光作为信息载体,以自由空间作为信道,通过对激光信号的发射和接收来实现通信目的的通信形式。相对于成熟且广泛应用的射频空间通信系统,卫星光通信具有非常明显的优势的同时,其在实现过程中也有着亟待攻克的技术难点,其中包括高精度的光学系统、复杂的瞄准、捕获、跟踪(PAT)系统的设计等。 为了保证卫星光通信系统在空间极度苛刻的环境条件下能够正常工作,并满足高精度的技术指标,这就要求光学天线望远镜的光学元件和机械结构必须具备足够的稳定性和可靠性。卫星光通信终端的关键部件光学天线望远镜在设计过程中应该考虑各种因素从而避免或尽量降其在空间工作状态下光学元件及其机械结构的形变而对通信系统的影响,这是一项综合系统的设计过程,也是一项反复迭代、不断优化的过程。 本课题研究对象为改进型的卡塞格林望远镜。作为卫星光通信终端的主要光学部件,光学天线望远镜的主反射镜、副反射镜以及连接桁架的设计、分析和研究对光学系统的稳定性和可靠性起着重要的作用,因此对光学天线望远镜进行光学设计、机械结构设计和针对因自身重力而导致的形变进行有限元分析是有必要的。 本论文的研究主要包括以下三个方面: (1)光学天线望远镜的光学设计和仿真。结合卫星光通行光学系统指标参数,基于二次曲面面型R-C望远镜的三级像差理论,设计了符合要求的不同入瞳直径的两镜光学天线望远镜。 (2)光学天线望远镜的机械结构设计及因自重而引起的形变的有限元计算。;在光学天线望远镜设计参数的基础上,确定了其的主反射镜、副反射镜和连接桁架机械支撑结构,并在此基础上利用ANSYS软件计算了光轴竖直方向情况下各组成部件的重力形变位移值。 (3)光学天线望远镜的光学性能进行像质评价。基于自重形变的有限元分析的计算结果,主要针对光学天线望远镜系统的光学波前、弥散斑直径和MTF这三项光学性能指标利用CODE-V软件进行对比分析。


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