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卫星光通信光学系统优化设计及性能评测方法研究

俞建杰  
【摘要】:卫星光通信是以激光作为信息载体在卫星间进行高速数据传输的通信方式,目前已引起世界各国的广泛重视。随着卫星光通信应用领域的不断拓展,卫星光通信光学发射和接收系统的设计指标也进一步提高。现有卫星光通信终端所采用的折反射式光学收发系统设计方案,已不能完全满足高性能光学收发系统的发展要求,必须辅以其他方式对其进行优化设计。采用衍射光学元件(Diffractive Optical Elements, DOE)进行光学系统的优化设计,可实现传统折反透镜系统所不能实现的特殊功能,改善光学系统的发射和接收性能。而为了顺利实现光学系统的发射和接收技术指标,必须事先在地面实验室条件下对其进行评测和检验,发展相应的高精度评测方法和检验装置。 本文以卫星光通信终端的光学系统为研究对象,以发展高性能卫星光通信光学子系统及相应的高精度性能评测方法为研究目标,提出了基于衍射光学技术的发射和接收光学系统的优化设计方法及应用现代光电检测技术高精度检验光学系统性能的评测方法,其内容主要包括以下几方面: (1)发射光学系统优化设计方法 针对发射光学天线中的次镜遮挡会导致发射功率下降的问题,采用DOE对发射光束进行控制,以此提高光通信终端的发射能量利用率和远场光强峰值,达到优化设计的目的。鉴于光学天线的遮挡比和截断比对远场光束强度分布的影响,对不同遮挡比和截断比条件下的远场光强分布进行了计算机模拟计算,分析比较了发射能量效率和远场光强随遮挡比和截断比的变化情况。 针对信标光远场光强分布形式不利于系统捕获性能提高的情况,采用DOE对信标发射光学系统进行优化设计,使远场光强分布由类高斯分布变换为均匀分布,以此扩大可捕获范围,降低捕获难度。 为提高远场光强均匀度,改进了用于DOE设计的GS(Gerchberg-Saxton)算法,在位相迭代计算的每次循环中采用位相混合和输出面振幅比较相结合的方式控制输入光束位相的变换,以解决由于GS算法过早陷入局部极值而导致光强均匀度差的问题。对此进行了仿真分析,比较了改进算法和GS算法的计算结果。 (2)接收光学系统优化设计方法 接收光学系统中的探测器对其轴向位置的精度要求很高,探测器的微小移动均可能造成接收性能的显著变化。为降低接收探测器对位置精度的要求,采用切趾圆环对数光锥实现了接收光强轴向均匀分布,通过增大接收系统焦深范围的方法,克服接收探测器位置移动给系统接收性能造成的不利影响。 小型化和集成化是卫星光通信终端的重要发展趋势。为简化接收光路,欧空局采用DOE对信号光路和跟踪光路进行了复合设计。鉴于此设计的重大意义和详细设计的不可获取性,本文复现了该设计,并进行了计算机仿真和分析。 (3)高精度光学系统性能评测方法研究 高精度的评测和检验方法是保障光学系统发射和接收性能的必要条件。针对卫星光通信系统技术指标的发展要求,对同轴度、波前误差和光束发散角等评测方法进行了研究:①提出了光学发射和接收光轴同轴度的评测方法;②提出了光轴与机械轴的同轴度评测方法;③对发射光学系统的准直误差进行了研究,推导了光学天线主次镜轴向间隔误差与干涉条纹的对应关系;④研究了光束发散角的评测方法,并对其进行了误差分析。 本文的研究工作将推动新型光学系统在卫星光通信系统中的应用及卫星光通信终端小型化和集成化的发展,提出的几种光学系统性能评测方法可以为高精度光学系统的工程实现提供保障。


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