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空间光学成像与激光数传共口径技术研究

李艳杰  
【摘要】:随着空间高分辨率相机的发展,基于微波的数据传输方式越来越不能满足日益提升的星地数传速率需求,寻求新的传输方式迫在眉睫。空间激光通信具有频带宽、信息容量大、抗截获能力强等优势,是突破现阶段星地数传带宽瓶颈的有效手段。至今,美国、欧洲、日本、中国已相继成功实现了星际或星地激光通信,空间激光通信系统即将迈向实用化。空间高分辨相机与激光通信天线光学系统结构类似,如能将二者共口径设计,则可充分利用高分辨相机的大口径优势,实现高增益光束传输,同时突破带宽瓶颈、减轻卫星负载,具有重要研究意义。本文致力于空间高分辨成像与激光数传共口径光学系统的设计方法研究,为实现该共口径系统的实际星上应用奠定基础。空间高分辨相机和激光数传系统均是高、精、尖的光机电一体化系统,研究数传光束的高精度控制方法、共口径系统的分光方法及共用形式是共口径设计的前提。本文首先分析了各初级单色像差对数传系统地面接收能量、光束指向偏差等的影响,指出共口径系统的大口径特点使其像差指标相对独立的小口径数传系统可适当放松;相对离轴系统,同轴三反系统更适于共口径设计,因此本文基于同轴三反系统提出了三种分光方法——波段分光、时间分光、视场分光,同时根据成像与激光数传对口径需求的不同,将共口径形式分为全口径共用和部分口径共用两种;最后搭建了成像与激光数传共口径实验系统并进行了室内实验,初步验证了共口径设计的可行性。为发挥共口径系统的高增益优势,同时提高数传能量发射效率和保证高分辨系统的像质,对基于偏视场同轴三反系统的分视场全口径共用光学系统的初始结构设计展开研究。通过讨论次镜遮拦比、一次像面与成像畸变的关系,得出同时兼顾能量发射效率和成像像质的共口径系统初始结构推导方法;为使全口径共用系统适应系统跟瞄精度的要求,提出了两种扩散角控制方法——光源视场排布法和离焦法,分析指出离焦法更具实用性;最后根据具体的成像、数传任务进行了实例设计,设计结果显示在共口径系统实现高增益的同时,高斯光束能量发射效率可达67%,而成像畸变小于0.55%,满足任务指标要求。共口径激光数传系统发射束散角小的特点使实际星地数传链路建立和维持的难度增大,为实现共口径系统的对地数传应用、降低误码率,对数传APT(Acquisition,Pointing and Tracking)系统和地面接收系统展开研究。通过采用整星姿控系统和快转镜联合控制的对地激光通信跟踪模式,对APT光学支路进行了分析与具体设计论证,设计结果显示在简化跟瞄系统的前提下该APT系统可满足高增益共口径系统激光通信要求;此外,建立了光纤耦合接收情况下接收系统像差与相干、非相干调制下误码率间的关系,提出了利用像差间的相互补偿降低误码率的方法。本文提出的空间高分辨成像与激光数传共口径的全新光学系统实现形式,可实现高分辨成像和高增益、高速激光数传两种功能,突破了数传带宽瓶颈,减轻了卫星负载,具有重大应用价值。该研究将推动新型光学系统的研制与应用,同时为卫星载荷甚至卫星的集成化发展提供借鉴。


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