常用卫星角反射器阵列的结构设计

卫星角反射器阵列作为激光测距系统中的合作目标,用于提高大观测范围内反射光束的能量.角反射器阵列的结构形式直接决定其两项重要的性能指标:回波光电子数和质心改正误差.为了优化设计出常用角反射器阵列的结构参数,必须保证观测范围内"接收信号的回波光电子数最大化"和"质心改正误差最小化".根据带合作目标的激光测距机工作原理,推导了接收信号的回波光电子数及其质心改正误差的数学表达式.以阵列结构参数优化为目的,给出了常用角反射器阵列结构的设计方法.以日本ADEOS-Ⅱ卫星角反射器阵列为例,仿真计算了角反射器阵列的结构参数:设计得到角反射器为9个、结构倾角和方位角分别为50°和45°,其半球半径约为85.7 mm,这些结果与ADEOS-Ⅱ实际参数结果完全相符,从而验证了设计理论的正确性.     

HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。     

1″级四面体组合合作目标激光雷达散射截面实验与理论研究

采用激光雷达散射截面（ＬＲＣＳ）测量系统，在１．０６μｍ激光波段，测量了１″级四面体角反射器俯仰角０°时，方位角±５０°范围的ＬＲＣＳ，并对由四面体角反射器组合而成的梯形合作目标进行了俯仰角０°～２４°变化时，方位角±６４°范围的激光雷达散射截面测量，角分辨率１°。给出了实验曲线与数据，实验结果与理论计算较好吻合。表明合理选择角反射器组合形式，保证加工精度，可以增强反射信号，扩大光测范围，实现在恶劣条件下，雷达的远程和大角度范围跟踪。最后讨论了影响测量精度的原因。     

区域观测卫星激光反射器有效反射面积的设计

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布,进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中,地面台站只需对卫星局部天区过境观测,但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积,且对质量和尺寸有限制,需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型,并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例,给出了有效反射面积的仿真结果,并进行了实验室测试。结果表明,局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符,为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。     

圆形稀布阵列天线综合

将智能优化算法应用到圆形阵列天线综合当中,介绍了圆形稀布阵列天线的设计方法,利用入侵杂草算法优化阵列单元的位置,得到旁瓣电平尽量低的方向图。文章介绍的方法不但能够对相邻阵列单元的最小间距、阵列天线孔径尺寸和阵列单元数目进行限制,而且能够降低圆形稀布阵列天线优化过程的复杂程度。     

光束传输的三维模型

采用激光雷达散射截面(LRCS)测量系统,在1.06μm激光波段,测量了1″级四面体角反射器俯仰角0º时,方位角±50º范围的LRCS,并对由四面体角反射器组合而成的梯形合作目标进行了俯仰角0º～24º变化时,方位角±64º范围的激光雷达散射截面测量,角分辨率1º。给出了实验曲线与数据,实验结果与理论计算较好吻合。表明合理选择角反射器组合形式,保证加工精度,可以增强反射信号,扩大光测范围,实现在恶劣条件下,雷达的远程和大角度范围跟踪。最后讨论了影响测量精度的原因。     

试验卫星激光反射器的设计和试验

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星,为提高在轨精度和实现卫星精密定位,作为舱外有效载荷,两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响,不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例,基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础,采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化,利用角度补偿法进行速差补偿角设计,对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算,并通过合理的机械结构和材料设计,解决了高量级力学环境、330℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明:参数设计合理,可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化,在轨观测数据表明反射器工作正常,测距精度、测距范围等指标满足预期设计,理论设计和实践相符,这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。     

角反射器合作目标的远场衍射能量分布理论分析

本文对角反射器合作目标的一般特性进行了简要的介绍;分析讨论了角反射器的远场能量分布;着重讨论了角误差对远场能量分布的影响。可作为设计角反射器的依据。     

导航卫星激光反射器技术发展综述

卫星激光角反射器(laser retro-reflector,LRR)作为SLR系统空间载荷部分,装载在卫星表面,其作用是增强星体目标对激光信号的反射率,实现星地距离的精密测距。导航卫星激光反射器是星载激光反射器应用的一个主要分支,本文主要就导航卫星激光反射器国内外技术发展现状、光机设计主要问题、未来趋势和研究方向进行了扼要的评述、讨论和展望;所叙述的内容对其他类型激光反射器的设计同样有借鉴作用。     

一种新型Ku波段龙伯透镜反射器

与传统制造工艺相比,3D 打印技术制造龙伯透镜加工简单,精度更高,成本更低。提出一种采用超材料单元构成的新型结构的龙伯透镜反射器。通过改变单元结构的尺寸,设置梯度折射率趋于连续变化,借助电磁场三维仿真软件CST 对单元结构进行仿真,利用等效媒质理论进行计算,从而得到单元结构的有效介电常数。仿真结果表明,透镜直径仅仅为75mm 时的反射器就可实现-1.49dBm² 量级的RCS,并且具有宽角响应。     

采用四象限探测器的激光跟踪系统设计

为简化自由空间激光通信的跟踪系统,本文采用四象限探测器检测目标位置,通过峰值保持电路稳定激光脉冲峰值并计算脱靶量,结合角速率和角位置信息,采用基于位置环、速率环、电流环的闭环控制算法实现视轴稳定与目标跟踪。仿真设定载体扰动频率为3 Hz时,系统的隔离度达到1.0%;目标位置±20°正弦变化时,能稳定跟踪;脱靶量噪声是跟踪误差的主要因素,峰值信噪比20 dB时,跟踪误差0.07°。结果证明系统设计可行,为激光跟踪样机研制奠定了基础。     

半导体激光器堆栈快轴光束质量计算的研究

以高斯光束传输理论为基础,结合半导体激光器堆栈结构,建立了半导体激光器堆栈快轴方向光束传输理论模型,并引入单个半导体激光器阵列的发散角和指向性因子,对半导体激光器堆栈快轴方向光束质量计算方法进行了修正,最后通过实验对计算结果进行验证。结果显示,相对于实验测量值,该理论模型计算值的误差仅为2.14%,与修正前的计算误差24.16%和18.36%相比,在精度上有了很大程度的提高,因此,该方法可行,能更精确的反应堆栈快轴的光束质量。     

激光选区熔化纯铜成形件尺寸精度的研究

为了研究工艺参量对激光选区熔化纯铜粉末成形件尺寸精度的影响,采用正交实验对纯铜粉末进行了激光选区熔化成形研究。分析了铺粉厚度为0.05mm时,工艺参量对成形件尺寸绝对误差的影响规律及各因素对尺寸精度的影响机理,确定了各工艺参量对尺寸绝对误差影响的主次顺序为扫描间距>扫描速率>激光功率>扫描路径,得到最优的工艺参量组合为激光功率360W,扫描速率1050mm/s,扫描间距0.08mm,扫描方式是spiral。结果表明,成形件尺寸绝对误差随激光功率的增大而增大,随扫描速率、扫描间距的增大而减小;不同扫描路径对尺寸绝对误差的影响差别较小;在因素水平范围内,尺寸绝对误差随体能量密度的增加而增大。该研究为激光烧结纯铜粉末时的参量选择提供了一定依据。     

半导体侧泵模块激光晶体内吸收光场分析

建立了半导体侧面泵浦模块中激光晶体的吸收光场分布模型,利用Matlab软件计算了吸收光场的归一化分布形貌,提出了两个重要参数:阵列切向位移量与径向角度偏离度。结果表明:当阵列切向位移量为0~0.5 mm时,晶体相对吸收强度、光场均匀性等参数基本不变;当该数值大于0.5 mm时,吸收强度急剧下降、光场不均匀性急剧增加;相比而言,径向角度偏移对晶体吸收光场分布的影响较小,总体上呈现随着该数值的增加,吸收强度减小、光场不均匀性增加。以上研究结论为目前半导体侧泵模块的研制生产提供了理论指导。     

半导体激光列阵的高功率高亮度光纤耦合技术

设计了一种可同时实现高功率和高亮度激光输出的简单有效的光纤耦合技术.首先借助光纤列阵实现光束由线性排列到圆形排列的转换,从而有效提高半导体激光列阵输出光束的对称性;然后通过微透镜将光纤列阵输出的圆对称光束耦合进入一根较细的光纤,以进一步压缩光斑直径并提高光束亮度.基于几何光学的理论分析表明;在合适的参数条件下,直径为1.3 mm的光纤列阵输出光束与直径为0.4 mm的单根光纤的耦合效率可达90%以上,即在功率损耗低于10%情况下,激光束的亮度提高了近9倍.     

Research on Improving Directional Stability for Airborne Laser Designator

The major purpose of this paper is to reduce the laser directional deviation of laser designator on a moving platform.A new method of inhibiting the laser beam positional error caused by platform movement and vibration is proposed.In this method,quadrant detector(QD)and fast steering mirror are combined to measure the angle between laser designator axis and the line-of-sight of the target,then a control signal composed with the angle errors is generated to aim the axis of the laser designator at the target ...     

激光二极管抽运Nd∶YAG双薄片激光器

激光介质的热效应是高平均功率固体激光器面临的最大挑战,采用薄片激光介质是解决热效应的有效手段之一。当在抽运区尺寸远大于薄片厚度并且抽运光均匀分布的条件下,热流近似为沿厚度方向的一维分布,从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射。设计了四通光学耦合系统,通过提高二极管激光器阵列输出激光强度分布的均匀性,并优化经微柱透镜准直后光束的发散角,实现了抽运光的近平顶分布。采用两片1 mm厚的Nd∶YAG薄片激光介质,在两个峰值功率2000 W,占空比为15%的二极管激光器阵列抽运下,获得了峰值功率1440 W,平均功率216 W的准连续激光输出,光光转换效率达到36%,电光转换效率超过16%,在稳腔下测得的光束质量M2因子约为12×13。     

应用邻域相关处理技术的激光报警装置

介绍了作者研究设计的邻域相关处理技术.该技术能有效地提高光电二极管阵列式激光报警器分辨率,降低成本.应用这种技术设计了一台激光报警装置,通过对激光报警装置进行的原理性接收试验,证明了在相同数量的光电管下,邻域相关处理技术能成倍地提高激光报警的探测精度,邻域相关处理技术的原理是可行的.     

基于微透镜阵外腔的光纤激光谱组束耦合效率分析

为了克服光纤激光外腔谱组束系统中增益带宽和透镜像差对组束阵元数量的限制,在系统中加入了微透镜阵。根据光束变换理论,建立了基于微透镜阵的光纤激光外腔谱组束系统的外腔耦合效率分析模型。通过数值模拟,对各种相关参数对耦合效率的影响进行了仿真分析。结果表明:微透镜阵的加入极大提高了阵元的耦合效率和系统的组束潜力;为了获得尽可能高的耦合效率,需要对离焦量进行合理配置并设计具有较长焦距的微透镜;横向对准误差是影响耦合效率的主要因素,对于宽度为10 mm的组束光纤阵列,为保证60%以上的耦合效率,在θy≤2 mrad的同时需将横向位置偏移量δy限制在10μm以内。