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。     

空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时,因中心遮拦造成的能量损失,也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷,提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构,并采用Zernike多项式自由曲面面形,增加系统设计自由度,提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例,并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明:离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线,因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。     

大容差中波红外激光通信终端光学天线研制

为了降低激光通信光学系统公差要求,节省研制成本,减小大气散射对激光通信链路的影响,采用波长工作在大气窗口的中红外激光器作为激光通信光源,研制了与之匹配的中波红外激光通信终端光学系统。首先,利用激光通信能量链路传输方程,根据中波红外激光器光束参数和接收端探测器灵敏度,计算出光学天线口径、发散角等设计参数,并给出激光通信收发光学系统波像差要求。接着,利用ZEMAX软件进行了中红外激光通信收发光学系统的设计与公差分析,对两系统进行了加工、测试,完成了系统研制。测试结果显示,中红外激光通信发射光学天线光学传递函数与理论值最大偏离9.3%,接收光学系统波像差RMS为0.075λ (λ=4.7 μm),满足设计要求。结果表明:采用中红外激光作为激光通信光源可降低光学天线的加工装调难度。     

离轴非球面无光焦度系统的设计

以三级像差理论为基础,对反射式无光焦度系统的像差进行了分析.得出的结论为:在主、次镜均为抛物面的前提下,反射式无光焦度系统可以同时消除四种像差.以此结论为基础,综合离轴反射系统的优点,得出了一套离轴反射式无光焦度系统.以光束口径为φ100mm、缩束倍率β=5、主镜离轴量h=150mm的离轴反射式无光焦度系统为例,根据系统的像差结果可以看出,三级像差理论的分析结果是正确的.     

空间相机离轴三反红外光学系统设计

针对空间光学系统长焦距、大视场、小型化、轻量化、大相对孔径、高成像质量的特点和发展趋势,通过对非球面反射式光学系统设计模型及其理论参数的研究分析,在共轴三反射式光学系统的基础上,提出了一种离轴三反射式红外光学系统的设计方法.利用ZEMAX求解并优化,设计一个焦距f=1000 mm,视场角为4°,D/f=1/4的反射式离轴光学系统.使该系统在50 lp/mm空间频率处传函达到0.3以上,接近衍射极限,全视场弥散斑控制在10μm以内,满足空间照相机的需要.该系统克服了共轴三反存在中心遮挡的问题,提高了系统的像质.     

主三镜一体化离轴三反光学系统设计

离轴三反光学系统具有成像质量高、可实现大视场、无遮拦等优点,但其装调难度大,镜面支撑结构质量大。为解决这些问题,基于三级像差理论,研究一种主镜、三镜可集成一体化的大视场离轴三反光学系统,并以焦距为1 200 mm,F数为12,视场为101的光学系统为例进行了验证设计。结果表明:调制传递函数接近衍射极限,视场内平均波像差RMS值为/55,最大波像差RMS值为/22。设计结果显示,光学系统装调自由度由12个减少到6个,可使光机系统可得到简化,实现了主三镜一体化设计。     

离轴双程像传递系统光学设计研究

根据矩阵传输理论,建立数学模型,分析了光束在双程像传递系统中的传输。在ZEMAX软件中建立模型,并对光线进行了追迹,通过对光线离轴以及透镜的倾斜进行研究,发现其对光束质量影响很大。表明透镜F数的设计是否合适在这种类型的光学系统中很关键,并且为了减小系统像差,并确保没有破坏性的鬼点,必须优化得到合适的离轴量以及透镜的倾斜角度。     

基于空间光通信卡塞格伦天线弊端的探讨

对于任何通信系统而言，天线能否正确发射和接收有效信号是人们最为关心的问题。对于点对点的激光通信系统而言，由于激光与电波迥然不同的特点，在天线系统的设计上更需严格要求。在空间光通信系统中，光学天线是一个物镜系统，通过折射、反射和折射一反射光学系统实现，目前应用比较广泛的是牛顿系统、格林系统以及卡塞格伦系统。讨论了卡塞格伦天线系统．该系统的结构（双反射式）决定了存在遮挡比造成光能量浪费的潜在问题，也就是所谓的渐晕现象。另一个问题是像差，也就是卡塞格伦天线系统要获得良好的像质必须以牺牲视场为代价。基于这两点提出了减小渐晕的几种新方案，并从减小像差上进行了理论分析。     

激光通信终端光学系统杂散光抑制技术研究

随着空间应用领域的扩展,卫星激光通信凭借其在速率、带宽、体积、重量和功耗等方面的优势而得到广泛应用。对于卫星光通信来说,终端光学系统的性能直接影响通信的可靠性和稳定性,本文根据激光通信中收发一体、双向双工工作模式对收发隔离度的要求,采用Code V软件完成了830nm激光通信终端光学系统设计,实现物方全视场15mrad,全视场MTF值>065@100线对/mm,限制光线出射角不小于8SymbolpB@,设计结果满足系统使用要求。通过对光学系统杂散光分析与抑制技术研究,控制轴外杂散光在离轴角5°～20°时杂散光抑制能力大于45dB且20°时大于60dB。实验结果给出830nm激光通信终端光学系统光路图并对系统轴外杂光范围及抑制能力进行了测试,测试结果与仿真的结果一致,满足卫星激光通信系统使用要求。     

离轴反射光学系统像差特性研究

以轴对称光学系统的初级矢量波像差理论为基础,通过引入孔径缩放因子和孔径偏移矢量,获得了离轴反射光学系统初级像差特性。通过分析可知:离轴反射光学系统的初级像差依然由球差、彗差、像散组成。由于孔径缩放因子存在,离轴反射光学系统的波像差系数均有不同比例的减小,且轴对称光学系统的高级孔径像差会在对应离轴光学系统中引入较低阶孔径像差,例如轴对称光学系统未校正球差,对应的离轴光学系统除过球差外还将引入彗差、像散等。相比于轴对称光学系统的像差,由于孔径偏移矢量的引入,离轴反射光学系统的像差不再关于中心视场旋转对称,有可能在轴外视场产生像差零点。     

离轴式空间光学遥感器的热设计与仿真

针对某离轴式空间光学遥感器光学系统和支撑结构的几何尺寸大、通光孔面积大、易产生较大的轴向和径向温度梯度特点,采用热隔离、热疏导及多分区温度补偿等手段对其进行了热控设计.通过建立遥感器结构的热分析有限元模型,利用I-DEAS/TMG软件进行了轨道外热流、高低温稳态工况及瞬态工况仿真分析.分析结果表明,热设计方案合理可行,...     

Adaptive cooperation for free space optical communications

Telecommunication Systems - In this paper, we propose a new Adaptive Cooperation (AC) protocol for Free Space Optical (FSO) communications. Two versions of the protocol are presented. The first...     

Pointing, acquisition and tracking for optical space communications

Free-space links between satellites provide a means of introducing increased connectivity into a satellite system. This can result in enhanced traffic capacity and extended coverage for telecommunication systems and real-time relay of instrument data to the ground for Earth observation missions. Optical links offer the potential advantages over microwave links of lower mass and power and reduced size so that they can be accommodated more easily on the satellite. However the narrow optical beamwidths involved result in stringent pointing, acquisition and tracking (PAT) requirements. This paper describes a concept for a compact PAT system which employs a passive antivibration mount to filter out high-frequency disturbances from the satellite. This is under development as part of the ESA-funded Small Optical User Terminal (SOUT) programme. The system concept, hardware implementation, and results of breadboarding critical items are presented     

Satellite communications relay system using a retrodirective space antenna

A system has been developed for relaying messages via a satellite between earth points. In this system, messages transmitted to a satellite modulate a retrodirective antenna. Earth stations receive messages by irradiating the satellite antenna. Methods of modulating the retrodirective array are discussed with emphasis on methods to facilitate communications among several ground stations. There are advantages in spectrum usage and sharing with surface facilities. System design parameters are presented. Minimal power is required in the satellite as compared to the active communications satellites. Extremely high reliability is inherent in the design of the satellite electronic system, which can be made entirely from solid-state components.     

Pulse-coded multiple access in space optical communications

There is interest in space-based wireless optical networks with nonsynchronous multiple access capability. Since space links are usually power-limited, pulsing is necessary to accomplish the multiple accessing and data transmission. In this paper, a nonsynchronous pulsed multiple-access optical-space system using code sequences for identifying stations is considered. Both OOK and PPM data encoding is considered and the link data rates and bit error probabilities (PE) are examined. It is shown that the achievable data rates are limited by the multiple access coding and the link SNR, while the PE can be either crosstalk or power-limited. It appears that moderate data rates (tens of Mb/s) are feasible with networks of about 5-20 stations even with low-link SNR     

自由空间光通信中精跟踪系统的辨识

精确的精跟踪系统模型为研究精跟踪的控制算法,找到影响其动态、静态性能的关键因素提供了重要的条件。设计了精跟踪辨识系统,该系统包括:快速倾斜镜、CCD、DA 以及相关的电子设备。精跟踪模型传统上被认为是一个二阶系统,通过输入输出数据、模型类和最小二乘等价准则等一系列过程确定精跟踪的模型。为了评估该辨识方法的性能,将最小二乘辨识法得到的模型与传统的频率响应法得到的模型做比较。通过验证发现,两种模型的输出与实际系统输出的模型残差平方和分别为8.20 和89.52,相关系数分别为0.98 和0.95。结果表明,最小二乘法得到的精跟踪模型比频率响应法得到的模型更准确地反映出实际系统的特性。     

机载光通信平台振动模拟系统的设计与实验

设计了基于音圈电机(VCM)和压电陶瓷(PZT)快速倾斜镜(FSM)的双级振动模拟系统,用于模拟光通信中机载平台对光束的扰动。振动模拟系统结合了VCM和PZT的优点,使得模拟系统角度分辨率为1μrad,在不经过光路的放大或压缩的情况下,光束振动幅度为124mrad。验证结果表明,系统模拟的美国Altair无人机振动功率谱密度函数与其输入的无人机功率谱密度函数的相关系数为0.93,真实再现了机载平台的振动特性。机载振动模拟系统的构建为后期光通信中跟踪控制系统的设计与优化奠定了基础。     

Stratospheric balloons as a testbed for optical space communications technology

An experimental optical communications link between two stratospheric balloons is proposed as an intermediate step from limited ground laboratory tests to costly space operations. Such an experiment can overcome many environmental constraints encountered on the ground, and allows all measurements to be made directly in the antenna far field. Early performance demonstrations are possible which allow experimental trade-offs between alternative technologies and the verification of concepts, critical system parameters and subfunctions under near space conditions.     

微带环形平面双频超宽带天线设计

提出了一种微带双频UWB天线的设计,结合ADS,HFSS仿真工具;对天线结构进行理论优化并通过大量仿真对天线尺寸进行调整;优化出适合UWB FCC提出的3.1-10.6GHz频带范围的双频微带天线,此天线的优点不需要任何加载,结构简单;仿真结果表明天线性能良好,满足一定的带宽需求。