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。     

Galileo卫星激光反射器的结构设计

卫星激光反射器的结构设计是激光反射器设计的重要内容,本文以Galileo卫星激光反射器为例,阐述了中高轨导航卫星激光反射器结构设计所需解决的问题和措施途径,包括结构总体布局、角反射器组件结构、材料设计、减振缓冲、静电防护、热控技术等;并针对航天环境载荷(结构装配、恒加速度、振动、冲击、热循环等),对激光反射器的机械和光学性能影响进行了分析、计算和讨论,以此验证结构设计的可行性;Galileo卫星实际测距效果理想进一步表明Galileo反射器结构设计的合理。     

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。     

动态激光聚焦光学系统仿真设计

由激光空间与时间的高度集中性,可通过光学聚焦在目标处形成极小的具有极高峰值功率密度的光斑,从而获得对目标良好的毁伤效果。常见的户外激光设备作用距离远近不一,很难保证同一个光学系统在各个不同距离处达到最佳聚焦打击效果,本文针对常见的30～300 m处的目标,结合ZEMAX光学软件,采用反摄远型光学结构,对各个目标距离进行精确聚焦,系统在各聚焦位置皆达到了衍射极限。在衍射极限光学系统下,进行POP物理光学分析,分析结果与理论设计目标相符。最后进行了热仿真,计算了温度20～70℃条件下,聚焦系统性能的变化情况。     

机载激光测照器发射光轴不稳定度仿真分析

针对某型无人机机载激光测照器,分析了导致激光发射光轴产生偏离的原因,然后使用CAE软件ANSYSWorkbench分别对受安装力、热和振动等因素影响下的结构形变进行仿真,通过谐振腔光路和扩束光学相关公式计算得到激光发射光轴的最大综合偏转角,从而确定出激光测照器的发射光轴不稳定度,以验证设计是否满足相应可靠性指标要求.