面向波前差的激光通信光学天线光机支撑结构设计与优化研究

发布时间：2020-03-24 03:52

【摘要】：激光通信是一种以激光束作为载波,采用光调制器将需要传递的信息调制在激光束上进行通信的技术,具有传输数据率高、抗干扰和抗截获能力强等优点,是解决传统微波通信传输速度瓶颈、构建天基宽带、实现对地观测海量数据的实时传输以及辅助和维持量子通信建立通信链接的有效技术途径,目前已成为未来空间高速通信及高保密信息传输领域的研究热点。由于具有压缩远场光束保证远场光束的光强以及通过对接收光信号的准压缩实现微弱信号的接收等功能,因此激光通信光学天线对整个系统的性能有重要的影响。并且由于激光通信光学天线工作在衍射极限附近,在这种高像质的需求下,温度波动等因素引起的系统波前差会严重影响激光通信光学天线对微弱信号光的接收以及增强远场光束光强等功能。本文依托于某预研的激光通信终端项目,采用“光机一体化”的思想,以系统波前差为评价指标,从系统级角度对承受内部机械载荷、外部环境扰动等因素影响下激光通信光学天线的光机结构特性进行深入研究,为光机结构的设计和优化提供有力支撑,主要研究内容有:1.对光机一体化设计与分析方法的理论基础进行详细研究。首先,详细阐述了光机系统设计的理论基础,主要包括光机系统的特点,设计原则、一般设计过程以及结构优化方法,为激光通信光学天线光机结构设计提供理论指导;其次,概述了光机系统分析的方法并对结构动力学分析理论进行了阐述,为光学天线光机结构的仿真分析奠定理论基础;最后,从有限元理论、光机数据转换方法以及光学系统性能评价三个方面对光机一体化分析方法的理论基础进行研究,并以此为基础,提出激光通信光学天线光机结构优化设计的技术路线;2.对激光通信光学天线主反射镜组件进行面向光学元件表面形状误差的集成优化设计研究。首先,通过仿真计算研究了在1-g重力环境下温度变化范围为20±2℃时不同数量轻量化孔的主反射镜面形误差的变化趋势,并给出了主反射镜结构设计方案;其次,为了降低主反射镜的动力学响应,结合主反射镜位置特点,通过建立以刚度最大化为优化目标的拓扑优化理论模型,设计出了主反射镜支撑结构的初步构型;最后,基于以上研究,建立面向主反射镜面形误差的集成优化模型对主反射镜组件结构参数进行优化以降低组件结构变形对主反射镜面形的影响;3.对激光通信光学天线次反射镜组件进行面向系统波前差的集成优化研究。对激光通信次反射镜组件设计方案特性进行分析,以此为前提和约束,并结合常见柔性铰链特性,提出了一种满足使用要求的新型柔性铰链;通过建立柔性铰链的理论模型,对其转动特性进行了研究,确定了控制转动柔度关键参数;根据次反射镜变形特点及刚度需求,研究了次反射镜支撑结构的两种柔性铰链布局对其刚度特性的影响;最后,基于以上对次反射镜组件的研究工作,提出了一种面向系统波前差的集成优化方法,来对次反射镜变形方向进行优化以降低系统波前差;4.对激光通信光学天线整机进行了结构动力学仿真计算并搭建实验原理样机测量了温度变化工况下的波前差。对激光通信光学天线进行了模态分析、正弦振动响应分析以及随机振动响应分析,考核了结构在不同振动条件下的可靠性;通过实验研究了光学天线在温度变化工况下系统波前差的变化特点,验证了主、次反射镜组件的集成优化设计的正确性。
【图文】：

激光通信,有效载荷

面向波前差的激光通信光学天线光机结构设计与优化研究如表 1.2 所示[19]。表 1.2 光学载荷关键系统指标Table 1.2 Key system indicators of the optical payload 数值指标名称 /nm 1550 指向偏差/urad mrad 1.0~1.6 指向抖动（RMS）/urad 率/W 2.5 最大天顶角/(°) 率 >0.833 最远通信距离/Km

激光通信,终端,飞机

面向波前差的激光通信光学天线光机结构设计与优化研究 USAF-KC-135 飞机在新墨西哥白沙靶场开展了项目的目标是在 10-100Km 空地通信的距000Mbps 的通信速率，是世界上首次飞机对地军激光通信研究实验室的资助下，1996 年 Th地亚哥开展了 RILC 对地激光通信试验，，如图高度 11000 米，通信距离 20000~30000 米的速率。之后在 1999 年，使用 T39A 飞机在飞000~500000 米的条件下同样实现了 1Gbps 的
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN929.1

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