基于星间激光通信终端的光学天线设计与杂散光研究

发布时间：2017-10-05 00:29

  本文关键词：基于星间激光通信终端的光学天线设计与杂散光研究

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【摘要】：星间激光通信是空间激光通信网络的重要组成部分,卫星之间数百甚至上万公里的信息传输使到达终端的通信光能量极其微弱,而星上终端处于复杂的空间环境中,当杂散光进入通信终端时,会对跟踪捕获及通信过程造成很大影响。为了实现高质量的星间激光通信,必须对光学天线设计和杂散光抑制进行研究。不同于其他空间光学系统的是,收发一体的星间激光通信终端不仅要考虑空间环境的外部杂散光,还要考虑发射光束被各个光学元件后向反射产生的内部杂散光。本文以此为出发点进行了如下几方面的分析研究:1)对各种典型的天线光学系统进行比较分析,根据设计指标,最终确定了以改进的同轴卡塞格林结构和离轴两反结构作为光学天线进行研究,使用Zemax软件完成了光学设计并对两种天线进行了像质分析。2)依据星间激光通信终端所处空间环境,对外部杂散光进行了对比分析。总结了空间光学系统杂散光的分析模型、常见的消杂光方法以及杂散光评价函数。以改进的卡塞格林天线为例,设计了各级消杂光结构,并通过仿真实验分析了消杂光效果。3)针对星间激光通信系统的光学天线,提出了一种提高系统隔离度水平的优化设计方法,该方法通过增大YNI值减弱天线各元件表面的后向反射能量强度,在Light Tools软件中进行仿真实验,分析结果验证了该方法的正确性。对典型通信终端整体隔离度进行了计算,结果表明天线隔离度决定了终端整体的隔离度水平。分别研究了在IM/DD体制和相干探测体制下,通信单元探测器输出功率信噪比的计算方法,分析了系统在不同隔离度水平的情况下,信噪比的变化趋势,阐明了隔离度高低对激光通信终端的重要影响。本文通过对收发一体星间激光通信终端光学天线设计和杂散光抑制的研究,为实际工程提供了有价值的参考。
【关键词】：星间激光通信 光学天线设计 外部杂散光 隔离度 信噪比
【学位授予单位】：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN929.1;TN820
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-21
• 1.1 研究背景及意义11-12
• 1.2 国内外研究进展12-19
• 1.2.1 国外研究进展12-18
• 1.2.2 国内研究现状18-19
• 1.3 本文研究的主要内容和章节安排19-21
• 第2章 天线光学系统的研究与设计21-39
• 2.1 星间激光通信终端组成及各部分功能21-22
• 2.2 激光通信天线光学系统介绍22-28
• 2.2.1 透射式结构22-23
• 2.2.2 反射式结构23-28
• 2.2.3 折反混合式结构28
• 2.3 星间激光通信天线光学系统研究与设计28-37
• 2.3.1 关键参数选取29-31
• 2.3.2 卡塞格林式光学天线设计与像质分析31-36
• 2.3.3 离轴两反式光学天线设计与像质分析36-37
• 2.4 本章小结37-39
• 第3章 外部杂散光理论研究与消杂光设计39-53
• 3.1 星间激光通信系统外部杂散光理论研究39-42
• 3.1.1 杂散光类别概述39
• 3.1.2 星间激光通信系统外部杂散光来源39-42
• 3.2 光学系统消杂光方法研究42-47
• 3.2.1 光学元件表面散射模型42-44
• 3.2.2 杂散光传输方程44-45
• 3.2.3 消杂散光方法45-46
• 3.2.4 杂散光抑制水平评价函数46-47
• 3.3 基于D-K天线的消杂光设计与结果分析47-52
• 3.3.1 D-K天线系统的消杂光设计研究47-51
• 3.3.2 消杂光结果仿真分析51-52
• 3.4 本章小结52-53
• 第4章 内部杂散光研究53-79
• 4.1 内部杂散光理论研究53-58
• 4.1.1 内部杂散光的产生与评价方法53-55
• 4.1.2 内部杂散光抑制方法概述55-56
• 4.1.3 基于冷反射理论的天线后向反射强度评价方法56-58
• 4.2 光学天线的仿真验证与优化设计58-63
• 4.2.1 D-K天线系统的建模和仿真分析58-60
• 4.2.2 D-K天线优化设计60-62
• 4.2.3 离轴两反天线系统的建模和仿真分析62-63
• 4.3 激光通信终端总体隔离度分析63-67
• 4.3.1 典型终端的多光束隔离63-64
• 4.3.2 总隔离度的计算64-66
• 4.3.3 终端总隔离度随天线后向发射率的变化研究66-67
• 4.4 隔离度对信噪比的影响研究67-77
• 4.4.1 IM/DD体制下隔离度对信噪比的影响研究68-72
• 4.4.2 相干通信体制下隔离度对信噪比的影响研究72-77
• 4.5 本章小结77-79
• 第5章 总结与展望79-81
• 5.1 总结79-80
• 5.2 本文创新点80
• 5.3 研究展望80-81
• 参考文献81-87
• 在学期间学术成果情况87-88
• 指导教师及作者简介88-89
• 致谢89-90

【参考文献】

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本文编号：973776