空间光学成像与激光数传共口径技术研究

发布时间：2017-03-19 10:00

  本文关键词：空间光学成像与激光数传共口径技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着空间高分辨率相机的发展,基于微波的数据传输方式越来越不能满足日益提升的星地数传速率需求,寻求新的传输方式迫在眉睫。空间激光通信具有频带宽、信息容量大、抗截获能力强等优势,是突破现阶段星地数传带宽瓶颈的有效手段。至今,美国、欧洲、日本、中国已相继成功实现了星际或星地激光通信,空间激光通信系统即将迈向实用化。空间高分辨相机与激光通信天线光学系统结构类似,如能将二者共口径设计,则可充分利用高分辨相机的大口径优势,实现高增益光束传输,同时突破带宽瓶颈、减轻卫星负载,具有重要研究意义。本文致力于空间高分辨成像与激光数传共口径光学系统的设计方法研究,为实现该共口径系统的实际星上应用奠定基础。空间高分辨相机和激光数传系统均是高、精、尖的光机电一体化系统,研究数传光束的高精度控制方法、共口径系统的分光方法及共用形式是共口径设计的前提。本文首先分析了各初级单色像差对数传系统地面接收能量、光束指向偏差等的影响,指出共口径系统的大口径特点使其像差指标相对独立的小口径数传系统可适当放松;相对离轴系统,同轴三反系统更适于共口径设计,因此本文基于同轴三反系统提出了三种分光方法——波段分光、时间分光、视场分光,同时根据成像与激光数传对口径需求的不同,将共口径形式分为全口径共用和部分口径共用两种;最后搭建了成像与激光数传共口径实验系统并进行了室内实验,初步验证了共口径设计的可行性。为发挥共口径系统的高增益优势,同时提高数传能量发射效率和保证高分辨系统的像质,对基于偏视场同轴三反系统的分视场全口径共用光学系统的初始结构设计展开研究。通过讨论次镜遮拦比、一次像面与成像畸变的关系,得出同时兼顾能量发射效率和成像像质的共口径系统初始结构推导方法;为使全口径共用系统适应系统跟瞄精度的要求,提出了两种扩散角控制方法——光源视场排布法和离焦法,分析指出离焦法更具实用性;最后根据具体的成像、数传任务进行了实例设计,设计结果显示在共口径系统实现高增益的同时,高斯光束能量发射效率可达67%,而成像畸变小于0.55%,满足任务指标要求。共口径激光数传系统发射束散角小的特点使实际星地数传链路建立和维持的难度增大,为实现共口径系统的对地数传应用、降低误码率,对数传APT(Acquisition,Pointing and Tracking)系统和地面接收系统展开研究。通过采用整星姿控系统和快转镜联合控制的对地激光通信跟踪模式,对APT光学支路进行了分析与具体设计论证,设计结果显示在简化跟瞄系统的前提下该APT系统可满足高增益共口径系统激光通信要求;此外,建立了光纤耦合接收情况下接收系统像差与相干、非相干调制下误码率间的关系,提出了利用像差间的相互补偿降低误码率的方法。本文提出的空间高分辨成像与激光数传共口径的全新光学系统实现形式,可实现高分辨成像和高增益、高速激光数传两种功能,突破了数传带宽瓶颈,减轻了卫星负载,具有重大应用价值。该研究将推动新型光学系统的研制与应用,同时为卫星载荷甚至卫星的集成化发展提供借鉴。
【关键词】：空间高分辨相机 空间激光数传 共口径设计 能量发射效率 均方根波像差 捕获跟瞄
【学位授予单位】：中国科学院研究生院(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】：2015
【分类号】：TN929.1
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目录10-13
• 第1章 绪论13-35
• 1.1 研究背景与意义13-15
• 1.2 相关领域研究现状和发展趋势15-33
• 1.2.1 高分辨率光学相机研究现状15-20
• 1.2.2 卫星激光通信光学系统研究现状20-30
• 1.2.3 新型共口径集成化系统研究现状与趋势30-32
• 1.2.4 小结32-33
• 1.3 本论文研究内容与章节安排33-35
• 第2章 空间高分辨成像与激光数传共口径基础理论35-51
• 2.1 空间高分成像与激光数传共口径系统概述35-37
• 2.2 高分成像与激光数传性能影响因素分析37-44
• 2.2.1 高分辨遥感相机分辨率影响因素分析37-41
• 2.2.2 激光数传性能影响因素分析41-44
• 2.3 高分成像系统与激光数传系统设计理论44-50
• 2.3.1 高分辨成像光学系统选型与设计理论44-49
• 2.3.2 空间激光数传光学系统49-50
• 2.4 小结50-51
• 第3章 共口径光学系统像差影响理论与设计方法51-78
• 3.1 像差对激光数传性能影响研究51-59
• 3.1.1 光学系统的波像差理论52-53
• 3.1.2 初级单色像差对远场光能量接收的影响与补偿53-57
• 3.1.3 初级单色像差对光束指向偏差的影响与补偿57-59
• 3.2 高分成像与激光数传共口径系统设计方法研究59-68
• 3.2.1 分光路方法研究60-64
• 3.2.2 共口径形式分析64-68
• 3.3 成像与数传共口径系统实例设计与验证68-76
• 3.3.1 共口径实验系统设计68-71
• 3.3.2 系统性能测试及结果71-76
• 3.4 小结76-78
• 第4章 基于同轴三反的分视场全口径共用光学系统设计78-98
• 4.1 引言78
• 4.2 初始结构设计理论78-85
• 4.2.1 系统限制条件分析78-79
• 4.2.2 共口径系统初始结构推导方法79-85
• 4.3 共口径系统出射光束扩散角的控制85-90
• 4.3.1 光源视场排布法87-88
• 4.3.2 离焦法88-90
• 4.4 共口径光学系统设计与评价90-97
• 4.4.1 任务指标要求及相关参数计算90-92
• 4.4.2 系统初始结构求解及优化92-95
• 4.4.3 共口径系统评价与分析95-97
• 4.5 小结97-98
• 第5章 共口径系统应用研究98-116
• 5.1 引言98
• 5.2 共口径系统的APT系统设计98-107
• 5.2.1 APT系统工作原理98-101
• 5.2.2 APT系统设计需求101-102
• 5.2.3 粗跟踪系统设计102-103
• 5.2.4 精跟踪与信标光路设计103-105
• 5.2.5 复合设计结果与评价105-107
• 5.3 地面光纤耦合接收系统设计分析107-115
• 5.3.1 光纤耦合接收系统指标分析107-109
• 5.3.2 像差对相干、非相干调制下误码率的影响109-115
• 5.4 小结115-116
• 第6章 总结与展望116-119
• 6.1 论文完成工作116-117
• 6.2 创新点117
• 6.3 展望117-119
• 参考文献119-128
• 在学期间学术成果情况128-129
• 指导教师及作者简介129-130
• 致谢130

【参考文献】

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