【摘要】：激光通信是一種以激光束作為載波,采用光調(diào)制器將需要傳遞的信息調(diào)制在激光束上進(jìn)行通信的技術(shù),具有傳輸數(shù)據(jù)率高、抗干擾和抗截獲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),是解決傳統(tǒng)微波通信傳輸速度瓶頸、構(gòu)建天基寬帶、實(shí)現(xiàn)對地觀測海量數(shù)據(jù)的實(shí)時傳輸以及輔助和維持量子通信建立通信鏈接的有效技術(shù)途徑,目前已成為未來空間高速通信及高保密信息傳輸領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。由于具有壓縮遠(yuǎn)場光束保證遠(yuǎn)場光束的光強(qiáng)以及通過對接收光信號的準(zhǔn)壓縮實(shí)現(xiàn)微弱信號的接收等功能,因此激光通信光學(xué)天線對整個系統(tǒng)的性能有重要的影響。并且由于激光通信光學(xué)天線工作在衍射極限附近,在這種高像質(zhì)的需求下,溫度波動等因素引起的系統(tǒng)波前差會嚴(yán)重影響激光通信光學(xué)天線對微弱信號光的接收以及增強(qiáng)遠(yuǎn)場光束光強(qiáng)等功能。本文依托于某預(yù)研的激光通信終端項(xiàng)目,采用“光機(jī)一體化”的思想,以系統(tǒng)波前差為評價指標(biāo),從系統(tǒng)級角度對承受內(nèi)部機(jī)械載荷、外部環(huán)境擾動等因素影響下激光通信光學(xué)天線的光機(jī)結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行深入研究,為光機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化提供有力支撐,主要研究內(nèi)容有:1.對光機(jī)一體化設(shè)計與分析方法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行詳細(xì)研究。首先,詳細(xì)闡述了光機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的理論基礎(chǔ),主要包括光機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn),設(shè)計原則、一般設(shè)計過程以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法,為激光通信光學(xué)天線光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo);其次,概述了光機(jī)系統(tǒng)分析的方法并對結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析理論進(jìn)行了闡述,為光學(xué)天線光機(jī)結(jié)構(gòu)的仿真分析奠定理論基礎(chǔ);最后,從有限元理論、光機(jī)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法以及光學(xué)系統(tǒng)性能評價三個方面對光機(jī)一體化分析方法的理論基礎(chǔ)進(jìn)行研究,并以此為基礎(chǔ),提出激光通信光學(xué)天線光機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)路線;2.對激光通信光學(xué)天線主反射鏡組件進(jìn)行面向光學(xué)元件表面形狀誤差的集成優(yōu)化設(shè)計研究。首先,通過仿真計算研究了在1-g重力環(huán)境下溫度變化范圍為20±2℃時不同數(shù)量輕量化孔的主反射鏡面形誤差的變化趨勢,并給出了主反射鏡結(jié)構(gòu)設(shè)計方案;其次,為了降低主反射鏡的動力學(xué)響應(yīng),結(jié)合主反射鏡位置特點(diǎn),通過建立以剛度最大化為優(yōu)化目標(biāo)的拓?fù)鋬?yōu)化理論模型,設(shè)計出了主反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的初步構(gòu)型;最后,基于以上研究,建立面向主反射鏡面形誤差的集成優(yōu)化模型對主反射鏡組件結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化以降低組件結(jié)構(gòu)變形對主反射鏡面形的影響;3.對激光通信光學(xué)天線次反射鏡組件進(jìn)行面向系統(tǒng)波前差的集成優(yōu)化研究。對激光通信次反射鏡組件設(shè)計方案特性進(jìn)行分析,以此為前提和約束,并結(jié)合常見柔性鉸鏈特性,提出了一種滿足使用要求的新型柔性鉸鏈;通過建立柔性鉸鏈的理論模型,對其轉(zhuǎn)動特性進(jìn)行了研究,確定了控制轉(zhuǎn)動柔度關(guān)鍵參數(shù);根據(jù)次反射鏡變形特點(diǎn)及剛度需求,研究了次反射鏡支撐結(jié)構(gòu)的兩種柔性鉸鏈布局對其剛度特性的影響;最后,基于以上對次反射鏡組件的研究工作,提出了一種面向系統(tǒng)波前差的集成優(yōu)化方法,來對次反射鏡變形方向進(jìn)行優(yōu)化以降低系統(tǒng)波前差;4.對激光通信光學(xué)天線整機(jī)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)動力學(xué)仿真計算并搭建實(shí)驗(yàn)原理樣機(jī)測量了溫度變化工況下的波前差。對激光通信光學(xué)天線進(jìn)行了模態(tài)分析、正弦振動響應(yīng)分析以及隨機(jī)振動響應(yīng)分析,考核了結(jié)構(gòu)在不同振動條件下的可靠性;通過實(shí)驗(yàn)研究了光學(xué)天線在溫度變化工況下系統(tǒng)波前差的變化特點(diǎn),驗(yàn)證了主、次反射鏡組件的集成優(yōu)化設(shè)計的正確性。
【圖文】：

面向波前差的激光通信光學(xué)天線光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化研究如表 1.2 所示[19]。表 1.2 光學(xué)載荷關(guān)鍵系統(tǒng)指標(biāo)Table 1.2 Key system indicators of the optical payload 數(shù)值 指標(biāo)名稱 /nm 1550 指向偏差/urad mrad 1.0~1.6 指向抖動（RMS）/urad 率/W 2.5 最大天頂角/(°) 率 >0.833 最遠(yuǎn)通信距離/Km

面向波前差的激光通信光學(xué)天線光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化研究 USAF-KC-135 飛機(jī)在新墨西哥白沙靶場開展了項(xiàng)目的目標(biāo)是在 10-100Km 空地通信的距000Mbps 的通信速率，是世界上首次飛機(jī)對地軍激光通信研究實(shí)驗(yàn)室的資助下，1996 年 Th地亞哥開展了 RILC 對地激光通信試驗(yàn)，，如圖高度 11000 米，通信距離 20000~30000 米的速率。之后在 1999 年，使用 T39A 飛機(jī)在飛000~500000 米的條件下同樣實(shí)現(xiàn)了 1Gbps 的
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN929.1

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本文編號：2597750