空間激光通信為視線通信,且通信終端之間通常存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)。一方面,光束的瞄準(zhǔn)、捕獲與跟蹤(PAT)需要具備微弧度量級(jí)分辨率的光束偏轉(zhuǎn)能力,以減小光束指向損耗;另一方面,當(dāng)天線表面存在面型誤差時(shí),出射光場的波前會(huì)產(chǎn)生畸變,劣化光束的指向性,降低天線增益。本文從空間激光通信應(yīng)用中光束控制的角度,從微弧度量級(jí)光束偏轉(zhuǎn)與光束波前控制兩個(gè)方面開展研究。主要研究內(nèi)容如下:(1)分析了空間激光通信系統(tǒng)對(duì)光束偏轉(zhuǎn)角度控制以及波前畸變的需求,對(duì)微弧度量級(jí)光束偏轉(zhuǎn)與光束波前控制方案進(jìn)行了總體方案設(shè)計(jì)。(2)提出了液晶相控陣(LC-OPA)級(jí)聯(lián)雙光柵的方法進(jìn)行高角度分辨率光束偏轉(zhuǎn)控制,LC-OPA以數(shù)十微弧度的角度進(jìn)行粗偏轉(zhuǎn),雙光柵對(duì)該LC-OPA衍射光束進(jìn)行多級(jí)偏轉(zhuǎn)角度壓縮,實(shí)現(xiàn)微弧度量級(jí)的光束偏轉(zhuǎn)控制。數(shù)值仿真驗(yàn)證了雙光柵裝置可以顯著壓縮光束的偏轉(zhuǎn)角,且光柵常數(shù)越大角度壓縮率越小,當(dāng)光束入射角在-43.5mrad到26.8mrad之間時(shí),光束能夠在雙光柵裝置中衍射4次,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了光束在雙光柵系統(tǒng)中偏轉(zhuǎn)角分辨率可提高6倍,實(shí)現(xiàn)光束的微弧度偏轉(zhuǎn)。(3)基于液晶空間光調(diào)制器(LCoS-SLM)設(shè)計(jì)了可對(duì)光學(xué)天線同時(shí)進(jìn)行波前探測與波前補(bǔ)償?shù)姆桨?研究了基于最小二乘法平面擬合消除傾斜像差算法與基于澤尼克多項(xiàng)式波面擬合消除像差算法以消除相位測量誤差。進(jìn)行了波前畸變探測與補(bǔ)償實(shí)驗(yàn),對(duì)于1550nm光束,通過算法消除額外相位的測量誤差,相位峰谷(PV)值從30.1209rad降至2.8241rad,利用LCoS-SLM補(bǔ)償后的波前畸變RMS值為λ/23。
【學(xué)位單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TN929.1
【部分圖文】：

圖 1-1 SILEX 激光通信終端系統(tǒng)及搭載衛(wèi)星外形(a)ARTEMIS；(b)SPOT-4。2005 年，日本衛(wèi)星 KIRAR（I官方名稱為光學(xué)軌道間通信工程測試衛(wèi)星，OICETSSA 的 ARTEMIS 之間成功地實(shí)現(xiàn)了雙向光鏈路[6]。2008 年，美國和歐洲建立了 LEO 軌道衛(wèi)星 Terra SAR-X 和 NFIRE 之間的高速光通信鏈路，速率高達(dá) 5s，總距離為 5500km，這是世界上首次成功利用相干技術(shù)進(jìn)行的高速星間激光通。除此之外，軍事領(lǐng)域也有很多令人矚目的成就和計(jì)劃。例如火星激光通信演示CD)項(xiàng)目[8]由 NASA 于 2003 年中期發(fā)起，旨在初步獲取深空光學(xué)鏈路的運(yùn)行經(jīng)但之后由于計(jì)劃變更導(dǎo)致該項(xiàng)目終止。2013 年，美國成功開展了月球激光通信驗(yàn)證(LLCD)[9]，安裝在航天器上的激光通信終端 LLST 與地面通信設(shè)備成功建雙向激光通信鏈路，實(shí)現(xiàn)了月地激光通信，成為世界上通信距離最遠(yuǎn)的激光通信。LLCD 光學(xué)模塊如圖 1-2 所示。

華 中 科 技 大 學(xué) 碩 士 學(xué) 位 論 文內(nèi)空間激光通信研究起步相對(duì)較晚，但國家對(duì)此非常重視并投入了相財(cái)力。我國于 2011 年發(fā)射海洋 2 號(hào)衛(wèi)星并通過搭載的 IM-DD 激光通傳輸速率為 504Mbps，傳輸距離約為 970km 的星地激光通信，該成果經(jīng)較好的掌握了星地激光通信雙向快速捕獲、跟蹤和通信技術(shù)[10]。20我國發(fā)射“墨子”量子衛(wèi)星，成功開展了在軌星地高速相干激光通信試了 5.12Gbps 的傳輸速率能力。2017 年，實(shí)踐十三號(hào)（即中星十六號(hào)）了高軌衛(wèi)星對(duì)地高速激光雙向通信，標(biāo)志著中國首個(gè) GEO 衛(wèi)星激光通，同時(shí)也是世界上首次 GEO 與地面站直接雙向激光高速通訊試驗(yàn)。實(shí)高速激光雙向通信試驗(yàn)效果圖如圖 1-3 所示。

圖 1-4 空間激光通信收發(fā)終端基本結(jié)構(gòu)圖同時(shí)，自由空間激光通信為視線通信，且通信終端之間通常存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)光束的捕獲、瞄準(zhǔn)和跟蹤（PAT）需要具備分辨率達(dá)到微弧度以上的光束偏以減小光束指向損耗；另一方面，當(dāng)天線表面存在畸變或者面型誤差時(shí)，出波前會(huì)產(chǎn)生畸變，劣化光束的指向性，降低天線增益。本文從空間激光通信束控制的角度，從微弧度量級(jí)光束偏轉(zhuǎn)與光束波前控制兩個(gè)方面開展研究在空間激光通信光束發(fā)散角小、傳輸距離長的情況下，收發(fā)終端對(duì)準(zhǔn)誤差會(huì)功率、通信速率產(chǎn)生嚴(yán)重影響，因此空間激光通信對(duì) PAT（瞄準(zhǔn)、捕獲和跟求非常高，通常跟瞄精度需要達(dá)到微弧度乃至納弧度量級(jí)[11-13]。對(duì)于精瞄模一般采用電磁振鏡、壓電陶瓷振鏡來實(shí)現(xiàn)光束的微小角度偏轉(zhuǎn)。然而振鏡屬制裝置，不可避免的存在機(jī)械慣性，需要較大的驅(qū)動(dòng)電壓，還需要采用閉環(huán)獲得較高的位置重復(fù)精度。同時(shí)它與安裝平臺(tái)之間存在振動(dòng)耦合，在復(fù)雜擾難以實(shí)現(xiàn)光束的穩(wěn)定控制。除機(jī)械偏轉(zhuǎn)裝置以外，還可利用電控非機(jī)械裝置

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 范大鵬;周遠(yuǎn);魯亞飛;黑墨;熊飛湍;李凱;;旋轉(zhuǎn)雙棱鏡光束指向控制技術(shù)綜述[J];中國光學(xué);2013年02期

2 孔令講;朱穎;宋艷;楊建宇;;基于非周期閃耀光柵的液晶相控陣波控方法研究[J];光學(xué)學(xué)報(bào);2011年01期

本文編號(hào)：2812180