衛(wèi)星光通信光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)及性能評(píng)測方法研究.pdf

1、衛(wèi)星光通信是以激光作為信息載體在衛(wèi)星間進(jìn)行高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ欧绞?，目前已引起世界各國的廣泛重視。隨著衛(wèi)星光通信應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，衛(wèi)星光通信光學(xué)發(fā)射和接收系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)也進(jìn)一步提高。現(xiàn)有衛(wèi)星光通信終端所采用的折反射式光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，已不能完全滿足高性能光學(xué)收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展要求，必須輔以其他方式對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。采用衍射光學(xué)元件（Diffractive Optical Elements, DOE）進(jìn)行光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)折反

2、透鏡系統(tǒng)所不能實(shí)現(xiàn)的特殊功能，改善光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射和接收性能。而為了順利實(shí)現(xiàn)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射和接收技術(shù)指標(biāo)，必須事先在地面實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)其進(jìn)行評(píng)測和檢驗(yàn)，發(fā)展相應(yīng)的高精度評(píng)測方法和檢驗(yàn)裝置。
　　本文以衛(wèi)星光通信終端的光學(xué)系統(tǒng)為研究對(duì)象，以發(fā)展高性能衛(wèi)星光通信光學(xué)子系統(tǒng)及相應(yīng)的高精度性能評(píng)測方法為研究目標(biāo)，提出了基于衍射光學(xué)技術(shù)的發(fā)射和接收光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法及應(yīng)用現(xiàn)代光電檢測技術(shù)高精度檢驗(yàn)光學(xué)系統(tǒng)性能的評(píng)測方法，其內(nèi)容主要包括以下

3、幾方面：
　　(1)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
　　針對(duì)發(fā)射光學(xué)天線中的次鏡遮擋會(huì)導(dǎo)致發(fā)射功率下降的問題，采用 DOE對(duì)發(fā)射光束進(jìn)行控制，以此提高光通信終端的發(fā)射能量利用率和遠(yuǎn)場光強(qiáng)峰值，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。鑒于光學(xué)天線的遮擋比和截?cái)啾葘?duì)遠(yuǎn)場光束強(qiáng)度分布的影響，對(duì)不同遮擋比和截?cái)啾葪l件下的遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算，分析比較了發(fā)射能量效率和遠(yuǎn)場光強(qiáng)隨遮擋比和截?cái)啾鹊淖兓闆r。
　　針對(duì)信標(biāo)光遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布形式不利于系

4、統(tǒng)捕獲性能提高的情況，采用 DOE對(duì)信標(biāo)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使遠(yuǎn)場光強(qiáng)分布由類高斯分布變換為均勻分布，以此擴(kuò)大可捕獲范圍，降低捕獲難度。
　　為提高遠(yuǎn)場光強(qiáng)均勻度，改進(jìn)了用于 DOE設(shè)計(jì)的 GS（Gerchberg-Saxton）算法，在位相迭代計(jì)算的每次循環(huán)中采用位相混合和輸出面振幅比較相結(jié)合的方式控制輸入光束位相的變換，以解決由于GS算法過早陷入局部極值而導(dǎo)致光強(qiáng)均勻度差的問題。對(duì)此進(jìn)行了仿真分析，比較了改進(jìn)算法和GS算

5、法的計(jì)算結(jié)果。
　　(2)接收光學(xué)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
　　接收光學(xué)系統(tǒng)中的探測器對(duì)其軸向位置的精度要求很高，探測器的微小移動(dòng)均可能造成接收性能的顯著變化。為降低接收探測器對(duì)位置精度的要求，采用切趾圓環(huán)對(duì)數(shù)光錐實(shí)現(xiàn)了接收光強(qiáng)軸向均勻分布，通過增大接收系統(tǒng)焦深范圍的方法，克服接收探測器位置移動(dòng)給系統(tǒng)接收性能造成的不利影響。
　　小型化和集成化是衛(wèi)星光通信終端的重要發(fā)展趨勢。為簡化接收光路，歐空局采用 DOE對(duì)信號(hào)光路和跟蹤光

6、路進(jìn)行了復(fù)合設(shè)計(jì)。鑒于此設(shè)計(jì)的重大意義和詳細(xì)設(shè)計(jì)的不可獲取性，本文復(fù)現(xiàn)了該設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真和分析。
　　(3)高精度光學(xué)系統(tǒng)性能評(píng)測方法研究
　　高精度的評(píng)測和檢驗(yàn)方法是保障光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射和接收性能的必要條件。針對(duì)衛(wèi)星光通信系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的發(fā)展要求，對(duì)同軸度、波前誤差和光束發(fā)散角等評(píng)測方法進(jìn)行了研究：①提出了光學(xué)發(fā)射和接收光軸同軸度的評(píng)測方法；②提出了光軸與機(jī)械軸的同軸度評(píng)測方法；③對(duì)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直誤差進(jìn)行了研究，推