發(fā)布時(shí)間：2017-03-19 10:00

  本文關(guān)鍵詞：空間光學(xué)成像與激光數(shù)傳共口徑技術(shù)研究，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。

【摘要】：隨著空間高分辨率相機(jī)的發(fā)展,基于微波的數(shù)據(jù)傳輸方式越來(lái)越不能滿足日益提升的星地?cái)?shù)傳速率需求,尋求新的傳輸方式迫在眉睫�？臻g激光通信具有頻帶寬、信息容量大、抗截獲能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì),是突破現(xiàn)階段星地?cái)?shù)傳帶寬瓶頸的有效手段。至今,美國(guó)、歐洲、日本、中國(guó)已相繼成功實(shí)現(xiàn)了星際或星地激光通信,空間激光通信系統(tǒng)即將邁向?qū)嵱没？臻g高分辨相機(jī)與激光通信天線光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)似,如能將二者共口徑設(shè)計(jì),則可充分利用高分辨相機(jī)的大口徑優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)高增益光束傳輸,同時(shí)突破帶寬瓶頸、減輕衛(wèi)星負(fù)載,具有重要研究意義。本文致力于空間高分辨成像與激光數(shù)傳共口徑光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法研究,為實(shí)現(xiàn)該共口徑系統(tǒng)的實(shí)際星上應(yīng)用奠定基礎(chǔ)�？臻g高分辨相機(jī)和激光數(shù)傳系統(tǒng)均是高、精、尖的光機(jī)電一體化系統(tǒng),研究數(shù)傳光束的高精度控制方法、共口徑系統(tǒng)的分光方法及共用形式是共口徑設(shè)計(jì)的前提。本文首先分析了各初級(jí)單色像差對(duì)數(shù)傳系統(tǒng)地面接收能量、光束指向偏差等的影響,指出共口徑系統(tǒng)的大口徑特點(diǎn)使其像差指標(biāo)相對(duì)獨(dú)立的小口徑數(shù)傳系統(tǒng)可適當(dāng)放松;相對(duì)離軸系統(tǒng),同軸三反系統(tǒng)更適于共口徑設(shè)計(jì),因此本文基于同軸三反系統(tǒng)提出了三種分光方法——波段分光、時(shí)間分光、視場(chǎng)分光,同時(shí)根據(jù)成像與激光數(shù)傳對(duì)口徑需求的不同,將共口徑形式分為全口徑共用和部分口徑共用兩種;最后搭建了成像與激光數(shù)傳共口徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)并進(jìn)行了室內(nèi)實(shí)驗(yàn),初步驗(yàn)證了共口徑設(shè)計(jì)的可行性。為發(fā)揮共口徑系統(tǒng)的高增益優(yōu)勢(shì),同時(shí)提高數(shù)傳能量發(fā)射效率和保證高分辨系統(tǒng)的像質(zhì),對(duì)基于偏視場(chǎng)同軸三反系統(tǒng)的分視場(chǎng)全口徑共用光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開(kāi)研究。通過(guò)討論次鏡遮攔比、一次像面與成像畸變的關(guān)系,得出同時(shí)兼顧能量發(fā)射效率和成像像質(zhì)的共口徑系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)推導(dǎo)方法;為使全口徑共用系統(tǒng)適應(yīng)系統(tǒng)跟瞄精度的要求,提出了兩種擴(kuò)散角控制方法——光源視場(chǎng)排布法和離焦法,分析指出離焦法更具實(shí)用性;最后根據(jù)具體的成像、數(shù)傳任務(wù)進(jìn)行了實(shí)例設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)結(jié)果顯示在共口徑系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高增益的同時(shí),高斯光束能量發(fā)射效率可達(dá)67%,而成像畸變小于0.55%,滿足任務(wù)指標(biāo)要求。共口徑激光數(shù)傳系統(tǒng)發(fā)射束散角小的特點(diǎn)使實(shí)際星地?cái)?shù)傳鏈路建立和維持的難度增大,為實(shí)現(xiàn)共口徑系統(tǒng)的對(duì)地?cái)?shù)傳應(yīng)用、降低誤碼率,對(duì)數(shù)傳APT(Acquisition,Pointing and Tracking)系統(tǒng)和地面接收系統(tǒng)展開(kāi)研究。通過(guò)采用整星姿控系統(tǒng)和快轉(zhuǎn)鏡聯(lián)合控制的對(duì)地激光通信跟蹤模式,對(duì)APT光學(xué)支路進(jìn)行了分析與具體設(shè)計(jì)論證,設(shè)計(jì)結(jié)果顯示在簡(jiǎn)化跟瞄系統(tǒng)的前提下該APT系統(tǒng)可滿足高增益共口徑系統(tǒng)激光通信要求;此外,建立了光纖耦合接收情況下接收系統(tǒng)像差與相干、非相干調(diào)制下誤碼率間的關(guān)系,提出了利用像差間的相互補(bǔ)償降低誤碼率的方法。本文提出的空間高分辨成像與激光數(shù)傳共口徑的全新光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)形式,可實(shí)現(xiàn)高分辨成像和高增益、高速激光數(shù)傳兩種功能,突破了數(shù)傳帶寬瓶頸,減輕了衛(wèi)星負(fù)載,具有重大應(yīng)用價(jià)值。該研究將推動(dòng)新型光學(xué)系統(tǒng)的研制與應(yīng)用,同時(shí)為衛(wèi)星載荷甚至衛(wèi)星的集成化發(fā)展提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】：空間高分辨相機(jī) 空間激光數(shù)傳 共口徑設(shè)計(jì) 能量發(fā)射效率 均方根波像差 捕獲跟瞄
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院研究生院(長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類(lèi)號(hào)】：TN929.1
【目錄】：

• 摘要5-7
• Abstract7-10
• 目錄10-13
• 第1章 緒論13-35
• 1.1 研究背景與意義13-15
• 1.2 相關(guān)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)15-33
• 1.2.1 高分辨率光學(xué)相機(jī)研究現(xiàn)狀15-20
• 1.2.2 衛(wèi)星激光通信光學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀20-30
• 1.2.3 新型共口徑集成化系統(tǒng)研究現(xiàn)狀與趨勢(shì)30-32
• 1.2.4 小結(jié)32-33
• 1.3 本論文研究?jī)?nèi)容與章節(jié)安排33-35
• 第2章 空間高分辨成像與激光數(shù)傳共口徑基礎(chǔ)理論35-51
• 2.1 空間高分成像與激光數(shù)傳共口徑系統(tǒng)概述35-37
• 2.2 高分成像與激光數(shù)傳性能影響因素分析37-44
• 2.2.1 高分辨遙感相機(jī)分辨率影響因素分析37-41
• 2.2.2 激光數(shù)傳性能影響因素分析41-44
• 2.3 高分成像系統(tǒng)與激光數(shù)傳系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論44-50
• 2.3.1 高分辨成像光學(xué)系統(tǒng)選型與設(shè)計(jì)理論44-49
• 2.3.2 空間激光數(shù)傳光學(xué)系統(tǒng)49-50
• 2.4 小結(jié)50-51
• 第3章 共口徑光學(xué)系統(tǒng)像差影響理論與設(shè)計(jì)方法51-78
• 3.1 像差對(duì)激光數(shù)傳性能影響研究51-59
• 3.1.1 光學(xué)系統(tǒng)的波像差理論52-53
• 3.1.2 初級(jí)單色像差對(duì)遠(yuǎn)場(chǎng)光能量接收的影響與補(bǔ)償53-57
• 3.1.3 初級(jí)單色像差對(duì)光束指向偏差的影響與補(bǔ)償57-59
• 3.2 高分成像與激光數(shù)傳共口徑系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法研究59-68
• 3.2.1 分光路方法研究60-64
• 3.2.2 共口徑形式分析64-68
• 3.3 成像與數(shù)傳共口徑系統(tǒng)實(shí)例設(shè)計(jì)與驗(yàn)證68-76
• 3.3.1 共口徑實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)68-71
• 3.3.2 系統(tǒng)性能測(cè)試及結(jié)果71-76
• 3.4 小結(jié)76-78
• 第4章 基于同軸三反的分視場(chǎng)全口徑共用光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)78-98
• 4.1 引言78
• 4.2 初始結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論78-85
• 4.2.1 系統(tǒng)限制條件分析78-79
• 4.2.2 共口徑系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)推導(dǎo)方法79-85
• 4.3 共口徑系統(tǒng)出射光束擴(kuò)散角的控制85-90
• 4.3.1 光源視場(chǎng)排布法87-88
• 4.3.2 離焦法88-90
• 4.4 共口徑光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與評(píng)價(jià)90-97
• 4.4.1 任務(wù)指標(biāo)要求及相關(guān)參數(shù)計(jì)算90-92
• 4.4.2 系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)求解及優(yōu)化92-95
• 4.4.3 共口徑系統(tǒng)評(píng)價(jià)與分析95-97
• 4.5 小結(jié)97-98
• 第5章 共口徑系統(tǒng)應(yīng)用研究98-116
• 5.1 引言98
• 5.2 共口徑系統(tǒng)的APT系統(tǒng)設(shè)計(jì)98-107
• 5.2.1 APT系統(tǒng)工作原理98-101
• 5.2.2 APT系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求101-102
• 5.2.3 粗跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)102-103
• 5.2.4 精跟蹤與信標(biāo)光路設(shè)計(jì)103-105
• 5.2.5 復(fù)合設(shè)計(jì)結(jié)果與評(píng)價(jià)105-107
• 5.3 地面光纖耦合接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析107-115
• 5.3.1 光纖耦合接收系統(tǒng)指標(biāo)分析107-109
• 5.3.2 像差對(duì)相干、非相干調(diào)制下誤碼率的影響109-115
• 5.4 小結(jié)115-116
• 第6章 總結(jié)與展望116-119
• 6.1 論文完成工作116-117
• 6.2 創(chuàng)新點(diǎn)117
• 6.3 展望117-119
• 參考文獻(xiàn)119-128
• 在學(xué)期間學(xué)術(shù)成果情況128-129
• 指導(dǎo)教師及作者簡(jiǎn)介129-130
• 致謝130

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：255842