衛(wèi)星光通信光學系統(tǒng)優(yōu)化設計及性能評測方法研究.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)星光通信應用領域的不斷拓展，衛(wèi)星光通信光學發(fā)射和接收系統(tǒng)的設計指標也進一步提高?，F(xiàn)有衛(wèi)星光通信終端所采用的折反射式光學收發(fā)系統(tǒng)設計方案，已不能完全滿足高性能光學收發(fā)系統(tǒng)的發(fā)展要求，必須輔以其他方式對其進行優(yōu)化設計。采用衍射光學元件（Diffractive Optical Elements, DOE）進行光學系統(tǒng)的優(yōu)化設計，可實現(xiàn)傳統(tǒng)折反

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

3、幾方面：
　　(1)發(fā)射光學系統(tǒng)優(yōu)化設計方法
　　針對發(fā)射光學天線中的次鏡遮擋會導致發(fā)射功率下降的問題，采用 DOE對發(fā)射光束進行控制，以此提高光通信終端的發(fā)射能量利用率和遠場光強峰值，達到優(yōu)化設計的目的。鑒于光學天線的遮擋比和截斷比對遠場光束強度分布的影響，對不同遮擋比和截斷比條件下的遠場光強分布進行了計算機模擬計算，分析比較了發(fā)射能量效率和遠場光強隨遮擋比和截斷比的變化情況。
　　針對信標光遠場光強分布形式不利于系

4、統(tǒng)捕獲性能提高的情況，采用 DOE對信標發(fā)射光學系統(tǒng)進行優(yōu)化設計，使遠場光強分布由類高斯分布變換為均勻分布，以此擴大可捕獲范圍，降低捕獲難度。
　　為提高遠場光強均勻度，改進了用于 DOE設計的 GS（Gerchberg-Saxton）算法，在位相迭代計算的每次循環(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致光強均勻度差的問題。對此進行了仿真分析，比較了改進算法和GS算

5、法的計算結(jié)果。
　　(2)接收光學系統(tǒng)優(yōu)化設計方法
　　接收光學系統(tǒng)中的探測器對其軸向位置的精度要求很高，探測器的微小移動均可能造成接收性能的顯著變化。為降低接收探測器對位置精度的要求，采用切趾圓環(huán)對數(shù)光錐實現(xiàn)了接收光強軸向均勻分布，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對信號光路和跟蹤光

6、路進行了復合設計。鑒于此設計的重大意義和詳細設計的不可獲取性，本文復現(xiàn)了該設計，并進行了計算機仿真和分析。
　　(3)高精度光學系統(tǒng)性能評測方法研究
　　高精度的評測和檢驗方法是保障光學系統(tǒng)發(fā)射和接收性能的必要條件。針對衛(wèi)星光通信系統(tǒng)技術(shù)指標的發(fā)展要求，對同軸度、波前誤差和光束發(fā)散角等評測方法進行了研究：①提出了光學發(fā)射和接收光軸同軸度的評測方法；②提出了光軸與機械軸的同軸度評測方法；③對發(fā)射光學系統(tǒng)的準直誤差進行了研究，推