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二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

张家齐 张立中 董科研 王超 李小明

张家齐, 张立中, 董科研, 王超, 李小明. 二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术[J]. 中国光学, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
引用本文: 张家齐, 张立中, 董科研, 王超, 李小明. 二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术[J]. 中国光学, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
ZHANG Jia-qi, ZHANG Li-zhong, DONG Ke-yan, WANG Chao, LI Xiao-ming. Coarse tracking technology of secondary imaging Coude-type laser communication terminal[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
Citation: ZHANG Jia-qi, ZHANG Li-zhong, DONG Ke-yan, WANG Chao, LI Xiao-ming. Coarse tracking technology of secondary imaging Coude-type laser communication terminal[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

doi: 10.3788/CO.20181104.0644
基金项目: 

国家自然科学基金重大研究计划 No.91338116

详细信息
    作者简介:

    张家齐(1985-), 男, 吉林白山人, 博士研究生, 主要从事空间激光通信粗跟踪方面的研究。E-mail:zjq_cust@foxmail.com

    张立中(1968—),男,吉林省吉林市人,教授,博士生导师,主要从事激光通信总体设计方面的研究。E-mail:zlzcust@126.com

  • 中图分类号: TN929.13

Coarse tracking technology of secondary imaging Coude-type laser communication terminal

Funds: 

the Major Research Plan of the National Natural Science Foundation of China No.91338116

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图(13) / 表 (1)
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出版历程
  • 收稿日期:  2018-01-11
  • 修回日期:  2018-03-13
  • 刊出日期:  2018-08-01

二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术

doi: 10.3788/CO.20181104.0644
    基金项目:

    国家自然科学基金重大研究计划 No.91338116

    作者简介:

    张家齐(1985-), 男, 吉林白山人, 博士研究生, 主要从事空间激光通信粗跟踪方面的研究。E-mail:zjq_cust@foxmail.com

    张立中(1968—),男,吉林省吉林市人,教授,博士生导师,主要从事激光通信总体设计方面的研究。E-mail:zlzcust@126.com

  • 中图分类号: TN929.13

摘要: 库德式激光通信终端粗跟踪探测器大视场接收信标光时,需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组,信标光传输路径长,使得后续子光路粗跟踪支路口径明显增加;捕获时望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。针对这两个问题,首先,对比了3种传统库德光路,选择二次成像型库德光路并对其进行设计,通过设计使后续子光路光学口径减小,利于后续子光路轻小型化设计;随后,对二次成像型库德式激光通信终端的跟踪模型进行推导,通过反射镜矩阵和坐标变换建立跟踪模型,并用Matlab-Simulink对跟踪模型进行仿真;最后,通过地面试验,对终端的跟踪性能进行测试,实测方位跟踪最大脱靶量为84.65 μrad(3σ)、俯仰最大脱靶量为56.33 μrad(3σ),满足通信要求的150 μrad(3σ),二次成像型库德结构和跟踪模型可满足星间激光通信粗跟踪捕获和跟踪要求。

English Abstract

张家齐, 张立中, 董科研, 王超, 李小明. 二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术[J]. 中国光学, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
引用本文: 张家齐, 张立中, 董科研, 王超, 李小明. 二次成像型库德式激光通信终端粗跟踪技术[J]. 中国光学, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
ZHANG Jia-qi, ZHANG Li-zhong, DONG Ke-yan, WANG Chao, LI Xiao-ming. Coarse tracking technology of secondary imaging Coude-type laser communication terminal[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
Citation: ZHANG Jia-qi, ZHANG Li-zhong, DONG Ke-yan, WANG Chao, LI Xiao-ming. Coarse tracking technology of secondary imaging Coude-type laser communication terminal[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 644-653. doi: 10.3788/CO.20181104.0644
    • 根据我国航天装备体系发展规划,未来将建成“天上三网、地面一网、天地组网”的天地基信息网络体系。作为骨干网之一的信息传输网络,需要具备高速率的数据传输能力,传统微波通信已经无法满足需求。激光通信具有传输速率高、保密性好、抗干扰能力强以及终端体积小、重量轻、功耗低等优势,是解决高速率传输的有效手段。本文以星间激光通信相干接收体制为技术手段,展开通信距离大于45 000 km、通信速率为5 Gbps的星间激光通信演示验证试验,为将来实现高速率激光通信网奠定技术基础[1-2]

      常用的激光通信终端有两种形式:十字跟踪架结构和潜望镜式结构。这两种结构各有优缺点,十字跟踪架结构在相同口径的前提下运动包络更小,但整个光学负载都位于俯仰轴上,负载重量大, 后续子光路随负载运动稳定性差。而潜望镜结构后续子光路安装在基座部分相对于基座静止不动,光学稳定性好,但其结构回转半径大[3-6]。针对上述激光通信终端存在的问题,提出库德式激光通信终端[7-9],其结构有运动外包络小和后续子光路稳定性好的特点,如直径250 mm的光学系统,潜望式激光通信系统运动外包络需1 200 mm以上,而库德式激光通信系统运动外包络则仅为400 mm左右;光通过库德光路导入到安装在基座的后续子光路中,后续子光路不随转台运动光学稳定性好。

      以高轨对低轨激光通信为使用背景,为缩短建链时间,星间激光通信粗跟踪探测器使用大视场接收信标光, 信标光接收视场为4 mrad,望远单元放大倍率为12.5倍,经放大后接收视场为50 mrad。粗跟踪探测器接收信标光需通过望远单元、多块库德反射镜、分光片和粗跟踪透镜组。由于望远单元放大视场角和信标光传输距离长,使得后续子光路光束口径明显增大,分光片镀膜难度显著增加。针对这一问题,本文选择二次成像型库德光路并对其进行设计,在保证光学系统成像质量的同时使信标光光程缩短,缩小后续子光路粗跟踪支路口径。在跟踪捕获时,此结构中的望远单元和库德反射镜与分光片、粗跟踪镜组和探测器间存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型较为复杂。鉴于此,本文对二次成像型库德式激光通信终端的粗跟踪模型进行推导,并用Matlab-Simulink进行仿真,最后通过试验验证了通信终端的跟踪性能。

    • 传统库德光路有3种形式:一次成像形式、无焦形式和二次成像形式。一次成像形式如图 1所示,其特点在于卡式物镜和库德光路共用焦距,由于卡式物镜焦距很长,因此在远离物镜处成像。

      图  1  一次成像式库德光路

      Figure 1.  Coude optical system of primary imaging

      无焦形式如图 2所示,其特点是前方两镜系统为一个平行光进、平行光出的望远单元,主次镜联合起来起到缩束的作用,其焦距在无穷远方。

      图  2  无焦形式的库德光路

      Figure 2.  A no focal kind of coude optical system

      二次成像形式如图 3所示,卡式物镜有一次像面,通过一次像面后光束被二次准直镜准直为平行光,再通过库德镜导入后续子光路。

      图  3  二次成像式的库德光路

      Figure 3.  Coude optical system of reimaging imaging

      上述3种库德光路结构形式中,一次成像式结构末端出射的光束是汇聚光束,激光通信信标光的收发波长与通信光收发波长各不相同,光束进入到后续子光路后需对不同波长进行分光,而非平行光在通过介质分光片时会导致光能的反射/透射效率大大下降,因此一次成像式结构不适合对收发效率要求很高的激光通信系统。

      无焦式结构由于两镜缩束系统的出瞳离次镜很近,同时激光通信粗跟踪接收视场较大,来自各视场的光束离开出瞳后就迅速发散,会导致后续子光路粗跟踪支路口径过大,光束口径计算公式为:

      (1)

      式中,D1为粗跟踪支路光学口径,D0为出瞳时光束直径,a为信标光视场角,n为卡式物镜放大倍率,L为信标光出瞳后到粗跟踪支路的距离。根据公式(1)可知信标光出瞳后到粗跟踪支路的距离L与粗跟踪光学口径D1成正比,此系统光学口径为250 mm,信标光接收视场为4 mrad,望远单元放大倍率为12.5倍,L为845.72 mm,D0为20 mm,由此可计算出无焦式结构的D1粗跟踪支路光学口径为62.3 mm,粗跟踪支路前端的R800T830(反射波长800 nm透射波长830 nm)分光片45°放置,其直径达到88.1 mm。若采用无焦式结构则后续子光路粗跟踪支路重量和体积将会显著增大,直径超过50 mm分光片的镀膜透过率也会降低。

      而使用二次成像式结构可以将望远单元部分(包括卡式物镜和二次准直镜)的出瞳延后,从而减小了出瞳到最终像面的距离,有利于缩小后续子光路粗跟踪支路的光学口径[10-11]

      对二次成像型库德光路进行设计,卡式物镜光学结构的一次像面设计在俯仰轴系附近,经过库德1、2镜的两次反射,再经二次准直镜准直为平行光束,经库德3、4镜进入后续子光路。为了缩小子光路光学口径,将望远单元的卡式物镜和二次准直镜之间的距离拉远,从而延后出瞳位置,但二次准直镜的位置靠后也会造成二次准直镜尺寸增大。经反复设计比较后,最终二次准直镜设在库德2、3镜中间,距库德二镜后107 mm,此距离可使整个望远单元(包括卡氏物镜和二次准直镜)的出瞳位置向后移动到达库德3镜附近。L为289.2 mm,通过公式(1)计算得到粗跟踪透镜组的直径为34.5 mm。R800T830分光片直径为48.7 mm光学,结构如图 4所示。相同光学系统口径下,二次成像型库德光路比无焦式结构粗跟踪透镜组直径可缩小27.8 mm,R800T830分光片直径缩小39.4 mm。

      图  4  优化后库德光路光学图

      Figure 4.  Coude optical system after optimization

      通过选择二次成像式结构减小粗跟踪支路光学口径,从而可降低分光片镀膜难度,减小了后续子光路体积、重量。如图 5所示,经分析可知,库德光路粗跟踪支路中心视场波前均方根误差为0.017 0λ(λ=808 nm)和最大边缘视场(4 mrad)波前均方根误差为0.083 4λ(λ=808 nm),两者都优于1/10λRMS (λ=808 nm)。表 1为库德式激光通信端机主天线参数。

      图  5  库德光路粗跟踪中心视场和边缘视场波前误差

      Figure 5.  Wavefront error of Coude optical system of the field of view in the rough tracking center and edge

      表 1  主天线参数

      Table 1.  Main antenna parameters

      项目参数
      口径/mm250
      物镜焦距/mm2 707.8
      目镜焦距/mm205.7
      放大倍数12.5
      视场/mrad4
      光学天线整机包络/mmΦ300×400
      库德1镜到库德2镜距离/mm215.5
      库德2镜到3镜距离/mm107
      库德3镜到库德4镜距离/mm65.72
    • 捕获时,望远单元和库德反射镜与粗跟踪探测器间存在相对运动,信标光传递环节多,跟踪模型复杂。因此,需要对二次成型库德光路光线传输与跟踪模型进行推导。

      激光通信终端进行捕获时,终端带动卡式物镜进行扫描,信标光到粗跟踪探测器前需经过卡式物镜、库德1镜、库德2镜、二次准直镜、库德3镜、库德4镜、R800透T1550分光片和R808T830分光片,粗跟踪透镜组,如图 6所示。

      图  6  库德光路的组成及坐标系

      Figure 6.  Composition of the Coude optical system and coordinate system

      PZT振镜、R800T1550分光片、R808T830分光片、粗跟踪透镜组位于星体的内部,建立基座坐标系,粗跟踪探测器靶面坐标是基座坐标系的Y轴和Z[12],库德反射镜随通信终端相对于星体运动,库德1镜相对于坐标系做Z轴和X轴的