留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

激光通信地面测试终端间隔离度的仿真分析

赵猛 颜昌翔 吴从均

赵猛, 颜昌翔, 吴从均. 激光通信地面测试终端间隔离度的仿真分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(3): 472-481. doi: 10.3788/CO.2019-0154
引用本文: 赵猛, 颜昌翔, 吴从均. 激光通信地面测试终端间隔离度的仿真分析[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(3): 472-481. doi: 10.3788/CO.2019-0154
ZHAO Meng, YAN Chang-xiang, WU Cong-jun. Simulation analysis of isolation between laser communication ground test equipments[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 472-481. doi: 10.3788/CO.2019-0154
Citation: ZHAO Meng, YAN Chang-xiang, WU Cong-jun. Simulation analysis of isolation between laser communication ground test equipments[J]. Chinese Optics, 2020, 13(3): 472-481. doi: 10.3788/CO.2019-0154

激光通信地面测试终端间隔离度的仿真分析

基金项目: 国家自然科学基金项目(No. 61805235)
详细信息
    作者简介:

    赵 猛(1994—),男,河北衡水人,硕士研究生,2017年于哈尔滨工业大学获得学士学位,主要从事激光通信系统的隔离度方面的研究。E-mail:zhaomeng_199474@163.com

    吴从均(1986—),男,陕西安康人,2014年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间光学仪器光学设计和光学系统像质研究。E-mail:wucongjun789@163.com

    通讯作者:

    吴从均(1986—),男,陕西安康人,2014年于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所获得博士学位,主要从事空间光学仪器光学设计和光学系统像质研究。E-mail:wucongjun789@163.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Simulation analysis of isolation between laser communication ground test equipments

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61805235)
More Information
  • 摘要: 受空间所限,激光通信地面测试平台与被测终端之间的距离远小于实际通信距离,导致测试平台光机等器件产生的后向散射杂光进入被测终端,从而严重影响被测终端的测试性能。从被测终端与测试平台间的光学干扰问题出发,本文研究了被测终端与测试平台间隔离度的关系,分别设计了卡塞格林和离轴三反光学天线,并根据杂散光传输模型,采用杂散光分析软件分析了光学天线结构形式及表面粗糙度两方面对隔离度的影响。分析结果表明,采用离轴三反光学天线时的隔离度明显高于卡塞格林光学天线,且隔离度随着光学表面粗糙度的减小而增大,当光学表面的粗糙度达到0.892 nm时,隔离度可达−86.22 dB。最后,推导了ABg模型与Harvey模型参数间的关系,并根据粗糙度与TIS计算公式,得出粗糙度分别为0.7 nm及0.5 nm的ABg模型参数,它们的终端间隔离度分别为−94.39 dB和−97.3 dB,实现了−90 dB的隔离度指标。

     

  • 图 1  隔离度定义示意图

    Figure 1.  Schematic diagram of isolation definition

    图 2  卡塞格林光学天线二维布局图

    Figure 2.  Two-dimensional layout of Cassegrain optical antenna

    图 5  离轴三反光学天线传递函数曲线

    Figure 5.  MTF of off-axis three-mirror optical antenna

    图 3  卡塞格林光学天线传递函数曲线

    Figure 3.  MTF of Cassegrain optical antenna

    图 4  离轴三反光学天线二维布局图

    Figure 4.  Two-dimensional layout of off-axis three-mirror optical antenna

    图 6  卡塞格林光学天线的杂散光模拟

    Figure 6.  Stray light simulation of Cassegrain optical antenna

    图 7  离轴三反光学天线的杂散光模拟

    Figure 7.  Stray light simulation of off-axis three-mirror optical antenna

    图 8  不同光学天线的光通量图

    Figure 8.  Luminous flux maps of different optical antennas

    图 9  不同粗糙度镀膜基片的散射数据拟合曲线

    Figure 9.  Scattering fitting curves of coated substrate with different roughnesses

    图 10  采用不同粗糙度反射镜时探测器的光通量图

    Figure 10.  Detector′s luminous flux maps when applying reflectors with different roughnesses

    图 11  低粗糙度下探测器的光通量图

    Figure 11.  Luminous flux maps of detector when applying low roughness reflector

    表  1  光学天线的设计指标

    Table  1.   Design specifications of optical antenna

    指标名称参数值
    测试波长/nm632.8
    望远镜放大倍率15±0.1
    望远镜主口径/mm≥610
    有效视场/mrad≥±6
    像质要求中心视场:0.033λ(rms)、0.25λ(PV)
    边缘视场:0.050λ(rms)、0.33λ(PV)
    下载: 导出CSV

    表  2  卡塞格林光学天线波像差

    Table  2.   Wave aberration of Cassegrain optical antenna

    波段(μm)项目视场
    中心视场边缘视场
    0.632 8($\lambda $)波像差P-V0.033 8$\lambda $0.143 7$\lambda $
    RMS0.006 5$\lambda $0.032 4$\lambda $
    斯特尔比0.999 80.999 7
    下载: 导出CSV

    表  3  离轴三反光学天线波像差

    Table  3.   Wave aberration of off-axis three-mirror optical antenna

    波段(μm)项目视场
    中心视场边缘视场
    0.632 8($\lambda $)波像差P-V0.037$\lambda $0.140$\lambda $
    RMS0.009$\lambda $0.024$\lambda $
    斯特尔比0.9980.987
    下载: 导出CSV

    表  4  两种光学天线的隔离度对比

    Table  4.   Comparison of isolation between two optical antennas

    光学天线类型进入探测器的杂光数目光通量大小(W)隔离度(dB)
    卡塞格林7 2140.011 24−49.49
    离轴三反202.94 × 10−5−75.32
    下载: 导出CSV

    表  5  具有不同粗糙度镀膜基片的散射数据的ABg模型拟合参数

    Table  5.   ABg model fitting parameters of scattering data of coated substrate with different roughnesses

    粗糙度(nm)ABgRMSE
    0.8922.15$\times10^{-8} $7.51$\times10^{-8} $4.6240.008 798
    1.2972.47$\times10^{-8} $7.93$\times10^{-8} $4.3890.001 32
    1.6461.34$\times10^{-8} $5.37$\times10^{-8} $4.9860.007 629
    2.3271.17$\times10^{-7} $4.92$\times10^{-7} $4.2900.005 674
    6.4791.01$\times10^{-7} $3.81$\times10^{-7} $4.5030.006 217
    下载: 导出CSV

    表  6  采用不同粗糙度反射镜对应的隔离度

    Table  6.   Isolations when applying reflectors with different roughnesses

    粗糙度进入探测器的杂光数目杂光光通量大小(W)隔离度(dB)
    0.89222.39$\times10^{-6} $−86.22
    1.29743.19$\times10^{-6} $−84.96
    1.64675.11$\times10^{-6} $−82.92
    2.327111.22$\times10^{-5} $−79.14
    6.479202.94$\times10^{-5} $−75.32
    下载: 导出CSV

    表  7  采用低粗糙度反射镜时对应的隔离度

    Table  7.   Isolations when applying low roughness reflector

    粗糙度
    (nm)
    进入探测器的
    杂光数目
    杂光光通量
    大小(W)
    隔离度
    (dB)
    0.511.86$\times10^{-7} $−97.30
    0.713.64$\times10^{-7} $−94.39
    下载: 导出CSV
  • [1] 吴从均, 颜昌翔, 高志良. 空间激光通信发展概述[J]. 中国光学,2013,6(5):670-680.

    WU C J, YAN CH X, GAO ZH L. Overview of space laser communications[J]. Chinese Optics, 2013, 6(5): 670-680. (in Chinese)
    [2] 高铎瑞, 李天伦, 孙悦, 等. 空间激光通信最新进展与发展趋势[J]. 中国光学,2018,11(6):901-913. doi: 10.3788/co.20181106.0901

    GAO D R, LI T L, SUN Y, et al. Latest developments and trends of space laser communication[J]. Chinese Optics, 2018, 11(6): 901-913. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20181106.0901
    [3] 田媛. 空间链路模拟器设计和实验标定[D]. 长春: 中国科学院研究生院长春光学精密机械与物理研究所, 2014.

    TIAN Y. Optical design and experimental calibration for the space link model system[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014. (in Chinese)
    [4] 吴从均. 星间激光通信终端及其实验室检测平台光学系统研究[D]. 长春: 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 2014.

    WU C J. Study of inter-satellites laser communication terminals and its laboratory testing platform's optical system[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2014. (in Chinese)
    [5] 杨成龙, 颜昌翔, 杨宇飞. 星间激光通信终端光学天线的隔离度[J]. 中国光学,2017,10(4):462-468. doi: 10.3788/co.20171004.0462

    YANG CH L, YAN CH X, YANG Y F. Isolation of optical antenna of inter-satellites laser communication terminals[J]. Chinese Optics, 2017, 10(4): 462-468. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20171004.0462
    [6] BIRKL R A, MANHART S. Back-reflection measurements on the SILEX telescope[J]. Proceedings of SPIE, 1991, 1522: 252-258. doi: 10.1117/12.46083
    [7] 朱杨. 空间光学系统杂散辐射抑制研究[D]. 长春: 中国科学院研究生院长春光学精密机械与物理研究所, 2016.

    ZHU Y. Research on stray radiation suppression of space optical system[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese)
    [8] 石栋梁. 基于BRDF的光机系统杂散辐射研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2014.

    SHI D L. Research on stray light of optical and mechanical system based on BRDF[D]. Harbin: Harbin Institute of Technology, 2014. (in Chinese)
    [9] 宋延松, 杨建峰, 李福, 等. 基于杂散光抑制要求的光学表面粗糙度控制方法研究[J]. 物理学报,2017,66(19):194201. doi: 10.7498/aps.66.194201

    SONG Y S, YANG J F, LI F, et al. Method of controlling optical surface roughness based on stray light requirements[J]. Acta Physica Sinica, 2017, 66(19): 194201. (in Chinese) doi: 10.7498/aps.66.194201
    [10] 陈醒, 胡春晖, 颜昌翔, 等. 大视场空间可见光相机的杂散光分析与抑制[J]. 中国光学,2019,12(3):678-685. doi: 10.3788/co.20191203.0678

    CHEN X, HU CH H, YAN CH X, et al. Analysis and suppression of space stray light of visible cameras with wide field of view[J]. Chinese Optics, 2019, 12(3): 678-685. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191203.0678
    [11] 金光, 李艳杰, 钟兴, 等. 空间成像与激光通信共口径光学系统设计[J]. 光学 精密工程,2014,22(8):2067-2074. doi: 10.3788/OPE.20142208.2067

    JIN G, LI Y J, ZHONG X, et al. Design of co-aperture optical system for space imaging and laser communication[J]. Optics Precision Engineering, 2014, 22(8): 2067-2074. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20142208.2067
    [12] 卢政伟, 邵帅, 马亚坤. 复合式无遮拦激光扩束器的设计[J]. 中国光学,2018,11(4):582-589. doi: 10.3788/co.20181104.0582

    LU ZH W, SHAO SH, MA Y K. Design of a composite laser beam expander without obscuration[J]. Chinese Optics, 2018, 11(4): 582-589. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20181104.0582
    [13] 赵宇宸, 何欣, 张凯, 等. 轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计[J]. 红外与激光工程,2018,47(12):1218001. doi: 10.3788/IRLA201847.1218001

    ZHAO Y CH, HE X, ZHANG K, et al. Optical design of miniaturized and large field of view off-axis optical system based on freeform surface[J]. Infrared and Laser Engineering, 2018, 47(12): 1218001. (in Chinese) doi: 10.3788/IRLA201847.1218001
    [14] 常军, 翁志成, 姜会林, 等. 长焦距空间三反光学系统的设计[J]. 光学 精密工程,2001,9(4):315-318.

    CHANG J, WENG ZH CH, JIANG H L, et al. Design of long focal length space optical system with three reflective mirrors[J]. Optics Precision Engineering, 2001, 9(4): 315-318. (in Chinese)
  • 加载中
图(11) / 表(7)
计量
  • 文章访问数:  2906
  • HTML全文浏览量:  1263
  • PDF下载量:  116
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-23
  • 修回日期:  2019-08-20
  • 刊出日期:  2020-06-01

目录

    /

    返回文章
    返回