星间光通信中光学系统像差对瞄准捕获跟踪的影响研究

论文摘要

卫星光通信与微波通信相比具有通信容量大、终端体积小和保密性好等特点,是未来卫星通信技术的发展方向。近年来,卫星光通信技术的研究受到了许多国家的重视,在美国、欧洲、日本和俄罗斯等国家和地区获得了发展。我国也已开始重视卫星光通信技术的研究,并取得一定成果。在卫星光通信系统中,瞄准、捕获、跟踪(PAT)技术是关系到通信链路建立和保持的关键技术。运行于轨道中的光学系统受空间环境的影响,如空间辐射、空间污染以及温度的不均匀性等,其光学器件的性能受到不同程度的影响。另外,光学元件,尤其是大口径光学元件的加工工艺也是影响光学器件光学性能的主要原因。因此,由光学系统发射和接收的激光光束通常都具有一定的波前畸变。波前畸变会影响光束的远场分布,从而影响激光链路性能及通信质量。为了研究波前畸变对激光链路的影响,本文引入了瞄准偏差和捕获偏差的概念,利用Zernike多项式描述波前畸变,以夫朗和费衍射理论为基础,研究了波前畸变对瞄准偏差和捕获偏差的影响。同样,为了研究波前畸变对天线接收功率的影响,引入了畸变衰减因子的概念,与上相同,也利用Zernike多项式进行了波前畸变的描述,借助于夫朗和费衍射理论,研究了初级像差对天线接收功率的影响。本文所得结果对星间光通信中光学系统的设计和装调具有一定的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究背景
• 1.1.1 卫星光通信概况
• 1.1.2 卫星光通信关键技术
• 1.2 卫星光通信国内外研究现状分析
• 1.2.1 日本
• 1.2.2 美国
• 1.2.3 欧洲
• 1.2.4 俄罗斯
• 1.2.5 卫星光通信国内研究进展
• 1.3 课题研究的目的及意义
• 1.3.1 畸变光束研究概况
• 1.3.2 畸变光束研究意义
• 1.4 论文主要研究内容
• 第2章 波前畸变理论
• 2.1 波前畸变数学—物理模型
• 2.1.1 波前畸变数学模型
• 2.1.2 波前畸变物理模型
• 2.2 波前畸变特征参数分析
• 2.2.1 波峰-波谷值
• 2.2.2 均方根梯度
• 2.2.3 均方根值
• 2.3 波前畸变相位分布检测原理
• 2.4 本章小结
• 第3章 光学像差对光束远场特性影响仿真分析
• 3.1 波前畸变对光束远场分布影响
• 3.1.1 发射端畸变高斯光束在远场接收平面上光场分布
• 3.1.2 发射端光束波前畸变对接收光功率的影响分析
• 3.2 数值模拟光学像差对远场光功率影响
• 3.2.1 彗差对远场光功率影响
• 3.2.2 球差对远场光功率影响
• 3.2.3 像散对远场光功率影响
• 3.2.4 离焦对远场光功率影响
• 3.2.5 倾斜对远场光功率影响
• 3.3 球差、彗差对衰减因子的影响分析
• 3.4 本章小结
• 第4章 光学像差对瞄准偏差和捕获偏差的影响分析
• 4.1 卫星光通信瞄准、捕获、跟踪系统简介
• 4.2 光学天线系统简介
• 4.3 光学像差对瞄准偏差的影响
• 4.3.1 瞄准偏差定义
• 4.3.2 模拟分析
• 4.4 光学像差对捕获偏差的影响
• 4.4.1 捕获偏差定义
• 4.4.2 数值模拟
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 附录1
• 附录2
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 作者简介