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旋转双光楔式GEO对地激光通信捕获模型建立与分析

发布时间:2019-06-16 02:11:07 文章来源:工具之家    

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毕雷++张立中

摘 要根据实际高gui道dui地jiguangtong信jishuzhi标针dui高guidui地jiguang通信shiyongMatlab软件jianli旋zhuan双guangxieshibohuoxi统de数学模型并dui其进xingfen辨率fenxi以及zhuansufen析结果表明该fanganfen辨率为14.824 rad应用zai高gui对地通信suoxuzuida转su为.26 可以满足高轨道卫星pingtai对地激guang通信de指标要qiu双guangxiebo获fanganzai高轨对地激guang通信fangmianjuyou实用yan究jiazhi

关键词空jian激光通信 GEO对地 旋转双光xie bo获 MATLAB仿zhen

中tu分类号TD263 wen献标识码A 文章编号1672-37912143c-012-04

空间激光通信shi利用激光束作为信息载体deyizhong通信方式是yi种崭xinde空间通信手段利用人造地qiu卫星作为中继zhan转发激光信号可实现卫星yu地mian卫星yu卫星飞机与地面飞机与飞机之间de通信。激光通信具有数据传输率高、保密xing好、功耗低、设备体积小、重量较轻等诸多优点可以满足地球tong步卫星对地球通信de要qiu应用在空间环境中的激光通信光端机其关键技shu为APT技shuji捕获、瞄准、跟踪技术。捕获系统的研究室研制捕获技术必不可少的环节是激光通信guo程顺利进行的重要保障。作为APT的yi部分捕获环节至关重要

捕获zhuang置的实质是实现微小jiaodu的光路调整zhu要通过折shelengjing与反射棱jing来实现。使用反射棱镜的结构常见的有:十字跟踪架结构潜望镜结构以及单反镜结构。GEO对地激光通信捕获系统的光束调整jiaodu不大如tu1所示。所以要尽量降低机械结构的复杂性。本文所参考的高轨道对地通信技术参数如下:通光口jingФ260 mm捕获范wei±5;光束saomiao范围±6;指xiang精度50μrad;指xiangsu度0.1°/s指xiang加su度1°/s2;负载重量70 kg含光学系统。

ruo使用旋转双光xiejie构liang光xieleng镜分别通过两tai电机驱动,互不干扰;分辨率高;机械结构简单可靠,易yu实现轻小型化。其具有控制灵活、机械运动平稳、振动噪声小、扫描xiao率高,结构紧凑等优点。所以研究基yu折射原li的旋转双光xie结构捕获系统shifen必要。

1 旋转双光xiexi统数学模型建立

jiang两块光xie棱镜同轴摆放使用即构成双光楔模型。通过控制双光楔棱镜的旋转,在光路中能起到偏折光xian的作用。对于单光楔,偏xiangjiao满足

1

其中:n为棱镜折射率。如图2所示,两块光楔的折射棱角设为,当两光楔主截面平行且同xiang摆放时,会de到模型所能产sheng的最大角度,为两片棱镜偏向角之和;若相对反向摆放,则偏向角度为0°。

如图3所示为双光楔的主截面围绕光轴z的旋zhuanjiao度关系。设第一片光楔的主jie面处在OQ处,第er片光楔主截面在OP处。光楔houbian的方向表现为箭头方向,设两片棱镜的折射棱角是α。前光楔造成光束在xy方向shang的角度偏差分bieweiFx=tancos,Fy=tansin,后光楔造成光束在x,y方向上的角度偏差分别为Bx=tancos,By=tansin。其中:为前光楔主截面与x-y截面x方向的夹jiao为后光楔主截面与x-y截面x方向的夹角。

故一束光纤垂直入射光楔后,其在x,y方向的光束角度分别为:

2

3)

如图4所示,长方xing的边长为任意值。jiangxoy平面简化视为单光楔棱镜,激光束由光学系tongchu射后垂直入射单光楔,出射光xian与原光路z轴)形成的实际偏向角为,出射guangxian在xoz平面投影与原光路形成的x轴方向偏向角为x1,出射光线与原光路形成的y轴方向偏向角为y1。

若将两光楔的光路模型叠加在一起分析,则会bian得十分繁琐。但通过分析,可以将折射gui律推广到双光楔情况,有如下的矢量叠加关系:

而x方向与y方向的合成遵循矢量和的规律,又x与y两方向上的矢量夹角均为90°,可得到:

其中:,则。

将式(2)、(3)代入上式,整li得:

(4)

式(4)为出射激光束与z轴的空间夹角与两光楔棱镜相对于x轴的夹角、之间的函数关系。

在Matlab中绘制得到与、之间的bianhua关系三维仿真图xiang

通过图5可得出结论:当,在的区间内连续bianhua,一个值对应多组不同的与,即式(4)没有唯一解。模型建立结束,若需要实现控制,还要施加约束条件。

2 旋转双光楔系统转速分析

首先,通过对光束移动速dude指标来研究光楔能满足工作所达到的最大极限速度。由于双光楔的折射作用,出射光束的移动速度是非线性bianhuade,将其速度分为x轴方向与y轴方向来分析。设前光楔为光楔A,后光楔为光楔B。

(5)

上式(5)表示通过光楔A,且仅在y方向上出射光束的偏向角度(见图6

可知,当,时,最小。根据指标:出射光束的移动平均速度要达到10-2°/s以上。表示在1 s之内,出射光束的运动角度要大于0.1°。

设为时光束经过光楔Ahou在y方向的偏向角,设为时光束经过光楔A后在y方向的偏向角。

设:

6)

(7)

用(6)与(7)作差,得到:

(8)

对上式(8)中的进行赋值,直到值近似10-2°。计suande到时, 。结果表明,若1 s内光楔一转过0.26 rad即可满足指标要求平均速度。

同理,光楔A对激光束在x方向上的偏向角度可表示为:

(9)

对上式进行同样处理,可以得到xiangtong的结果,。

以上分析是单独考虑光楔A对激光束分别在x或y方向偏向移动的情况,若将两个方向同时考虑,得到的空间角度bian化量将会被放大,所以:

结果表明:值能够满足1 s内大于的要求。

对于同一光楔棱镜,当duiyingxiang最小时,对影响最大,而对影响最大时,对影响最小。光楔B的情况与光楔A情况相同。由此可以对电机以及传动机构提出设计要求。

再建立该系统模型两光楔的速度与加速度的一般形式。

设光楔A转角与光楔B转角sui时间的变化规律如下式(10)与(11)所示:

(10)

(11)

其中:,表示振幅;,表示在一次任wuzhongliang光楔的平均转速。

设 rad/s[]=0.26 rad/s, rad[]=0.26 rad/s。

将式(10),式(11)对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜shun时转动速度表达式:

(12)

(13)

将式(12),式(13)再对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜瞬时转动加速度表达式以满足电机要求。

(14)

(15)

3 旋转双光楔系统分辨率分析

为研究双光楔系统可以达到的光束折射分辨率,在benjie分别建立x与y方向上的偏向角度随、β的改变而变化的规律。yin而需要分别仿真出射光线在x,y两个方向的偏向角与两光楔旋角的动态关系:

当出射光线在y方向(即水平方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与成像截面的交ji为一tiaoshu直线。根据式子(2),使用Matlab进行仿真出射光在x方向的偏向角随两光楔转角的变化呈如图7分布规律。

当出射光线在x方向(即shuzhi方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与截面的交集为一条水平线。根据式(3),使用Matlab进行仿真出射光在y方向的偏向角随两光楔转角,的变化呈如图8分布规律。

由图7、图8ke得到结论:精度上x与y方向具有一致性。因此以y方向为例,对y方向(即竖直方向)的光束偏向角度进行分析。对式(3)全微fen得到式(16)。即转角的变化量与转角的变化量对的变化量的变化关系。

(16)

在MATLAB中输入式(16),,,,,。计算得到,同理可得到。则通过双光楔系统后,激光束的偏向角的变化量可以使用与来衡量:

在zhe种情况下,当光楔每脉冲的转动角度要求是0.0001(rad),的最大值不超过14.824(rad)。若选择常用的步距角为1.8°的两相步jindian机,并使用64细分驱动器。则所xuli想电机最大转速为:

理想光楔最大转速为:

传动比i:

由此,可对步进电机选择以及传动方案设计提供依ju

4 结论

该方案分辨率为14.824rad,应用在高轨对地通信所需最大转速为0.26 ,可以满足高轨道卫星平台对地激光通信的指标要求。旋转双光楔捕获模型在高轨对地激光通信方面具有实用研究价值。

参考文献

[1]张诚,hu薇薇,xuanshi.星地光通信发展状况与趋势[J].中兴通讯技术,2006(2):52-56.ZHANG GH,HU W W,XU A SH..Status and trends of satellite-to-earth optical communications[J].ZTE Communications,2006(2):52-56.in Chinese)

[2]wei中超,熊言威,莫玮,等.旋转双光楔折射特性与二维扫描轨迹的分析[J].应用光学,2009(6):939-943.WEI Zhong-chao,XIONG Yan-wei,MO Wei,DAI Qiao-feng,LIANG Rui-sheng(Laboratory of Photonic Information Technology,School of Information and Optoelectronic Science,South China Normal University,Guangzhou 510006,China)

[3]helei袁家虎,李展,等.双光楔gaojing度角度发生器设计[J].光电工程,2002,29(6):46-49.HE Lei,YUAN Jia-huLI Zhan,et al.Design ofhigh-precision angle generator w ith double opticalw edges[J].Opto-Elect ronic Engineering,2002,29(6):46-49.in Chinese w ith an English abst rct)

[4]徐惠真,qiu申,徐斌.改善外腔半导体激光器调谐特性的新方法[J].应用光学,2008,29(6):975-977.XU Hui-zhen,QIUYi-shen,XU Bin.Wavelengthtuning characteristic improvment of ext ermal cavitydiode lasers[J].Journal of Applied Optics,2008,29(6):975-977.in Chinese w ith an English abstract)

[5]WILLIAM C,WARGER II,GUERRERA S A,etal.Efficient confocal microscopy w ith a dual-wedgescanner[J].SPIE,2009,7184:7184M-11.

对于同一光楔棱镜,当对影响最小时,对影响最大,而对影响最大时,对影响最小。光楔B的情况与光楔A情况相同。由此可以对电机以及传动机构提出设计要求。

再建立该系统模型两光楔的速度与加速度的一般形式。

设光楔A转角与光楔B转角随时间的变化规律如下式(10)与(11)所示:

(10)

(11)

其中:,表示振幅;,表示在一次任务中两光楔的平均转速。

设 rad/s≤[]=0.26 rad/s, rad≤[]=0.26 rad/s。

将式(10),式(11)对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜瞬时转动速度表达式:

(12)

(13)

将式(12),式(13)再对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜瞬时转动加速度表达式以满足电机要求。

(14)

(15)

3 旋转双光楔系统分辨率分析

为研究双光楔系统可以达到的光束折射分辨率,在本节分别建立x与y方向上的偏向角度随θ、β的改变而变化的规律。因而需要分别仿真出射光线在x,y两个方向的偏向角与两光楔旋角的动态关系:

当出射光线在y方向(即水平方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与成像截面的交集为一条竖直线。根据式子(2),使用Matlab进行仿真出射光在x方向的偏向角随两光楔转角的变化呈如图7分布规律。

当出射光线在x方向(即竖直方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与截面的交集为一条水平线。根据式(3),使用Matlab进行仿真出射光在y方向的偏向角随两光楔转角,的变化呈如图8分布规律。

由图7、图8可得到结论:精度上x与y方向具有一致性。因此以y方向为例,对y方向(即竖直方向)的光束偏向角度进行分析。对式(3)全微分,得到式(16)。即转角的变化量与转角的变化量对的变化量的变化关系。

(16)

在MATLAB中输入式(16),,,,,。计算得到,同理可得到。则通过双光楔系统后,激光束的偏向角的变化量可以使用与来衡量:

在这种情况下,当光楔每脉冲的转动角度要求是0.0001(rad),的最大值不超过14.824(rad)。若选择常用的步距角为1.8°的两相步进电机,并使用64细分驱动器。则所需理想电机最大转速为:

理想光楔最大转速为:

传动比i:

由此,可对步进电机选择以及传动方案设计提供依据。

4 结论

该方案分辨率为14.824rad,应用在高轨对地通信所需最大转速为0.26 ,可以满足高轨道卫星平台对地激光通信的指标要求。旋转双光楔捕获模型在高轨对地激光通信方面具有实用研究价值。

参考文献

[1]张诚,胡薇薇,徐安士.星地光通信发展状况与趋势[J].中兴通讯技术,2006(2):52-56.ZHANG GH,HU W W,XU A SH..Status and trends of satellite-to-earth optical communications[J].ZTE Communications,2006(2):52-56.(in Chinese)

[2]wei中超,熊言威,莫玮,等.旋转双光楔折射特性与二维扫描轨迹的分析[J].应用光学,2009(6):939-943.WEI Zhong-chao,XIONG Yan-wei,MO Wei,DAI Qiao-feng,LIANG Rui-sheng(Laboratory of Photonic Information Technology,School of Information and Optoelectronic Science,South China Normal University,Guangzhou 510006,China)

[3]贺磊,袁家虎,李展,等.双光楔高精度角度发生器设计[J].光电工程,2002,29(6):46-49.HE Lei,YUAN Jia-hu,LI Zhan,et al.Design ofhigh-precision angle generator w ith double opticalw edges[J].Opto-Elect ronic Engineering,2002,29(6):46-49.(in Chinese w ith an English abst rct)

[4]徐惠真,邱怡申,徐斌.改善外腔半导体激光器调谐特性的新方法[J].应用光学,2008,29(6):975-977.XU Hui-zhen,QIUYi-shen,XU Bin.Wavelengthtuning characteristic improvment of ext ermal cavitydiode lasers[J].Journal of Applied Optics,2008,29(6):975-977.(in Chinese w ith an English abstract)

[5]WILLIAM C,WARGER II,GUERRERA S A,etal.Efficient confocal microscopy w ith a dual-wedgescanner[J].SPIE,2009,7184:7184M-11.

对于同一光楔棱镜,当对影响最小时,对影响最大,而对影响最大时,对影响最小。光楔B的情况与光楔A情况相同。由此可以对电机以及传动机构提出设计要求。

再建立该系统模型两光楔的速度与加速度的一般形式。

设光楔A转角与光楔B转角随时间的变化规律如下式(10)与(11)所示:

(10)

(11)

其中:,表示振幅;,表示在一次任务中两光楔的平均转速。

设 rad/s≤[]=0.26 rad/s, rad≤[]=0.26 rad/s。

将式(10),式(11)对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜瞬时转动速度表达式:

(12)

(13)

将式(12),式(13)再对时间t进行一次求导数,可得到两光楔棱镜瞬时转动加速度表达式以满足电机要求。

(14)

(15)

3 旋转双光楔系统分辨率分析

为研究双光楔系统可以达到的光束折射分辨率,在本节分别建立x与y方向上的偏向角度随θ、β的改变而变化的规律。因而需要分别仿真出射光线在x,y两个方向的偏向角与两光楔旋角的动态关系:

当出射光线在y方向(即水平方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与成像截面的交集为一条竖直线。根据式子(2),使用Matlab进行仿真出射光在x方向的偏向角随两光楔转角的变化呈如图7分布规律。

当出射光线在x方向(即竖直方向)的偏向角为0°时,出射光的轨迹与截面的交集为一条水平线。根据式(3),使用Matlab进行仿真出射光在y方向的偏向角随两光楔转角,的变化呈如图8分布规律。

由图7、图8可得到结论:精度上x与y方向具有一致性。因此以y方向为例,对y方向(即竖直方向)的光束偏向角度进行分析。对式(3)全微分,得到式(16)。即转角的变化量与转角的变化量对的变化量的变化关系。

(16)

在MATLAB中输入式(16),,,,,。计算得到,同理可得到。则通过双光楔系统后,激光束的偏向角的变化量可以使用与来衡量:

在这种情况下,当光楔每脉冲的转动角度要求是0.0001(rad),的最大值不超过14.824(rad)。若选择常用的步距角为1.8°的两相步进电机,并使用64细分驱动器。则所需理想电机最大转速为:

理想光楔最大转速为:

传动比i:

由此,可对步进电机选择以及传动方案设计提供依据。

4 结论

该方案分辨率为14.824rad,应用在高轨对地通信所需最大转速为0.26 ,可以满足高轨道卫星平台对地激光通信的指标要求。旋转双光楔捕获模型在高轨对地激光通信方面具有实用研究价值。

参考文献

[1]张诚,胡薇薇,徐安士.星地光通信发展状况与趋势[J].中兴通讯技术,2006(2):52-56.ZHANG GH,HU W W,XU A SH..Status and trends of satellite-to-earth optical communications[J].ZTE Communications,2006(2):52-56.(in Chinese)

[2]韦中超,熊言威,莫玮,等.旋转双光楔折射特性与二维扫描轨迹的分析[J].应用光学,2009(6):939-943.WEI Zhong-chao,XIONG Yan-wei,MO Wei,DAI Qiao-feng,LIANG Rui-sheng(Laboratory of Photonic Information Technology,School of Information and Optoelectronic Science,South China Normal University,Guangzhou 510006,China)

[3]贺磊,袁家虎,李展,等.双光楔高精度角度发生器设计[J].光电工程,2002,29(6):46-49.HE Lei,YUAN Jia-hu,LI Zhan,et al.Design ofhigh-precision angle generator w ith double opticalw edges[J].Opto-Elect ronic Engineering,2002,29(6):46-49.(in Chinese w ith an English abst rct)

[4]徐惠真,邱怡申,徐斌.改善外腔半导体激光器调谐特性的新方法[J].应用光学,2008,29(6):975-977.XU Hui-zhen,QIUYi-shen,XU Bin.Wavelengthtuning characteristic improvment of ext ermal cavitydiode lasers[J].Journal of Applied Optics,2008,29(6):975-977.(in Chinese w ith an English abstract)

[5]WILLIAM C,WARGER II,GUERRERA S A,etal.Efficient confocal microscopy w ith a dual-wedgescanner[J].SPIE,2009,7184:7184M-11.

科jizi讯 2014年18期

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