1 长春理工大学机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信国防重点实验室，吉林 长春 130022
在激光通信光端机伺服控制中，基于速度、加速度滞后补偿的等效复合控制技术能够大幅提高光端机的跟瞄精度，同时对系统稳定性影响较小。本文首先建立了卫星激光通信光端机双向跟瞄模型，分析了光端机工作扰动来源，解算出运动和扰动的等效正弦信号，在速度、位置双回路闭环控制的基础上，开展了等效复合控制技术研究；通过对控制参数进行基于方差的敏感度分析，完成了速度、加速度滞后补偿参数的优化设计；最后在室内构建了实验系统，完成了仿真分析和实验验证。实验结果表明，采用等效复合控制后，在双端运动状态下，跟踪误差为56.8，误差减小了80.06%，大幅提高了光端机粗跟踪动态的跟踪精度。
光通信 卫星激光通信 等效复合控制 参数优化 敏感度分析 激光与光电子学进展
2023, 60(9): 0906004
红外与激光工程
2021, 50(12): 20210344
1 长春理工大学 机电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
3 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
针对空间碎片探测与测距复合系统地面验证演示实验中，工作环境10~30 ℃、光学基台的尺寸限制（不超过450 mm×400 mm）以及光学望远镜尾部安装导致重心远离安装面的问题，提出了空间碎片探测与测距复合系统光学望远镜的设计。使用ANSYS有限元分析软件对光学望远镜建立了有限元模型，针对环境温度10~30 ℃、尾部安装状态下、光轴方向和垂直光轴方向1 g （g=9.8 m/s2）重力加速度工况下进行了分析。分析结果表明：光学望远镜整机一阶模态为133 Hz动态刚度较好，重力为光轴方向时主次镜间距最大变化量0.01 mm，重力为垂直光轴方向时主次镜间距最大为0.007 mm，光学望远镜系统波像差RMS值为λ/15，次镜最大倾角1.93″，具有较好的力、热稳定性，可以满足光学天线装校、检测以及外场实验验证过程中的指标要求。在光学望远镜装校完成后，使用ZYGO干涉仪对其像质进行检测，在重力垂直于光轴方向、环境温度10、20、30 ℃条件下进行检测，结果显示：系统波像差RMS值分别为0.097λ、0.075λ及0.1λ，整机光学望远镜系统波像差RMS值在最低温与最高温度时均优于λ/10均满足系统使用要求。
空间碎片 测距与成像复合系统 光学望远镜 仿真分析 space debris ranging and imaging compound system optical telescope simulation analysis 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200464
1 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点实验室, 吉林 长春 130022
为提高空间激光通信效率,实现空间激光通信组网,对激光通信组网从光端机控制技术进行研究。首先,阐述空间激光通信组网“一对四”系统原理,并分析从光端机控制方式;然后,对从光端机捷联控制技术建立数学模型并设计非线性跟踪微分器,对从光端机的方位轴进行MATLAB仿真分析;最后,搭建组网通信系统,对从光端机进行实验。实验结果表明,从光端机在引入非线性微分跟踪器后,其方位轴跟踪精度从105 μrad(3σ)降低到31 μrad(3σ),系统精度得到了有效的提高。
光通信 激光通信组网 从光端机 视轴稳定 微分测速 光学学报
2021, 41(14): 1406001
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
阐述了空间光到单模光纤耦合原理,设计了基于快速反射镜结合光纤光电探测器的章动耦合算法,在LabVIEW环境下仿真了光纤端面章动的动态跟踪过程,并进行了激光章动系统耦合实验,实现了静态条件下59.63%的耦合效率,进行了1.65 GHz码速率的视频传输演示与扰动实验,验证了章动耦合算法的有效性与可行性。通过实验与仿真数据结果,分析了章动算法参数中章动半径、收敛步长与章动单周采样点数对耦合性能的影响。结果表明,在光纤端面当章动半径从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率无明显变化,但章动半径过小会导致收敛角度识别误差增大,降低耦合速率;当收敛步长从0.1 μm增加到2.5 μm时,耦合效率与耦合稳定性下降,耦合速率上升;当章动单周采样点数从100减少到5时,耦合效率与耦合稳定性无明显变化趋势,但由于采样点数过少,收敛角度分辨率降低,耦合速率明显下降。
光纤光学 空间激光通信 单模光纤耦合 激光章动 耦合效率 中国激光
2019, 46(11): 1105001
孟立新 1,2,3,*孟令臣 1,3李小明 1,2,3张家齐 1,2,3[ ... ]张立中 1,2,3
1 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空地激光通信技术国防重点学科实验室, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学 机电工程学院, 吉林 长春 130022
针对星载激光通信端机伺服转动系统在轨期间多次锁紧/解锁需求, 提出了一种基于形状记忆合金(SMA)丝的可重复锁紧/解锁机构。首先, 分析了重复锁紧/解锁机构利用弹簧分力实现锁紧和SMA丝输出回复应力实现解锁的工作原理, 利用杠杆原理优化了锁紧力与锁紧位移; 其次, 仿真分析了锁紧力与解锁力之间的平衡关系, 以及锁紧力对整机模态的影响; 最后, 研制了原理样机, 实验验证了解锁力、解锁时间与供电电流的关系、重复锁紧/解锁功能, 以及高温、振动等航天环境对锁紧机构可靠性影响等问题。实验结果显示, 该机构可提供1 000 N锁紧力, 在输入12 V/3 A电源时, 最大解锁时间不超过2 s, 在环境温度90 ℃以下可保证稳定可靠锁紧, 并可实现多次重复锁紧/解锁。该机构具有轻小型、低冲击、可重复、低功耗优点, 满足星载激光通信端机多次锁紧/解锁需求, 应用潜力巨大。
解锁机构 记忆合金丝 可重复 弹簧 解锁力 unlocking mechanism memory alloy wire repeatable spring unlocking force
长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了保证移动地面站光电跟瞄系统在野外复杂环境下具有稳定的跟踪精度, 针对-20~40 ℃宽工作温度范围下信标接收镜头成像光斑弥散的问题, 进行了光学系统与光机结构的设计, 提出了一种以步进电机驱动补偿镜组的温度补偿方案。分析了极限温度条件下光学系统性能的改变以及不同温度补偿方案的效果, 针对光电跟瞄系统的指标要求, 设计了光机结构并进行了力学、光学性能的分析。分析结果表明, 系统一阶模态为370 Hz; 补偿镜组向前移动0695 mm能够补偿-20 ℃时光学系统成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由73 μm降为32 μm, 边缘视场光斑尺寸由77 μm降为157 μm; 向后移动0885 6 mm能够补偿40 ℃时成像光斑的弥散, 令中心视场光斑尺寸由94 μm降为39 μm, 边缘视场光斑尺寸由96 μm降为218 μm; 使用ZYGO干涉仪对光学系统的像质进行检测, 波像差RMS值(均方根值)为0061λ(λ=6328 nm), PV值(峰谷值)为0466λ, 能够满足跟瞄系统指标要求。
激光通信 移动地面站 跟瞄系统 信标接收镜头 laser communication mobile ground station tracking and aiming system wide temperature range beacon receiver lens
长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了满足空间多节点激光通信系统的研制与调试要求,提出了一种多用途激光通信光学天线。通过替换透镜或分光组件,实现激光通信光学天线与自准直平行光管功能的切换。对主镜室进行加强设计,提高了系统整体刚度并使其具有遮光罩的功能。主镜室前端面与盘式次镜架连接,方便光学系统的装校工作,内部通过6个粘接点与主镜相连,后端面连接主镜室背板,以提供透镜组件、分光组件及主镜辅助支撑组件的安装接口。有限元分析结果表明,本结构1阶模态为345 Hz,环境温度在20 ℃±5 ℃范围内,主镜面形误差均方根值优于λ/28。使用4维(4D)干涉仪对系统波像差进行检测,结果表明,激光通信光学天线工作模式下系统波前均方根值优于λ/14,能够满足激光通信系统的指标要求。
光通信 光学天线 平行光管 多用途 激光与光电子学进展
2018, 55(2): 020602
1 长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心，吉林 长春 130022
2 天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津 300072
3 天津津航技术物理研究所，天津 300308
针对某星载激光通信中光电跟瞄系统的反射镜组件进行研究，对比了三种柔性支撑方案，结合空间载荷实际应用情景综合评估结构的刚度优势和面形精度。分析结果表明，颈口侧壁开槽的柔性支撑方案在重力和温度变化影响下的面形精度(RMS)可达2.05 nm和8.88 nm，基频模态为926.1Hz，在保证面形精度的柔性要求与高刚度抵御振动损坏的平衡中，这种柔性设计方案最为合理。进一步完成了柔性支撑结构的参数优化设计并进行了动力学分析，频率响应下应力最大值为96 MPa，小于材料的抗拉强度极限；随机振动分析结果表明，反射镜加速度响应均方根为11.14 g RMS，并满足3σ准则。文章最后通过0.2 g正弦扫频试验，验证了有限元模态分析相对误差为2.4%。实验结果表明，分析结果基本准确可靠，柔性环节设计可靠，满足使用要求。
轻小型反射镜 柔性支撑 有限元分析 动态刚度 面形精度。 compact reflector subassembly flexure aupport finite element analysis dynamic stiffness surface figure
长春理工大学空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
为了减小多节点激光通信天线的工作包络尺寸并提高二维摆镜的运动控制精度,提出了一种紧凑型摆镜组件。采用高体分铝基碳化硅(SiC/Al)支撑板与H-K9L反射镜直接黏接的方案,提高了摆镜面形的热稳定性,摆镜回转中心至镜面的距离被缩短至20 mm。黏接面采用三点薄圆环的设计,在保证摆镜组件动态刚度的前提下有效降低了黏接应力对摆镜面形的影响。有限元分析结果表明,摆镜组件的基频为1319.96 Hz,在(20±5) ℃工作温度范围内,面形峰谷(PV)值优于λ/4(λ=632.8 nm),面形均方根(RMS)值优于λ/22。使用ZYGO激光干涉仪对摆镜的面形进行检测,结果表明,在(20±5) ℃温度范围内,摆镜面形的PV值优于λ/4,RMS值优于λ/29,满足激光通信天线RMS为λ/15的指标要求。
光通信 光学天线 二维摆镜 平面镜支撑优化 有限元分析
