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
在机载光电转台、多自由度摇摆台等系统中，对于一些运动体与基座间没有确定的回转轴的柔性支撑、并联支撑平台，需要考虑非接触三轴角度测量方法，目前大部分的光电非接触三轴角度测量方案系统复杂，占用空间大，无法适用于如机载、星载等载荷对体积、质量敏感的场景。为此，文中提出了基于双位置敏感探测器（PSD）的非接触三轴角度测量方案，使用准直镜头汇聚、双面反射光楔反射，将光源在两片PSD上汇聚成像，利用PSD上的光斑位置坐标反解出三轴角度。描述了其工作原理以及传感器构成，分析了因两片PSD的相对位置偏移产生的误差，提出了对应补偿方法以减少焊装产生的PSD位置偏移对测量精度的影响。主要对采集的PSD模拟信号值的抖动噪声进行FIR滤波处理，分析了滤波器的相频响应特性，并在MCU中测量相位滞后时间以及滤波器的响应带宽，验证了该数字滤波器在系统内拥有较好的实时传输特性。自准直测量单元总质量为230 g，尺寸为50 mm×50 mm×50 mm。实验结果表明，34阶FIR滤波器将角度测量的误差减小至60%，在±2°测量范围内单轴测量时，方位角、俯仰角、横滚角的误差均方根分别为0.003°、0.007°、0.017°，组合测量时分别为0.006°、0.009°、0.021°，文中所提出的三维测角传感器精度较高，满足机载等场景的使用要求。
三轴姿态角度测量 非接触测量 位置敏感探测器 滤波带宽 响应频率 three-axis attitude angle measurement non-contact measurement position sensitive detector filter bandwidth response frequency 红外与激光工程
2024, 53(2): 20230543
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与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
针对空间激光通信组网各网络拓扑节点高度动态、通信链路搭建困难的问题，在现有“一点对多点”组网光学原理基础上，对其反射镜光学天线伺服性能进行研究。通过实验对针对反射镜的基于位置环和基于速度环的两种不同的光闭环控制策略进行对比，结果显示：基于速度环的光闭环策略在跟踪换向时会出现瞬间较大误差抖动，而基于位置环的光闭环策略的跟踪误差在换向时更加平稳，且误差较小。利用Matlab平台进行了基于速度环的光闭环跟踪仿真，仿真得到的跟踪误差与实际跟踪误差基本一致，但并无较大的换向误差。结合低速启动实验，得出结论：该误差来源于速度环较差的低速启动性能，通过增加位置环降低换向跟踪误差的方案适用于轴系谐振频率较高的光机系统。实验还对位置环跟踪下的速度前馈进行了研究，结果表明：前馈增益从0到2递增时，位置跟踪误差先减小后增大，跟踪误差最小值出现在增益值为0.95~1.05附近。
光通信 空间激光通信组网 反射镜 光闭环性能 速度前馈 激光与光电子学进展
2021, 58(9): 0906007
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 长春理工大学机电工程学院, 吉林 长春 130022
一对多激光通信天线受结构和尺寸的限制,反射镜与安装平面只能单独研磨。虽然可根据面形测试结果对安装平面进行反复研磨,以保证摆镜安装后的面形精度,但该方法难度大、周期长、成功率低。为了减小加工难度,在保证正常研磨精度(5μm)的同时降低安装面平面度造成的安装应力和温度变形等外力影响,保证摆镜安装后的面形精度。研究了摆镜在力学作用下的面形精度变化和面形稳定性,优化设计了隔离结构,有效提高了摆镜的面形稳定性。测试结果表明,在测试波长为λ时,安装应力和温度升(降)载荷作用下摆镜面形精度的峰谷值由0.546λ提升到0.161λ,均方根值由0.099λ提升到0.019λ,完全符合设计要求。
激光通信 摆镜 优化设计 面形精度
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 长春理工大学机电工程学院，吉林长春 130012
激光通信大口径地面光端机的主要作用是与卫星建立通信链路，实现卫星与地面站之间的数据传输。某激光通信车载地面光端机 600 mm主镜采用微晶材料，重量较大且工作角度不断发生变化。为保证镜面变形精度，该主镜在采用轴向背部 9点支撑的基础之上，需同时采用径向支撑结构平衡主镜在其工作角度下重力的径向分力。本文根据主镜工作角度变化，针对传统多点径向支撑结构尺寸大并易造成应力集中等问题，为平衡主镜径向重力分量，减小径向支撑结构尺寸，设计了中心轴与水银带相结合的径向支撑方案，采用有限元分析方法得出水银带参数对主镜面形的影响，优化了支撑参数并设计了支撑结构。主镜面形测试结果表明，采用本文提出的径向支撑结构后，主镜面形达到了预期效果，面形 PV值优于 λ/5，RMS值优于 λ/37，完全满足设计要求。
激光通信 水银带 径向支撑 中心支撑 面形误差 laser communication mercury band lateral support center support surface error
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
为保证单反式光端机指向捕获跟踪（Pointing, acquisition and tracking, PAT）时反射镜在恶劣空间环境下的面形精度，设计了一种底面开槽的柔性支撑结构。由于柔性支撑结构参数较多，为避免各参数之间严重耦合，采用正交优化方法对柔性支撑结构进行参数优化设计，再利用有限元方法对反射镜组件进行热力学特性分析。仿真分析结果表明，反射镜组件一阶频率为352.61 Hz，在1g重力和10 ℃温升（温降）共同作用下的最大面形误差RMS为λ/54.79(λ=623.8 nm)，能够满足动、静态刚度和热尺寸稳定性要求。使用ZYGO干涉仪在(20±10) ℃温度范围内对反射镜面形进行检测，结果表明，反射镜面形PV值优于λ/6，RMS优于λ/43，满足RMS≤λ/40的指标要求。实验结果表明，柔性支撑参数设计可靠，满足使用要求。
激光通信 反射镜 柔性支撑 正交优化 参数化设计 laser communication mirror flexible support orthogonal optimization parametric design 红外与激光工程
2020, 49(4): 0414003
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 机电工程学院, 吉林 长春 130022
在保证“一对多”激光通信终端光学天线的成像质量前提下, 为解决光学天线两端面承担载荷的技术问题, 提出了一种用于卫星平台的可承载式激光通信光学天线。对主镜组件、可承载式遮光罩及次镜支撑桁架的结构形式以及连接方式进行正对性设计, 保证主镜面形精度以及次镜的位置精度。使用ANSYS有限元分析软件进行分析, 结果表明: 整机一阶模态151.54 Hz; 光学天线前端可承载8.5 kg, 后端面可承载13 kg; 径向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS值(均方根误差)为λ/158、PV值(最大峰谷误差)λ/30, 次镜最大倾角1.88″; 在(20±5)℃环境温度、轴向1 g自身重力及两端承载工况下, 主镜面形精度RMS为λ/65、PV为λ/14, 次镜最大倾角1.21″, 该天线承载后具有较好的力、热稳定性以及成像质量, 可以满足天线在地面装调、检测以及发射过程中的指标要求。采用质量块模拟两端负载质量及重心位置, 使用ZYGO干涉仪进行测试, 结果表明系统波相差能够满足1 g重力及负载条件下, 系统波相差RMS值优于λ/15的指标要求。
激光通信 光学天线 有限元分析 遮光罩 面形精度 laser communication optical antenna finite element analysis baffle surface error accuracy 红外与激光工程
2019, 48(11): 1118001
1 长春理工大学空间光电技术国家与地方联合工程研究中心, 吉林 长春 130022
2 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
3 长春理工大学电子信息工程学院, 吉林 长春 130022
设计实验实现了基于级联调制器抽运源的1.7 μm波段宽带光源。采用连续光源和级联调制器组合的方式,在反常色散区域抽运1 km的高非线性色散位移光纤,产生了超连续谱。经过光纤波分复用器的滤波后,得到了峰值波长为1748.9 nm、输出功率约为22 dBm、20 dB光谱范围为1.6 ~2 μm、相应的谱宽约为419 nm的宽带光源。通过增加Sagnac滤波器,得到了频率周期为2.5 nm、强度周期为9.5 dB的多波长宽带光源。此外,分析了抽运功率、波长及重复频率对超连续谱展宽的影响。
光纤光学 宽带光源 超连续谱 1.7 μm波段; 级联调制器
