宋奇林 1,2,3,4李杨 1,3,4周子夜 1,3,4肖亚维 1,2,3,4[ ... ]饶长辉 1,2,3,4
作者单位
摘要
1 自适应光学全国重点实验室,四川 成都 610209
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院光电技术研究所,四川 成都 610209
4 中国科学院自适应光学重点实验室,四川 成都 610209
Overview: Since the groundbreaking discovery of gravitational waves, the scientific community has fervently pursued the exploration of low-frequency gravitational waves to glean deeper insights into the cosmos. The inherent limitations of ground-based conditions, however, pose formidable challenges for detectors in capturing gravitational waves below the 1 Hz threshold. Consequently, the imperative has shifted toward the deployment of space-based gravitational wave detectors as the paramount solution for effective low-frequency gravitational wave detection. At the crux of space-based gravitational wave detection lies the pivotal role of spaceborne telescopes. Given the expansive transmission distances spanning magnitudes of 109 m between celestial constellations, the demand for nanoradian-level precision in telescope pointing accuracy becomes non-negotiable. The concomitant necessity for high-precision measurements and calibration emerges as a prerequisite for achieving the exacting standards of pointing accuracy in spaceborne telescopes dedicated to gravitational wave detection. To ameliorate the deleterious effects of pointing deviations on gravitational wave detection, this study strategically optimizes key parameters, including microlens structures, detector selection, and algorithmic frameworks, thereby achieving a breakthrough in high-precision pointing deviation measurements. Leveraging a low-density microlens array with extended sub-aperture focal lengths enhances the spatial scale of the light spot within each sub-aperture. This, coupled with detectors boasting a high signal-to-noise ratio, synergistically elevates the pointing detection accuracy of each discrete lens. Moreover, the paper introduces an innovative, Hartmann principle-based methodology for high-precision pointing deviation measurements, deploying a spatially reused paradigm across multiple sub-apertures. By aggregating measurement results from diverse sub-apertures, the approach effectively mitigates the influence of assorted random errors on measurement accuracy, thereby markedly enhancing the precision of pointing deviation measurements. Illustrating the efficacy of these methodologies, the paper exemplifies their application within the ambit of the "Tianqin Plan" for space-based gravitational wave detection. Employing numerical simulations and factoring in the design parameters of the Hartmann sensor, the study performs a meticulous analysis of pointing deviation measurement accuracy. Comparative analysis between single sub-aperture and sub-aperture correlation reuse technologies reveals a compelling enhancement in measurement accuracy, approximating a sevenfold improvement with the latter. The pointing deviation measurement accuracy achieved through sub-aperture correlation reuse technology is quantified at approximately 18.81 nanoradians. Considering the optical magnification inherent in spaceborne telescopes, estimated at around 30 times, the resultant pointing deviation measurement accuracy reaches an impressive 0.62 nanoradians. This design precision significantly surpasses the stipulated 1 nanoradian accuracy requirement for ground-based gravitational wave pointing deviation measurements. As a prudential measure, the proposed design incorporates a substantial margin to accommodate potential accuracy diminution attributable to external perturbations during empirical testing.
星载望远镜 指向偏差测量 哈特曼 多子孔径空间复用 spaceborne telescope pointing deviation measurement Hartmann multi-subaperture spatial multiplexing 
光电工程
2024, 51(2): 230234
焦崇淼 1,2,3贺岩 1,*胡善江 1侯春鹤 1[ ... ]陈卫标 1,**
作者单位
摘要
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室,上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心,北京 100049
3 国科大杭州高等研究院,浙江 杭州 310024
针对水下平台与高空飞机的激光通信中有效通信时间短、使用信标光的捕获对准时间较长、链路不易建立的问题,设计了一套基于水下平台的高空飞机轨迹预报跟踪及指向系统。系统根据飞机发送的航行参数对飞机轨道进行预报,并驱动伺服电机进行跟踪指向。仿真分析了轨道预报算法的误差,并将轨道预报算法应用在实际实验中。实验结果表明,水下平台接收到航行参数后,能在2 s内建立上行通信链路。该算法能够在0.6 s内预测60 s内的轨道位置,误差小于350 m,对应的理论指向误差不超过0.51 mrad。通过比较指向电机的实时反馈与理论指向角,得到系统的指向误差为0.77 mrad。所设计的系统在满足通信指向精度的同时缩短了链路的建立时间,为水下平台与高空激光系统的猝发激光通信提供了具有高可靠性的保障。
激光通信 跟踪 指向系统 指向精度 轨迹预报 
光学学报
2024, 44(6): 0606003
尹幸 1姚海峰 2,3刘智 1,4常亦迪 1[ ... ]陶小可 5
作者单位
摘要
1 长春理工大学 电子信息工程学院, 长春 130022
2 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033
4 长春理工大学 空间光电技术国家地方联合工程研究中心, 长春 130022
5 中国人民解放军32215部队
为了研究在大气湍流、指向误差以及各种噪声的共同影响下的星地激光通信系统平均误码率性能,采用Gamma-Gamma信道模型,建立了大气湍流与指向误差的组合衰减模型,并结合各种噪声推导出关于组合衰减模型的星地激光通信系统平均误码率的闭合表达式。研究结果表明,当卫星轨道高度为400 km、天顶角为45°、波长为1 550 nm以及等效波束半径和指向误差位移标准差(抖动)的归一化比值为4时,总噪声、热噪声、背景噪声对应的平均误码率分别为1.519×10-7、6.907×10-8、1.357×10-8。
星地激光通信 指向误差 各种噪声 Gamma-Gamma信道 平均误码率 相干光通信 satellite-earth laser communication, pointing erro 
光通信技术
2023, 47(3): 0031
Author Affiliations
Abstract
1 Nanjing University, College of Engineering and Applied Sciences, and Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, School of Electronic Science and Engineering, School of Physics, National Laboratory of Solid State Microstructures, Nanjing, China
2 Beijing Academy of Quantum Information Sciences, Beijing, China
3 Xin Lian Technology Co., Ltd., Huzhou, China
Free-space optical communication (FSO) can achieve fast, secure, and license-free communication without physical cables, providing a cost-effective, energy-efficient, and flexible solution when fiber connection is unavailable. To achieve FSO on demand, portable FSO devices are essential for flexible and fast deployment, where the key is achieving compact structure and plug-and-play operation. Here, we develop a miniaturized FSO system and realize 9.16 Gbps FSO in a 1 km link, using commercial single-mode-fiber-coupled optical transceiver modules without optical amplification. Fully automatic four-stage acquisition, pointing, and tracking systems are developed, which control the tracking error within 3 μrad, resulting in an average link loss of 13.7 dB. It is the key for removing optical amplification; hence FSO is achieved with direct use of commercial transceiver modules in a bidirectional way. Each FSO device is within an overall size of 45 cm × 40 cm × 35 cm, and 9.5 kg weight, with power consumption of ∼10 W. The optical link up to 4 km is tested with average loss of 18 dB, limited by the foggy test environment. With better weather conditions and optical amplification, longer FSO can be expected. Such a portable and automatic FSO system will produce massive applications of field-deployable high-speed wireless communication in the future.
free-space optical communication acquisition, pointing, and tracking system field-deployable system 
Advanced Photonics Nexus
2023, 2(6): 065001
彭加力 1,2,3阮萍 1,3,*谢友金 1,3李治国 1,3[ ... ]韩璟宇 1,2,3
作者单位
摘要
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710119
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院空间精密测量技术重点实验室,西安 710119
针对目前利用有限元方法分析星载光电跟瞄转台动态特性时存在的建模失真问题,提出使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构等效建模,并通过定义模态阻尼比,精确模拟转台的固有频率及响应特性。通过理论计算和基于模态试验数据的参数辨识,确定各等效单元刚度;通过基于扫频试验数据的参数辨识,确定结构模态阻尼。基于建立的等效有限元模型进行仿真分析,模态分析中前6阶固有频率与试验结果的最大偏差为5.1%,谐响应分析中X、Y、Z三个主方向的最大响应与试验结果的最大偏差为3.2%,固有频率与响应一致性良好,均在允许的误差范围内。说明使用广义弹簧单元对轴承和锁紧机构进行等效建模,通过模态和扫频试验数据确定转台刚度和阻尼特性是可行的,对同类型转台的建模仿真有一定借鉴作用。
精密仪器与机械 动态特性 等效建模 星载光电跟瞄转台 刚度与阻尼 固有频率 振动响应 有限元分析 Precision instrument and machinery Dynamic characteristic Equivalent modeling Space Electro-optical tracking and pointing turntable Stiffness and damping Natural frequency Vibration response Finite element analysis 
光子学报
2023, 52(7): 0712002
作者单位
摘要
华中光电技术研究所智能光电与数字制造实验室,湖北 武汉 430223
针对离散式光学系统光轴指向误差标校需求,研究了一种基于测星法的光轴指向误差数字化标校技术。以某型离散式光学系统为例,采用四元数数学方法推导了含有光机结构加工装配误差以及传感器测量误差在内共计11个系统误差参量的地理系光轴指向模型。将指向模型中包含误差参数的三角函数项泰勒级数展开并作一阶近似处理将方程线性化。通过最小二乘原理获得了光路中系统误差解算模型。基于天文导航基本原理建立了以星体为目标的标校基准。通过实验测试完成了光轴指向误差数字化标校技术原理验证。分析表明:通过测星法光轴指向误差数字化标校能够大幅提高离散式光学系统光轴指向精度。本文研究方法和结论可以为离散式光学系统光轴指向误差标校提供参考。
离散式光学系统 指向误差 数字化标校 测星法 四元数 
光学学报
2023, 43(18): 1812004
作者单位
摘要
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,长春 130033
2 中国科学院大学,北京 100049
为了更好地实现对日冕及日冕物质抛射的观测,并使观测角度更加精准,设计了太阳对准系统,利用对准系统对太阳成像,根据探测器上太阳像的圆心坐标判断是否对准并调整日冕仪观测角度。将太阳对准系统应用在三圆盘外掩式日冕仪上进行实验,该日冕仪视场为±20°,工作波段为630~730 nm,F数为4,焦距为38 mm,分辨率为1.2'/pixel。对比了单圆盘外掩体与三圆盘外掩体对外掩体边缘衍射光的抑制能力,并提出一种黑洞检测法对日冕仪总杂散光进行检测。实验结果表明,日冕仪指向精度达到0.11',三圆盘外掩体边缘衍射杂散光低于单圆盘外掩体边缘衍射光,且日冕仪总杂散光抑制水平达到10-13量级。杂散光检测方法结果良好,准确性高,对准系统实现了预期功能。
指向精度 天文仪器 日冕仪 杂散光 外掩体 Pointing accuracy Astronomical instruments Coronagraph Stray light External occulter 
光子学报
2023, 52(5): 0552214
作者单位
摘要
北京工业大学材料与制造学部数控精密加工技术研究所,北京 100124
激光具备优异的相干性、方向性和高能量,被广泛应用于激光通信、激光制导、高能**和精密加工等领域。然而,激光器本身和外部环境等因素会造成光束指向不稳定,严重降低了通信、制导和加工的精度。因此,构建了一种基于快速反射镜的光束指向性偏差矫正系统,并对光束指向性偏差矫正过程进行建模。重点构建了由位置敏感探测器的位置偏差信号到快速反射镜的矫正角度的控制模型。建立的控制模型可以实现对光束指向性偏差的检测和预测,并调整快速反射镜的姿态,以矫正光束指向性偏差,提高光束指向稳定性。通过实验验证了构建的系统和模型的性能。结果表明,依据构建的系统和模型校正后的光束在X方向和Y方向上的指向性偏差分别减少了78.08%和70.28%,光束指向稳定性显著提升。
光学设计 激光束传输 光路建模 光束指向性偏差 快速反射镜 位置敏感探测器 
中国激光
2023, 50(14): 1405003
作者单位
摘要
中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站,吉林 长春 130117
目前,移动测站以其高机动性正逐步成为空间目标监测网络重要的系统组成,应用于空间目标的共视观测与精密跟踪。针对移动测站光电望远镜由于工况的不稳定性以及装调过程中存在的指向误差,文中提出了一种基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法。首先,根据编码器轴系定位筛选出定标星群并进行资料归算;其次,采用面向脱靶量标定的快速星图匹配算法识别出与测量恒星相匹配的定标星坐标,并作为理论位置;最后,将多颗测量恒星坐标带入脱靶量标定指向修正数学模型对望远镜的指向进行拟合与标定。实验结果证明:采集一组序列图像对光心指向进行修正,单帧图像的修正周期约为2.2 s,从第10帧后修正量基本趋于稳定。对全天区典型分布的一批子天区进行指向修正,指向误差均值由修正前的124.24″提高至4.97″,标准差从41.50″提高至4.76″。综上所述,基于星图匹配脱靶量标定的指向误差修正方法对于提高测站望远镜的指向精度效果显著,且该方法的修正过程与望远镜机架结构无关,因此也可适用于不同机架结构的望远镜指向修正。
光电望远镜 指向误差 星图匹配 空间目标 optoelectronic telescope pointing error star pattern matching space target 
红外与激光工程
2023, 52(5): 20220813
杨峰 1,2石振东 2,*姜勇 2冷杰 2[ ... ]周寿桓 1
作者单位
摘要
1 四川大学 电子信息学院,四川 成都 610065
2 西南技术物理研究所,四川 成都 610041
在面阵扫描成像激光雷达中,阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场,但阵列子光束倾斜入射棱镜,破坏了光束传输的旋转对称性,棱镜对子光束偏转能力存在差异,规则光束阵列产生了形状畸变,导致光束指向误差,影响点云位置精度。首先,将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描,通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征;然后,采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程,建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系;最后,通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真,建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明:阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时,光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm,并随航高呈线性变化;斜率约为0.1 m/km,并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握,为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。
机载激光成像雷达 阵列光束 棱镜扫描 指向误差 点云精度 airborne imaging lidar array beam prism scanning pointing error point cloud accuracy 
红外与激光工程
2023, 52(5): 20220689

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