激光通信組網(wǎng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

1、激光通信組網(wǎng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析摘要:本文針對空間激光通信組網(wǎng)問題，提出了一對多激光通信組網(wǎng)光學(xué)天線總體構(gòu)想，闡述了系統(tǒng)工作原理，并設(shè)計了一種偏心式十字跟蹤架驅(qū)動機構(gòu)。最后分析了負載安裝架的應(yīng)力、應(yīng)變以及模態(tài)，為后續(xù)的光學(xué)天線結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。關(guān)鍵詞:激光通信組網(wǎng)光學(xué)天線激光技術(shù)的誕生使得激光作為信息的載體實現(xiàn)激光通信成為現(xiàn)實，尤其以大氣為傳輸介質(zhì)的空間激光通信技術(shù)，其通信速率高、容量大、抗干擾、抗截獲能力強、保密性好以及輕小型等突出優(yōu)勢，受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注。歐洲、美國、日本等先進國家相繼展開了對這一領(lǐng)域的研究工作，突破了諸多技術(shù)難點，并成功研制出了原理樣機,建立了地面通信站和較

2、為完善的評估與檢測系統(tǒng)，而且成功開展了星地、星際、空空、空地、星空等鏈路的演示驗證1。目前，激光通信系統(tǒng)的研究基本上都是點對點通信結(jié)構(gòu)形式，然而從工程應(yīng)用的角度來看，點對點結(jié)構(gòu)形式往往不能滿足空間激光通信的需要，只有實現(xiàn)多點間的空間激光通信，建立起信息傳輸網(wǎng)絡(luò)，才真正具有更高的實用價值。隨著輕小型化衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展與進步，在衛(wèi)星偵察和通信領(lǐng)域掀起了采用低軌道衛(wèi)星/中軌道衛(wèi)星（LEO/MEO）星座的熱潮滸多LEO/MEO全球衛(wèi)星通信系統(tǒng)已經(jīng)建立起來或正在建設(shè)之中，為有效地綜合利用每顆小衛(wèi)星獲取的信息來完成復(fù)雜的航天任務(wù)，衛(wèi)星之間必須建立高效可靠的星際鏈路(ISL,inter-satelliteli

3、nks),通過星際鏈路把多顆衛(wèi)星互聯(lián)在一起，形成一個以衛(wèi)星作為交換結(jié)點的空間高速通信網(wǎng)絡(luò)2，因此,激光通信組網(wǎng)技術(shù)十分迫切。1激光通信組網(wǎng)光學(xué)天線工作原理為了實現(xiàn)多目標(biāo)之間同時通信，盡量增大光學(xué)天線的可視范圍，可以采用橢球面、雙曲面、拋物面或者其他形式的自由曲面作為光學(xué)天線的基面。其中旋轉(zhuǎn)拋物面具有各向入射光線會聚于焦點時，反射光線與旋轉(zhuǎn)軸平行的光學(xué)特性(如圖1所示)，因此，利用旋轉(zhuǎn)拋物面式反射鏡作為收發(fā)光學(xué)天線的基面，將各個目標(biāo)光線匯聚到中繼光學(xué)系統(tǒng)中,采用波分技術(shù)將不同目標(biāo)的激光信號分離，經(jīng)由相應(yīng)激光波長的探測器完成探測，進而實現(xiàn)激光通信鏈路組網(wǎng)。但是，具有一定束散角的激光光束從任意方向入

4、射只會有一條光線經(jīng)過旋轉(zhuǎn)拋物面的焦點，并將其平行于對稱軸反射進入卡式光學(xué)系統(tǒng)，其他光束則不具備此種特性，因此，大大降低了光能量的利用率，無法滿足通信要求。為此需要對旋轉(zhuǎn)拋物面式反射鏡進行改進，將入射點演化成一個平鏡面，以提高光能量利用率。本文采用旋轉(zhuǎn)拋物面為基底的多鏡面反射體作為光學(xué)天線，實現(xiàn)一對多衛(wèi)星間激光通信網(wǎng)絡(luò)的建立3,對多激光通信總體構(gòu)想如圖2所示。2組網(wǎng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)設(shè)計從組網(wǎng)光學(xué)天線工作原理可以看出，當(dāng)對某個目標(biāo)進行通信時，光學(xué)天線中反射鏡的個數(shù)越多，對旋轉(zhuǎn)拋物面的擬合程度就越好，光能量利用效率就越高，但是，反射鏡需要調(diào)整位置以使得反射光線進入中繼光學(xué)系統(tǒng)視場，因此，每個反射鏡均需要

5、獨立的驅(qū)動機構(gòu)。然而隨著反射鏡數(shù)目的增加，光學(xué)天線結(jié)構(gòu)尺寸和控制系統(tǒng)將變得十分龐大和復(fù)雜,系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性隨之降低，因此,需要對發(fā)射鏡個數(shù)以及尺寸進行優(yōu)化設(shè)計。本系統(tǒng)中繼光學(xué)接收孔徑為400mm,空間覆蓋范圍為方位360俯仰5采用6組反射鏡拼接形式組成，單個反射鏡能量利用率約為總體的12%,可以滿足激光通信功率鏈路需求，此時光學(xué)天線結(jié)構(gòu)得到了簡化，具備了工程實現(xiàn)條件，光學(xué)天線結(jié)構(gòu)形式如圖3所示。2.1機械結(jié)構(gòu)一般常用跟瞄機構(gòu)采用十字萬向架式正交設(shè)計，即方位軸、俯仰軸、反射鏡面法線嚴格正交，并交于一點，以保證反射鏡在旋轉(zhuǎn)過程中沒有附加的平移運動，從而提高運動機構(gòu)的精度。但該結(jié)構(gòu)反射鏡包裹在俯

6、仰軸系兩支撐端中間，反射鏡鏡面尺寸受到限制，光能利用率會嚴重下降。為解決上述問題，本系統(tǒng)采用偏心式十字跟蹤架設(shè)計方案，即將反射鏡前凸，偏離俯仰軸軸線，擺脫俯仰軸支撐框架的限制。為了避免方位軸系承受由于俯仰框架偏心所帶來的不平衡力矩，將方位軸與俯仰軸的軸線采用非正交形式設(shè)計，由于運動范圍較小，所以鏡面在轉(zhuǎn)動過程中產(chǎn)生的平移運動以及在垂直方向上的投影在中繼天線接收范圍內(nèi),不影響鏡面反射效率，也避免因平移所造成的相鄰鏡片間的干涉。2.2反饋與驅(qū)動元件選擇位置傳感器是測量系統(tǒng)中的一重要組成部分，它的精度高低會直接影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性能與運動精度?？紤]到組網(wǎng)光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)尺寸,單個反射鏡驅(qū)動機構(gòu)的方位軸

7、系采用直流力矩電機為驅(qū)動元件，測角元件選用英國雷尼紹公司生產(chǎn)的一種光學(xué)角度編碼器，這種圓光柵以錐面方式定位，既保證了安裝精度（同軸度）的同時又減小了軸系的軸向尺寸，使結(jié)構(gòu)更加緊湊，增加了直驅(qū)系統(tǒng)的機械剛度，另外這種安裝方式耦合度較為靈活，使得伺服系統(tǒng)受速度偏差、回程誤差以及其他機械滯后誤差影響較小，提高了伺服系統(tǒng)的帶寬。音圈電機是一種將電能直接轉(zhuǎn)化為直線或圓弧運動的機械能而不需要任何中間轉(zhuǎn)換機構(gòu)的傳動裝置，具有動態(tài)范圍大、控制帶寬和控制精度適中的特點4?？紤]到俯仰軸系轉(zhuǎn)動范圍為7.5；為有限轉(zhuǎn)角系統(tǒng)，因此，俯仰軸系選用擺動型音圈電機驅(qū)動，以減小結(jié)構(gòu)徑向尺寸。角度傳感器選用扇形光柵，通過過渡件安

8、裝在俯仰軸系的一端，避免因方位旋轉(zhuǎn)引起的俯仰部件干涉。采用光學(xué)對準(zhǔn)方法，運用CCD電子顯微鏡使得扇形光柵的理想圓心與俯仰軸系的回轉(zhuǎn)中心重合，補償了軸系的徑向跳動誤差，扇形光柵的偏心率小于10um,小范圍內(nèi)，測量精度可達到5角秒以內(nèi)。3組網(wǎng)光學(xué)天線結(jié)構(gòu)有限元分析結(jié)構(gòu)分析是研究結(jié)構(gòu)的組成原理以及分析計算結(jié)構(gòu)在載荷作用下的內(nèi)力和變形的學(xué)科，主要分為結(jié)構(gòu)動力學(xué)分析和靜力學(xué)分析兩類。負載安裝架是整個光學(xué)天線的基體部分，其結(jié)構(gòu)設(shè)計的好壞直接影響著系統(tǒng)的動態(tài)特性與靜態(tài)特性，例如負載安裝架占光學(xué)天線質(zhì)量的50%60%,對其進行優(yōu)化設(shè)計可以達到輕量化的目的，有利于減小靜力變形,提高結(jié)構(gòu)的剛度與指向精度；另外負載

9、安裝架的結(jié)構(gòu)諧振頻率也影響著伺服系統(tǒng)的動態(tài)性能，要想滿足跟蹤帶寬要求，除了伺服控制系統(tǒng)具有足夠的控制能力外，還要求機械結(jié)構(gòu)具有較高的諧振頻率。下面就對負載安裝架結(jié)構(gòu)進行簡要分析。3.1結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析負載安裝架是一對多激光通信光學(xué)天線的主體支撐件，內(nèi)部圓形開口即為安裝法蘭，六個獨立二維反射鏡驅(qū)動機構(gòu)以60角均勻分布在安裝架上，每一個U型開口處都要與一個跟瞄指向機構(gòu)相連接，并承受約為3.5kg的重量。我們可以看出，負載安裝架屬于中心對稱結(jié)構(gòu),我們只需建立其1/12有限元模型，對其進行周期鏡像圓周陣列即可得到負載安裝架整體有限元模型，這樣可以減小解算時間。重力的施加我們需要選擇MASS21單元，并在

10、U型開口中心處建立該單元節(jié)點，將其與U型開口周圍節(jié)點進行剛性耦合，形成剛性區(qū)域以施加重力然后進行求解分析。其中負載安裝架材料為鑄鋁(ZAICu5Mn),彈性模量為70Gpa泊松比為0.32,密度為2700kg/m3。位移云圖與應(yīng)力云圖如圖4和圖5所示。從圖4和圖5可以看出，指向跟瞄機構(gòu)安裝罩最大變形量為4.21um,發(fā)生在U型開口端部，變形較小可以忽略不計，滿足剛度設(shè)計要求;最大應(yīng)力為0.775Mpa,出現(xiàn)在V型開口根部，其值遠遠小于材料的許用應(yīng)力295335Mpa(ZAlCu5Mn),安全系數(shù)可達10倍數(shù)以上,滿足強度設(shè)計要求。3.2諧振頻率分析機械結(jié)構(gòu)的諧振頻率與電氣系統(tǒng)的響應(yīng)頻率相互耦合

11、成一個頻率較低的綜合諧振系統(tǒng)。它影響伺服系統(tǒng)的穩(wěn)定性，限制了系統(tǒng)帶寬的提高，所以提高結(jié)構(gòu)諧振頻率具有重要意義。由于系統(tǒng)的模態(tài)與外界載荷無關(guān),所以不必施加載荷約束，只需添加其自由度約束，分析結(jié)果如表1所示。一般機械系統(tǒng)的諧振頻率是伺服系統(tǒng)帶寬的35倍，由表1負載安裝架模態(tài)分析結(jié)果可以看出，其最小機械諧振頻率為415Hz遠遠滿足設(shè)計要求，具有較大的優(yōu)化空間，在后續(xù)的研究工作中我們可以把模態(tài)作為邊界約束條件，把質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)對其進行優(yōu)化設(shè)計工作。4結(jié)論本文針對空間激光通信組網(wǎng)要求，提出了一種可實現(xiàn)對多個目標(biāo)同時跟蹤的光學(xué)天線總體構(gòu)想，設(shè)計了一種以旋轉(zhuǎn)拋物面為基底的多鏡面反射體式光學(xué)天線，并對負載安裝架進行靜力學(xué)分析、模態(tài)分析。結(jié)果顯示均滿足設(shè)計要求，為后續(xù)光學(xué)天線的結(jié)