激光通信组网光学天线结构设计与分析

激光通信组网光学天线结构设计与分析
摘要:本文针对空间激光通信组网问题,提出了一对多激光通信组网光学天线总体构想,阐述了系统工作原理,并设计了一种偏心式十字跟踪架驱动机构。

最后分析了负载安装架的应力、应变以及模态,为后续的光学天线结构优化设计提供理论依据。

关键词:激光通信组网光学天线
激光技术的诞生使得激光作为信息的载体实现激光通信成为现实,尤其以大气为传输介质的空间激光通信技术,其通信速率高、容量大、抗干扰、抗截获能力强、保密性好以及轻小型等突出优势,受到国内外学者广泛关注。

欧洲、美国、日本等先进国家相继展开了对这一领域的研究工作,突破了诸多技术难点,并成功研制出了原理样机,建立了地面通信站和较为完善的评估与检测系统,而且成功开展了星地、星际、空空、空地、星空等链路的演示验证[1]。

目前,激光通信系统的研究基本上都是点对点通信结构形式,然而从工程应用的角度来看,点对点结构形式往往不能满足空间激光通信的需要,只有实现多点间的空间激光通信,建立起信息传输网络,才真正具有更高的实用价值。

随着轻小型化卫星技术的发展与进步,在卫星侦察和通信领域掀起了采用低轨道卫星/中轨道卫星(LEO/MEO)星座的热潮,许多LEO/MEO全球卫星通信系统已经建立起来或正在建设之中,为有效地综合利用每颗小卫星获取的信息来完成复杂的航天
任务,卫星之间必须建立高效可靠的星际链路(ISL,inter-satellite links),通过星际链路把多颗卫星互联在一起,形成一个以卫星作为交换结点的空间高速通信网络[2],因此,激光通信组网技术十分迫切。

1 激光通信组网光学天线工作原理
为了实现多目标之间同时通信,尽量增大光学天线的可视范围,可以采用椭球面、双曲面、抛物面或者其他形式的自由曲面作为光学天线的基面。

其中旋转抛物面具有各向入射光线会聚于焦点时,反射光线与旋转轴平行的光学特性(如图1所示),因此,利用旋转抛物面式反射镜作为收发光学天线的基面,将各个目标光线汇聚到中继光学系统中,采用波分技术将不同目标的激光信号分离,经由相应激光波长的探测器完成探测,进而实现激光通信链路组网。

但是,具有一定束散角的激光光束从任意方向入射只会有一条光线经过旋转抛物面的焦点,并将其平行于对称轴反射进入卡式光学系统,其他光束则不具备此种特性,因此,大大降低了光能量的利用率,无法满足通信要求。

为此需要对旋转抛物面式反射镜进行改进,将入射点演化成一个平镜面,以提高光能量利用率。

本文采用旋转抛物面为基底的多镜面反射体作为光学天线,实现一对多卫星间激光通信网络的建立[3],一对多激光通信总体构想如图2所示。

2 组网光学天线结构设计
从组网光学天线工作原理可以看出,当对某个目标进行通信时,光学天线中反射镜的个数越多,对旋转抛物面的拟合程度就越好,光能量利用效率就越高,但是,反射镜需要调整位置以使得反射光线进入中继光学系统视场,因此,每个反射镜均需要独立的驱动机构。

然而随着反射镜数目的增加,光学天线结构尺寸和控制系统将变得十分庞大和复杂,系统的稳定性、可靠性随之降低,因此,需要对发射镜个数以及尺寸进行优化设计。

本系统中继光学接收孔径为400 mm,空间覆盖范围为方位360°,俯仰±15°,采用6组反射镜拼接形式组成,单个反射镜能量利用率约为总体的12%,可以满足激光通信功率链路需求,此时光学天线结构得到了简化,具备了工程实现条件,光学天线结构形式如图3所示。

2.1 机械结构
一般常用跟瞄机构采用十字万向架式正交设计,即方位轴、俯仰轴、反射镜面法线严格正交,并交于一点,以保证反射镜在旋转过程中没有附加的平移运动,从而提高运动机构的精度。

但该结构反射镜包裹在俯仰轴系两支撑端中间,反射镜镜面尺寸受到限制,光能利用率会严重下降。

为解决上述问题,本系统采用偏心式十字跟踪架设计方案,即将反射镜前凸,偏离俯仰轴轴线,摆脱俯仰轴支撑框架的限制。

为了避免方
位轴系承受由于俯仰框架偏心所带来的不平衡力矩,将方位轴与俯仰轴的轴线采用非正交形式设计,由于运动范围较小,所以镜面在转动过程中产生的平移运动以及在垂直方向上的投影在中继天线接收范围内,不影响镜面反射效率,也避免因平移所造成的相邻镜片间的干涉。

2.2 反馈与驱动元件选择
位置传感器是测量系统中的一重要组成部分,它的精度高低会直接影响伺服系统的稳定性能与运动精度。

考虑到组网光学天线的结构尺寸,单个反射镜驱动机构的方位轴系采用直流力矩电机为驱动元件,测角元件选用英国雷尼绍公司生产的一种光学角度编码器,这种圆光栅以锥面方式定位,既保证了安装精度(同轴度)的同时又减小了轴系的轴向尺寸,使结构更加紧凑,增加了直驱系统的机械刚度,另外这种安装方式耦合度较为灵活,使得伺服系统受速度偏差、回程误差以及其他机械滞后误差影响较小,提高了伺服系统的带宽。

音圈电机是一种将电能直接转化为直线或圆弧运动的机械能而不需要任何中间转换机构的传动装置,具有动态范围大、控制带宽和控制精度适中的特点[4]。

考虑到俯仰轴系转动范围为±7.5°,为有限转角系统,因此,俯仰轴系选用摆动型音圈电机驱动,以减小结构径向尺寸。

角度传感器选用扇形光栅,通过过渡件安装在俯仰轴系的一端,避免因方位旋转引起的俯仰部件干涉。

采用光学对准方法,运用CCD电子显微镜使得扇形光栅的理想圆心与俯仰轴系的回转中心重合,补偿了轴系的径向跳动误差,扇形光栅的偏心率小于10 um,小范围内,测量
精度可达到5角秒以内。

3 组网光学天线结构有限元分析
结构分析是研究结构的组成原理以及分析计算结构在载荷作用下的内力和变形的学科,主要分为结构动力学分析和静力学分析两类。

负载安装架是整个光学天线的基体部分,其结构设计的好坏直接影响着系统的动态特性与静态特性,例如负载安装架占光学天线质量的50%～60%,对其进行优化设计可以达到轻量化的目的,有利于减小静力变形,提高结构的刚度与指向精度;另外负载安装架的结构谐振频率也影响着伺服系统的动态性能,要想满足跟踪带宽要求,除了伺服控制系统具有足够的控制能力外,还要求机械结构具有较高的谐振频率。

下面就对负载安装架结构进行简要分析。

3.1 结构静力学分析
负载安装架是一对多激光通信光学天线的主体支撑件,内部圆形开口即为安装法兰,六个独立二维反射镜驱动机构以60°角均匀分布在安装架上,每一个U型开口处都要与一个跟瞄指向机构相连接,并承受约为3.5 kg的重量。

我们可以看出,负载安装架属于中心对称结构,我们只需建立其1/12有限元模型,对其进行周期镜像圆周阵列即可得到负载安装架整体有限元模型,这样可以减小解算时间。

重力的施加我们需要选择MASS21单元,并在U型开口中心处建立该单元节点,
将其与U型开口周围节点进行刚性耦合,形成刚性区域以施加重力,然后进行求解分析。

其中负载安装架材料为铸铝(ZAlCu5Mn),弹性模量为70 Gpa,泊松比为0.32,密度为2700 kg/m3。

位移云图与应力云图如图4和图5所示。

从图4和图5可以看出,指向跟瞄机构安装罩最大变形量为4.21 um,发生在U型开口端部,变形较小可以忽略不计,满足刚度设计要求;最大应力为0.775 Mpa,出现在V型开口根部,其值远远小于材料的许用应力295～335 Mpa(ZAlCu5Mn),安全系数可达10倍数以上,满足强度设计要求。

3.2 谐振频率分析
机械结构的谐振频率与电气系统的响应频率相互耦合成一个频率较低的综合谐振系统。

它影响伺服系统的稳定性,限制了系统带宽的提高,所以提高结构谐振频率具有重要意义。

由于系统的模态与外界载荷无关,所以不必施加载荷约束,只需添加其自由度约束,分析结果如表1所示。

一般机械系统的谐振频率是伺服系统带宽的3～5倍,由表1负载安装架模态分析结果可以看出,其最小机械谐振频率为415 Hz远远满
足设计要求,具有较大的优化空间,在后续的研究工作中我们可以把模态作为边界约束条件,把质量作为目标函数对其进行优化设计工作。

4 结论
本文针对空间激光通信组网要求,提出了一种可实现对多个目标同时跟踪的光学天线总体构想,设计了一种以旋转抛物面为基底的多镜面反射体式光学天线,并对负载安装架进行静力学分析、模态分析。

结果显示均满足设计要求,为后续光学天线的结构优化提供理论依据。

参考文献
[1] 姜会林,佟首峰,等.空间激光通信技术与系统[M].北京:国防工业出版社,2010.
[2] 孙兆伟,吴国强,等.国内外空间光通信技术发展及趋势研究[J].无线光通信, 2005(9):61-64.
[3] 姜会林,胡源,等.空间激光通信组网光学原理研究[J].光学学报,2012(10).
[4] 兴连国,周惠兴,等.音圈电机研究及应用综述[J].微电机,2011(8).。