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1、1空间光通信系统杂散光分析Analysis on stray light of space optical communication system 2摘 要空间光通信是人们经过多年探索并于近几年取得了突破性进展的新技术。随着空间光学技术以及多种类光电探测器件技术的飞跃发展，空间光学系统的杂光抑制与分析问题被重新提高到了一个重要的位置。本文对空间光通信系统做了简要介绍，指出了系统杂光的主要来源及其对系统的危害，探讨了光学系统杂光抑制的方法分析了杂散光传输的基本途径，为杂光分析和计算提供了可供参考的理论基础。文中提出了杂散光分析的二叉树数据结构，编制了光学系统杂散光分析软件，通过计算机光路模拟，
2、对光学系统进行了全面，系统的分析。最后，提出了遮光罩和挡光环消杂光设计的基本原则，给出了一种二级遮光罩结构的优化设计方法和一种遮光罩内壁上挡光环位置优化设计方案。关键词：空间光通信系统 杂散光 数据结构 遮光罩3AbstractAfteryears research, optical communication has been a newly developed technique recently. With fast development of space optical system and photoelectric sensor technology, stray light a
3、nalysis and suppression are regarded more and more important.This article has made the brief introduction to the space optical communication system ,points out the main source of the stray light and the danger for the system, discusses the method of stray light suppression for optical system, analyz
4、es the transmission path of stray light, and provides the theory basic for the stray light analysis and calculation. Proposed the stray light analysis binary tree construction of data, Has compiled the optical system stray light analysis software, Through the computer path of rays simulation, has ca
5、rried on comprehensively to the optical system, system analysis. Finally, proposed the lens hood and keeps off the corona to disappear the mixed light design basic principle, has given one two level of lens hood structure optimized design method and on one kind of lens hood endophragm keeps off the
6、corona position optimization design proposal.Key word: Space optical communication system Stray light Construction of data Lens hood4目 录摘要Abstract目录第一章 空间光通信系统简述11.1 空间光通信系统结构及工作原理 11.2 空间激光通信的历史 31.3 我国目前进行空间光通信研究的有利条件 41.4 发展趋势 5第二章 光学系统中的杂散光分析62.1 杂散光的来源及危害 62.1.1 光学系统中光学元件产生的杂光 62.1.2 光学系统中的机械零件
7、产生的杂散光 72.2 光学系统中的杂散光现象 72.3 常见的杂散光的计算方法 82.3.1 蒙特卡罗法 92.3.2 光线追迹法 92.3.3 光流密度追迹法 92.3.4 近轴近似法10第三章 杂散光分析模型的建立 113.1 杂光计算理论基础113.2 杂散光分析的数据结构133.3 杂光分析软件的编制及模型的建立1453.4 实例计算163.5 光学系统的杂散光分析结果183.5.1 外部杂散光193.5.2 内部杂光21第四章 光通信系统杂散光抑制方法研究 244.1 二级遮光罩的优化设计244.1.1 典型结构244.1.2 二级遮光罩结构优化设计25 4.2 挡光环位置的优化设
8、计274.3 设计实例294.4 一级遮光罩和二级遮光罩的比较30结束语 32致谢 33参考文献 346第 一 章 空间光通信系统简述空间光通信是指以光为载体，以自由空间为传播媒质的一种通信方式。它包括深空、同步轨道、低轨道、中轨道卫星之间、地面站与卫星之间以及地面站与地面站之间的激光通信,又称为自由空间光通信( Free Space Optical Communication ,简称FSO) 。空间光通信的概念自上个世纪六十年代就已提出，但碍于当时技术条件，在以后二十多年时间未有所发展，直至八十年代各发达国家又将此通信方式重新提出，在光纤通信得到普遍使用，相关激光器技术，光放大技术，光检测技
9、术等得到重大发展的背景下，特别到九十年代, 在捕获跟踪瞄准技术, 半导体激光技术，原子滤光技术等关键技术取得了突破，空间光通信的可行性得到试验验证，才使得空间光通信得到发展，并且在近地大气空间光通信已有产品在世界各地使用。随着空间技术的飞速发展，空间光通信的需求日益增加，其实现技术也日益成熟，推动空间光通信的发展时机已成熟。激光的高度相干性和空间定向性,决定了空间激光通信与RF 通信相比在许多方面优势明显:抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、重量轻、频谱不受管制、功耗低、系统机动性强、造价低、易于扩容,以及组网灵活。同时,也存在着大气衰减严重、大气信道随机性强、精确对准和保持难度大等问题。目前
10、,空间激光通信已成为解决宽带网络“最后一公里”瓶颈和最终实现全球个人移动通信的重要技术选择。1.1 空间光通信系统结构及工作原理按照空间飞行器在空间中所处的位置以及与大地之间的距离，可以将大地，飞行器, 近地轨道(LEO)卫星和同步轨道(GEO)卫星分为它7们之间的通信(大地- 飞行器，大地-LEO ，飞行器-LEO，LEO-GEO)以及它们自己之间的通信(大地-大地，飞行器-飞行器，LEO-LEO ，GEO-GEO)。其基本组网结构如图1.1所示。通过比较光纤通信与空间光通信，它们除了通信系统的基本框架相同外，明显不同之处是：光纤通信使用光纤图1.1 空间光通信系统组网图作为光导，空间光通信
11、使用自由空间作为光导; 光纤通信在通信过程中路由和衰减是固定不变，而空间光通信在通信过程中路径和衰减可能是变化的；光纤通信的通信设备在通信过程中是静止的，而空间光通信的通信设备是相对运动的。正因为空间光通信与光纤通信有这些显著的区别，因此空间光通信系统也就有其新的特点。图1.2就是根据以上空间光通信的特点而设计的系统结构图。该系统的工作原理如下：由数字基带信号调制后产生的已调信号通过功率驱动电路使激光器发光，这样载有通信信号的激光通过光学发射天线发射出去。接受时，另一端的激光通信机通过光学接受天线8将收集到的光信号汇聚到光电探测器上，将这一光信号转换成电信号，再经过放大，用阈值探测法检测出有用
12、信号，再经过解调电路还原出基带信号。在次过程中，跟踪和瞄准（ATP）子系统实现两端激光光束的捕获，跟踪和瞄准。图1.2 空间光通信系统组成1.2 空间激光通信的历史空间激光通信的研究已开展了约40 年,伴随着1960 年世界上第一台红宝石激光器的诞生,空间激光通信研究开始起步。20 世纪60 年代中期,处在大气窗口的激光通信掀起了世界性的研究热潮。但由于受到大气信道的复杂性和元器件技术的限制,早期的研究进展较慢。到了世纪之交,元器件技术逐渐成熟,大量关键技术被突破,空间激光通信再度成为研究热点,并逐渐进入了商用化发展阶段。概括起来,空间激光通信的发展历程可划分为四个阶段。20 世纪60 年代中
13、期到80 年代中期为概念验证和单元技术实验阶段。该阶段主要进行可行性论证和一些关键单元技术的探索性研究,建9立了一些简单的概念性实验系统。70 年代初期,美国国家航空和宇宙航行局(NASA) 就资助进行CO 激光和光泵浦的NdYAG 激光空间2通信系统的研究，并于1995年首次研制出激光通信演示系统：LCDS，通信速率不小于750Mb/s 。 1977年，欧洲航天局签订了第一份空间光通信技术研究合同，开始了民用星间光通信的研究。1980年，美国海军支持的空间飞行试验系统首次成功实现了KC-135 飞机与地面站之间的激光通信，速率达1Gb/s量级，试验的成功验证了建立空中移动平台和地面固定站间激
14、光通信链路的可行性。80年代初，欧洲，以色列，俄罗斯，中国及日本的军事机构和宇航机构也都成功的进行了大气激光传输实验，二氧化碳激光器是当时最有效和最可靠的光源。20世纪80年代末到21世纪初为整体系统实验装置的开发和性能测试阶。1995年10月至1996年5月，美国与日本联合进行的地面和卫星间激光通信验证（GOLD）试验中,首次成功实现了卫星和地面之间的双向激光通信。2001年11月，欧洲航天局（ESA）首次建立了卫星间的激光通信链路，成功实现了星间的光载波双向数据传输。1.3 我国目前进行空间光通信研究的有利条件国外之所以进行了长达20多年的空间光通信研究工作,一个非常主要的原因就是在研究初期元器件还很不成熟,因此国外早期的一些工作除了得到了一些理论分析结果外,真正在空间光通信设备所需的元器件上取得的进展较小。而在近10年内,空间光通信所需的元器件的研究取得了很大进展,有很大一部分已经商品化了,这些大大促进了空间光通信的研究。因此近几年空间光通信研究取得了决定性的进展,很快就能达到实
