第27卷第2期 2006年3月 字 航 学 报 Journal of Astronautics V01.27 No.2 March 20o6 伽利略光学实验分析 徐科华,马 晶,谭立英 (哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001) 摘 要:对伽利略光学实验进行了全面的分析,其中包括实验装置和元器件的分析,并重点分析了实验发射 系统的工作原理和工作过程,对准、跟踪系统的工作原理和工作方式。并对实验的结果进行了详细分析,针对实验 中出现的因大气影响而导致接收失败,讨论了采用自适应光学对大气影响进行补偿的方案的可行性,对于因背景 光过强而导致的链路性能劣化,分析了采用干涉滤光片对背景光进行抑制的可行性,为我国将来开展深空光通信 的研究提供参考。 关键词:伽利略光学实验;激光发射机;对准策略;导航星 中图分类号:TN929.13 文献标识码:A 文章编号:1000.1328(2006)02.0312.05 0 引盲 示和验证,在1992年,JPL利用飞往木星的伽利略号 探测器做了第一个深空光通信实验,实验取得了重 随着深空探测任务远程化、多样化的发展,航天 大成功,相关关键技术得到确认和验证。 器小型化、轻量化的发展,传统的微波通信难以满足 深空通信要求。为响应美国国家航空航天局 1伽利略光学实验概况 (NASA)发展深空光通信的号召,其属下的喷气推进 在1992年12月9日到16日这八天的时间里, 实验室(JPL)在上世纪80年代初即制定深空光通信 JPL实验室在加州的Table Mountain天文观测台 的发展计划。在接下来的二十多年里,他们已经完 (TMO)和新墨西哥州的Starfire Optical Range(SOR) 成深空光通信关键技术的研究,建立了一套深空光 进行了伽利略光学实验 。实验情形如图1所示 通信理论和工程模型,为对其中的关键技术进行演 (a)TMO发射上行激光实验 (b) SOR发射上行激光实验 图1伽利略光学实验情形 Fig.1 The scene of galileo optical experiment 该实验的内容是在TMO和SOR发射激光束到 15倍。该实验选在太平洋标准时间3—6点进行, 伽利略号探测器,利用伽利略号探测器上的立体成 太阳一地球一飞行器角度(SEP)为90度。 像相机作为光信号的接收器来演示深空激光通信链 JPL的实验人员选用这个时机进行实验,因为 路的运行情况。实验开始时链路的距离为600。000 其具有如下明显的优点: 公里,结束时距离为6,000,000公里,为月地距离的 (1)当SEP为90度时,地球在伽利略探测器的 收稿日期:2005.04.27; 修回日期:2005.08.29 维普资讯 http://www.cqvip.com
第2期 徐科华等:伽利略光学实验分析 3l3 立体成像相机上所成图像一半明亮,一半黑暗。这 使得以暗半球为背景的激光很容易在相机上形成一 2实验中采用的激光发射系统 个清晰的光斑。 伽利略光学实验发射机采用的激光器为波长 (2)用波长为532nm的ND:YAG调Q倍频激光 532nm的ND:YAG调Q倍频激光器,其光学系统为卡 器发射上行激光束,在这个时段,立体成像相机的响 塞格伦折轴望远镜,发射机的参数如表l所示 。 应度比较高。 表1 伽利略光通信实验系统参数 (3)选用这个时段进行实验有利于减小杂散光 Table 1 The parameters of Galileo Optical experiment 对实验的影响。在拍摄光斑图像的时候允许立体成 特,眭 TMO的系统 SOR的系统 像相机有较长的曝光时间,使得探测上行激光束变 参数值 参数值 波长(nm) 532 532 得容易。通过对相机拍摄图像杂散光的分析表明, 重复频率(Hz) 15—30 1O 住地球的杂散光把信号光淹没之前,立体成像相机 脉冲宽度(ns) 12 l5 快¨维持在打开状态时间可以持续到800ms。 脉冲能量(mJ) 250 350 在这个时机进行实验,通过控制伽利略号探测 1—4天光束发散角(“rad) llO 80 器上的立体成像相机平行地球明暗分界线扫描地 6—8天光束发散角( rad) 60 40 望远镜的主镜(m) 0 6 1.5 球,在曝光时间内,相机焦平面上将出现一系列平行 于地球明暗分界线的光斑。 望远镜的次镜(m) I ‘—百 ]——ol ~一 该实验主要有以下几个目的: (1)演示在深空距离下发射激光束到深空探测 TMO的望远镜是平行赤道安装的折轴天文望远 器,演示深空激光通信链路的运行情况。 镜,在1968年用来发射激光到“勘探者”月球探测器。 (2)对基于深空探测器星历表的上行链路的对 在该望远镜弯折的那臂上,插入两个透镜组成镜组用 准策略进行检验。 以对光束进行整形。这两个整形透镜,其中一个用于 (3)验证恒星作为信标的跟瞄机制。 束散角为110/ ̄trad的光束整形,一个用于束散角为6o (4)对深空光通信链路性能评估模型进行检验 rad的光束整形。SOR的望远镜主要用做自适应光 和确认。 学实验,通过对发射光束进行聚焦,焦点分别在40公 实验的结果表明,伽利略光学实验是一次非常 里和20公里处来获得40/ ̄rad和80/ ̄rad的束散角。 成功的实验,实验达到了预期的目的,实验中采用的 在焦平面用CCD探测器对恒星进行成像,根据像点 方法和技术具有典型的代表性,下面我们具体分析。 的位置来确定发射天线的对准方向。 TMO实验系统工作原理如下图所示 , 。 n_/\ ,。 r— U 一 N激光I):YAG f1 \ /光 孔径 发射光 器 , ¨\ \ =、, 一 ● 星光 |-. ;囊 ~一一一一一二一 I, !I 一 一 l 监测 盆l _ 冈n .一一 一/ -.厂] l CCD 一U 一 l 恒星捕获<===) …7 cc。 可视系统 图2 TMO实验系统工作原理图 Fig.2 The TMO experiment system operational principle 维普资讯 http://www.cqvip.com
314 宇航学报 第27卷 3望远镜的对准策略 伽利略光学实验的链路距离为60万里到600 万公里,在如此远的距离下进行光学实验的严重挑 战就是精确的对准要求,对准精度要求在10 rad 以内。实验过程中,即使通过TMO的望远镜,伽利 略探测器也变得很模糊,因此要求实施盲对准,飞船 的位置必须通过标准的导航技术来决定。为了保证 实验圆满成功,伽利略光学实验团队在1990年即开 始对准策略的研究 。通过研究,他们决定采用 基于伽利略探测器星历表来对准,而恒星在天球上 的位置精度在3 tad以内,采用恒星来进行望远镜 位置的校准能满足实验的对准精度要求。 伽利略光学实验中对校准望远镜对准方向的恒 星的选择有一定的要求,通常采用亮度高的恒星,但 是恒星因其表面温度不同而导致其颜色不同,在恒 星星表中通常用颜色索引 来表示,口 值大的 表示一颗红颜色的星,其代表值为2.0,B-V值小的 表示一颗蓝颜色的星,其代表值为0.4,太阳的B 值为0.62,白星的口 值为0.0。采用恒星对‘TMO 的望远镜进行校准,由于天空是蓝色的,选用蓝星具 有较小的对比度,因此,通常采用红颜色的星进行校 准,口 值大,星等低(亮度越高)的星更适合做校 准星。然而由于实验中发射的激光波长为532nm, 呈现蓝颜色,采用红颜色的星进行望远镜对准方向 的校准,两种光谱相差较远,需要对大气折射引起的 位置偏差进行重新的矫正和补偿 J。 激光束的发射采用先对准,后发射的方法…。 在发射激光前的2分钟,用CCD探测器把参考星定 位在折轴望远镜视场的中心,同时校准望远镜的对 准方向,在发射激光的前l0秒,使望远镜对准伽利 略探测器的预测位置,同时设置望远镜跟踪伽利略 探测器,所有的工作完成后再发射激光。由于望远 镜的校准是在激光发射前进行,因此,机械装配松弛 导致的对准误差被大大减小。 在该技术中选择的参考星和伽利略探测器在天 球上的角间隔在0.5度以内,星等范围为6—10等, 参考星的选择如表2所示。 为了对理论预算的对准精度进行测试,在实验 的第一天,实验团队使SOR发射光束在以伽利略探 测器的预测位置为中心,半径为85 urad的范围内 进行抖动,伽利略探测器的立体成像相机接收到的, 曝光时间的大于400毫秒图像如图2中(a)所示,可 以清晰的看到来自SOR的光斑,这证明了对准策略 的有效性。 表2 TMO所选的参考星 Table 2 The referellee stars of TMO 天数 图像的帧数 恒星的编号 星等 1—50 938 10.35 1 51—52 121384 8.02 54—60 无 有云 2 1—40 121117 9.45 1—6 121199 8.77 3 7—8 120456 6.39 9—20 121199 8.77 4 恶劣的天气影响激光发射 5 没有进行实验 6 1—12 120799 8.39 7 1—10 12n799 8.39 8 1—8 120799 8.39 4实验结果 伽利略光学实验是一次非常成功的实验,在进 行实验的8天时间里,第5天因其他飞行器的活动 没有进行实验,其余7天时间,伽利略探测器上的立 体成像相机共拍摄图像149帧,其中显示成功探测 到信号光的图像有48帧。其中典型的两幅图像如 图3所示 在上面两幅图像中,(a)图右边的明亮背景是被 太阳照明的地球半球。左边的光点是由TMO发射 的激光脉冲形成的。接近右边明亮背景的光斑斑点 是由SOR发射的激光脉冲形成的。该图是在SOR 进行对准策略测试时拍摄的,因此拍摄到的SOR发 射的激光光斑不像TMO光斑图像整齐有序。(b)图 是在实验的最后三天,SOR因天气影响没有发射激 光脉冲的情况下拍摄的TMO发射光束的图像。 伽利略光学实验中共拍摄照片149帧,但是只 有48帧显示接收到上行信号光,其中的原因主要有 以下几个方面。 天气影响是能否成功探测到上行信号光的一个 最重要的因素,TMO在冬季受到风暴的影响,SOR 易受到大雪的影响,同时,云层的覆盖,地面的浓雾 限制了光束的发射。TMO发射光束在第一天和第 四天的实验中受到了严重的影响,第一天最后七帧 图像显示没有探测到上行信号光,SOR在第一天白 天发射的上行光束都没有被成功探测。第四天受到 大雪的影响,TMO没进行实验。在这天进行的实验 中,拍摄的l0帧SOR发射的上行光束图像,仅一帧 维普资讯 http://www.cqvip.com
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316 nautics,1998,19(1):49—54(in Chinese)] 宇航学报 第27卷 徐科华(1979一),男,湖南邵东人,博士研究 生,主要研究方向为空间光通信和光学信 息处理。 通信地址:哈尔滨工业大学309信箱 (150001) 【7] 马晶,谭立英,金恩培,等.振动对空间光通信系统误码率影响 的分析[J].宇航学报,1999,20(3):76—81[MA Jing,TAN Li. ying,JIN En—pei,et a1.Analysis of influence of vibration to bit error rate for a system of space optical communicationl JJ.Journal of Astro— nautics,1999,20(3):76—81(in Chinese)] 电话:(0451)86413044 E.mail:xukehua2O0】@】63.corn Analysis for Galileo Optical Experiment XU Ke-hua,MA Jing,TAN Li—ying (National Key laboratory of Tunable La ̄2r Technology,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China) Abstract:Analyzed generally Galileo optical experiment,included the analysis to the equipment and the components used in the experiment.Focused on the analysis to the operational principle and working courae of laser transmitter,and the working con— cept of PAT subsystem(pointing,acquisition,and tracking).Analyzed detailedly the experimental result,Contrapose to the failed receiving from the effect of atmosphere and weather,disscussed the feasibility of the scheme that adapthe optics techniques to miti— gate the atmosphere—induced signal fades.At the same time,to the problem that background light resulting in the performance of link WOl ̄e,disscussed the feasibility of the scheme that interentil laight filter to restictr background light and provided the refer— eneed opinion to the research of deep space optical communication of china. Key words:Galileo optical experiment;Laser transmitter;Pointing strategy;Reference star (上接第280页) Design,Manufacture and Experiment for New-Style Composite Frangible Fly Through Diaphragm Cover ZHOU Guang-ming,YUAN Zhuo-wei (College of Aerospace Engineering,NUAA,Nanjing 210016,China) Abstract:A new—type of frangible fly through diaphragm cover was designed by using composite materials.Weakness part was prefabricated in the region where missile contacted the cover at the beginning.The cover was broken into four parts under a concentrated force exerted by a missile.The missile launching efficiency was improved.The design scheme was put forward after stress and strength analysis using finite element method.The cover was then manufactured and its performance was verified by ex— periments.Resuhs demonstrate that the structure design is reasonable,and theoretical predictions agree well with experimental da— ta.The established design methodology and research results may be useful in practice for design and application of hits kind cover. Key words:Diaphragm cover;Endure pressure;Broken;FEM
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