卫星激光测距中发射光路光机结构设计
卫星激光测距中发射光路光机结构设计
作者:韩光宇 张国玉 曹立华 陈 宁 于晓波
卫星激光测距仪( satellite laser ranging,SLR) 是一种重要和实用的技术。它对于检测大陆板块移动、地壳形变、地球自转和极移,改进地球重力场和地心引力常数,精密卫星定轨,确定地球和海洋潮汐变化的规律等方面都具有重要作用。例如在地球动力学方面利用 LAGEOS 卫星的多年全球资料,解算跟踪站地心坐标,建立高精度全球地面参考坐标系,现在全球 SLR 观测站地面站的站坐标点位精度基本上都好于 1 × 10 mm,最好的达到 2 ~3 mm; 海洋学方面 TOPEX /Poseidon 卫星( 联合其他空间技术) 所测得全球海平面变化,其精度以达到毫米级。
SLR 的原理是根据测量激光脉冲地面参考点到卫星之间的往返时间间隔,从而计算出卫星到地面参考点的距离。具体讲,首先地面跟踪站的计算机系统根据预报准确计算出卫星的位置,通过伺服控制系统驱动望远镜跟踪卫星,激光器通过望远镜上的激光发射光路发射脉冲激光,卫星上的后向反射器将激光反射,并由望远镜接收光路接收脉冲激光,与此同时,时间间隔计数器测出激光脉冲往返时间间隔,以此时间乘以光速,即可精确地计算出卫星到地面跟踪站的距离。
由此可见,在 SLR 的光机系统中,激光发射光路和接收光路是其两个重要的组成部分。其中激光发射光学系统常用倒装的伽利略望远镜,其角放大率小于 1,目的压缩从激光器输出的光束发散角( 即准直) ,发散角越小,光的方向性越好,能量集中使作用距离更远。本文根据研制的某激光测距项目具体任务要求,对激光发射光路的光机结构设计进行了较为详细的论述。
2 主要技术指标
根据 SLR 系统中激光器分系统的主要参数及接收能量要求,激光发射光机系统需要满足下面的技术指标和性能要求。
1)发射系统采用伽利略结构;
2)发射光束发散角 10″;
3)发射口径≤150 mm;
4)具有光束方向调整功能;
5)存储温度范围: - 40 ℃ ~ + 60 ℃ ;
6)工作温度范围: - 35 ℃ ~ + 50 ℃。
3 光学系统方案设计
根据激光器的相关参数,发射光束直径 φ 12 mm,发散角约为 120″,激光器峰值功率为5 × 109 W,峰值能量密度为 7. 9 × 109 W /cm2。根据望远镜的具体结构,为降低激光在光路中各个镜组的能量密度,采用了两级扩束结构,在一级扩束和二级扩束之间采用折转方式进行光路连接,一级、二级扩束系统均采用伽利略形式。
3. 1 一级扩束系统光学设计
为了保证出射光束严格准直,间隔要求可调。为了降低激光光束能量对材料的影响,正、负组均采用耐高温、线膨胀系数小的材料。一级扩束系统倍率为 2 倍。
3. 2 二级扩束系统光学设计
在二级扩束系统中,负透镜组的口径与相对孔径较小,采用单片即可满足使用要求; 正组的口径较大,需要采用双分离的结构形式以满足使用要求。利用负透镜组残余的负球差补偿后面正镜组的残余球差。二级扩束系统倍率为6倍。
3. 3 库德光路设计
为了将一级扩束系统出射的准直光束传递到二级扩束系统,需要在其间加入反射镜来进行转折,即库德光路。反射镜 45°放置在光路中,考虑到激光光束发散角的影响,因此在光路不同位置的通光口径会略有不同。根据结构需要,共有 6 块库德反射镜( 简称库德镜) 。
根据以上光学设计,发射光束发散角能够达到 10″,发射口径为 144 mm,满足技术指标要求。
4 机械结构设计
在进行发射光路机械结构设计时,首先要满足光学系统中镜片的空气间隔和排布要求,并在此基础上保证机械结构具有足够的刚度和强度,保证光学系统在调试过程中的便捷性,与整机的协调性和美观性。还要满足系统中光束方向控制的要求。
4. 1 一级扩束系统光机结构设计
一级扩束系统的作用是将激光光束直径从 φ 12 mm扩束至 φ 24 mm,并将其发散角压缩至 60″,同时降低了激光在折转光路中反射镜上的能量密度。一级扩束系统安装在望远镜与激光器之间,一端与激光器向连接,将激光导入发射光路; 另一端通过库德镜 1 将激光光束沿着垂直轴线反射进入望远镜内部中的库德镜 2。为了调整方便,将一级扩束系统与库德镜 1 组件设计到一个调整平台之上,并在调整平台上设计有三点调平机构,以此保证装调的快捷性。
4. 2 二级扩束系统光机结构设计
二级扩束系统位于整个发射光路的末端,其入射光由库德镜 6 导入,作用是将一级扩束后的激光光束直径从 φ 24 mm 扩束至 φ 144 mm,发散角压缩至 10″,然后发射向目标,为了保证发射出的激光束发散角尽量小,次镜可以沿发射光轴在 2 mm 范围内移动,进一步调整出射光束的发散角。次镜移动为电动调节形式,以便在工作状态中能够实时进行调整。
4. 3 二维电动调整机构设计
捕获、跟踪,同时激光发射系统向卫星发射激光,并由接收系统接收激光回波来完成测距任务。激光发射系统固定在跟踪望远镜上并连同望远镜一起围绕垂直轴线和水平轴线运动,这就要求出射光束在望远镜工作时不能产生晃动,否则无法完成测距任务。
在发射系统光路的设计方案中,为保证发射光束不会因为望远镜围绕垂直轴线转动时发生晃动,要求库德镜 1 反射出光束与垂直轴线同轴; 不会因为围绕水平轴线转动而发生晃动,库德镜 4 反射出光束与水平轴线同轴; 为了解决因激光器出射光束光轴发生漂移而产生的晃动情况,需要在测距过程中实时进行调整,同时要控制出射光束方向,将库德镜 1、4、6 连接座均设计成二维电动调整机构。
二维电动调整机构由固定座、反射镜连接座、步进电机、手动调整杆、钢球和拉簧等部分组成。在固定座与反射镜连接座之间有两个相互垂直的导向块,通过直线电机或手动调整杆调节反射镜连接座以钢球为支点绕 x 轴或 y 轴方向旋转,实现发射光束的方向调整,拉簧可以在反复调整过程中消除间隙。
5 实践验证
5. 1 过程检验
将装调好的一级扩束系统放置在可见光的平行光路中,通过直径 φ 9 mm 的光阑孔后,入射光进入一级扩束系统,扩束后光束出射至另一端的白板上,并对出射光斑进行测量。经过 10 次测量并取其平均值,测得出射光斑直径为 φ 18. 12 mm。扩束倍率为 2. 013 倍。
采用相同方法对二级扩束系统进行检测,通过直径为 φ 20 mm 的光阑孔和二级扩束系统后,测得出射光斑直径的平均值为 φ 120. 57 mm。扩束倍率为 6. 0285。从检测结果看,光学系统成象质量良好,均能够满足设计要求。
5.2外场验证
激光发射光机结构与望远镜进行了整机集成,并与激光器系统对接调整完成后,在外场分别对低轨、中轨目标卫星进行测距,成功完成了对 GPS、Compass 和 Etalon等卫星的测距任务。在任务执行过程中,通过控制指令对二维电动机构进行调整,在 5 s 内能成功的实现对发射光束的调整,完全能够满足系统的指标要求。
6.结论
根据工程的技术指标和性能要求,重点对一级、二级扩束光学系统和二维电动调整机构进行了较为详细的设计与分析。采用两级激光扩束系统来实现对激光发散角的压缩,不仅能降低激光在折转光路中反射镜上的能量密度,而且也降低了发射光路的加工难度; 解决了由于激光器光束漂移带来的发射光束晃动问题。
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