激光无线能量传输远场大光斑测试技术

无线能量传输系统作为空间太阳能电站的一个关键部分,其性能直接决定了空间太阳能电站技术的可行性。特别对于激光无线能量传输系统,准确测量激光远场光斑分布是分析和评价激光无线能量传输系统性能的有效手段。针对太阳能发电卫星轨道高、激光传输距离远、接收激光光斑面积大,并且受大气影响,光斑抖动严重,光斑能量分布以及光斑形状测量困难的问题,文章提出了基于光能探测器阵列的大面积激光光斑测试方法,采用光斑分布式测量及能量分布重构方法,完成激光无线能量传输系统远场光斑的测试,具有分布式测量,可灵活布局的特点,通过反演算法能够实现光斑能量密度分布重构,接收激光功率积分求解,光束发散角计算等,功能多样,适应能力强,为激光无线能量传输系统载荷的参数修订,以及在轨飞行任务的评价提供有效依据。     

高分七号卫星激光测高仪激光器设计

高分七号(GF-7)卫星激光测高仪激光器是一台输出能量较大、光束质量要求又高的激光器。为了实现这样的技术要求,采用被动调Q的振荡级+两级板条放大器(MOPA)的技术路线,以激光二极管(LD)侧面泵浦的被动调Q之字形薄板条激光器作为振荡级,以实现近衍射极限的种子光输出,再通过两级之字形板条放大器,使最终输出的大能量激光束能够保持较好的光束质量,满足测高仪小足印光斑的要求。设计的振荡级采用双玻罗(Porro)镜谐振腔,实现输出能量2 mJ、光束质量因子(M~2)1.3、脉冲宽度3 ns。经过两级板条放大器后,输出光束M~2为1.5～1.8,单脉冲能量达到180 mJ,脉冲宽度为4～5 ns,证明激光器设计合理,可以作为对地观测类激光测高仪激光器的设计参考。     

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达激光器设计

陆地生态系统碳监测卫星多波束激光雷达用于森林碳汇遥测,通过计算激光到达树冠和地面的时间差获取高精度的植被高度。激光器作为多波束激光雷达的发射光源,是其核心和关键部件。激光雷达对光源的需求是高光束品质、高脉冲重复频率的大能量纳秒脉冲激光。激光器采用主振荡功率放大的技术路线,振荡级为正交双Porro被动调Q超稳谐振腔构型,输出重复频率40Hz、脉冲宽度约4ns、单脉冲能量约2mJ的单频脉冲激光;放大级采用板条放大技术,获得单脉冲能量75mJ、光束品质因子M2优于1.5的激光输出,达到雷达所需光源指标要求,证明该激光器设计合理,可作为高重频对地遥感类激光光源的设计参考。     

半导体激光准直仪设计

根据KM6太阳模拟器光学装校系统的技术要求,文章提出了半导体激光器输出光束的两套准直方案.分别介绍了这两套技术方案的原理,并进行了比较,决定采用在激光器前加前准直光学系统的方案.介绍了准直光学系统的设计,并对所设计的光学镜头进行了像质分析;设计了与光学系统相配套的机械结构,给出了激光光束的准直性分析.结果表明:自行设计的半导体激光准直仪,技术指标明显优于市场上可提供的光束发散角为5～8 mrad的半导体激光准直仪.为KM6太阳模拟器光学系统装校工作顺利进行提供了保证.     

高效率基模模式匹配侧面泵浦结构设计与试验研究

在星载传导冷却侧面泵浦棒状固体激光器中,由于激光晶体的侧面需考虑传导散热,不能被均匀泵浦,因此,存在基模模式匹配程度不佳、吸收效率不高的问题,从而影响了光束质量的提高。为了实现高光束质量激光输出,设计了基于光锥多次反射整形的三向泵浦结构,综合考虑基模高斯模式匹配程度与吸收效率,提出了泵浦质量(quality,以下同)因子概念,对不同泵浦结构参数下的泵浦质量进行了量化评价;进而对泵浦结构参数进行了优化,实现了增益介质内泵浦光切向分布的匀化、径向分布与基模高斯线型的匹配,以及增益介质对泵浦光的高效率吸收;通过试验测定了荧光分布,并与仿真结果进行了量化比对;在此基础上,搭建了激光器的试验样机,得到了光束质量较为优异的激光输出,证明了该泵浦结构对光束质量具有较好的改善作用。     

单涡旋场激光传输特性研究

对单涡旋场激光传输特性进行了研究。用积分方程形式将整个流场分解成体元,每个体元中的折射率分布不均匀,用麦克斯韦积分方程替代微分方程求解整个流场的光场分布,给出了气动涡流折射率场的计算模型。当流场只存在一个理想涡流且涡流的折射率场有近似的解析形式时,基于非均匀介质散射理论,用Rytov散射近似,由积分方程计算观测平面上光场所受的流场扰动。讨论了不同激光传输距离下流场扰动时的光场空间强度分布。结果发现:随着激光传输距离的增加,光强急剧下降,中心位置光强与无流场扰动时自由空间高斯光束传输中心位置光强相近,但在两侧会形成一个暗环,使激光光场的空间强度分布发生改变,导致激光脉冲光束出现形变。研究说明了用积分方程描述气动光学效应的可行性,为精确计算复杂涡结构流场提供了一种新思路。     

半主动激光导引头光学系统设计及线性度分析

文章阐述半主动激光导引头的工作原理,分析四象限探测器输出信号与目标位置之间的关系,并对四象限探测器光斑能量分布关系与线性度进行推导;设计单片透镜、双片透镜组、三片透镜组3款不同的光学系统,以光斑能量照度信息为基础,分析特定视场角范围内光学系统的线性度,最后得到在±15°视场角中线性视场可达±8°的光学系统。     

激光驱动飞片速度的理论分析

激光驱动飞片技术是模拟微流星体/空间碎片对航天器外露材料/部件超高速撞击,用于开展撞击累积损伤效应与材料性能退化的研究,也是进行航天器在轨寿命预估和空间碎片防护研究的重要技术手段。飞片速度是衡量激光驱动飞片技术水平的关键性参数之一。文章从Lawrence改进的Gurney模型出发,着重分析了激光输出能量、脉宽、聚焦光斑大小以及飞片靶厚度等参数与飞片速度大小的关系,提出激光驱动飞片技术中提高飞片速度的主要途径:其他条件一定时,薄靶较厚靶更易获取高速飞片;小光斑较大光斑更易获取高速飞片;长脉宽高能激光器或短脉宽低能激光器比较适合获取高速飞片。以上结论对从试验上获取高速飞片具有重要指导意义。     

三角形激光陀螺谐振腔的精度分析

利用几何光学建立了三角形激光陀螺谐振腔反射镜微动引起腔内环形光路的变化方程，通过对光路偏移量的分离，导出由谐振腔加工误差造成的且经过调腔后的剩余偏移量，最后通过光路的剩余偏移量对激光陀螺性能影响的分析，计算出三角形激光陀螺谐振腔加工精度要求并对其特点进行了总结。     

谐振式光子带隙光纤陀螺谐振腔方案设计

为提高陀螺系统的精度,设计并实现了基于光子带隙光纤的谐振式光学陀螺方案。对用于该陀螺的核心器件谐振腔进行了研究,仿真比较了反射式和透射式两种谐振腔的清晰度和信噪比,发现反射式的清晰度高、输出信号强度大,由此确定谐振腔采用反射式结构方案。以谐振腔极限灵敏度为优化参考值,根据谐振腔频率响应特性和陀螺数据输出特性,仿真优化了谐振腔腔长、耦合器分光比等结构参数。在极限灵敏度极值对应的最佳分光比为约0.5时,谐振腔长取30m,陀螺极限灵敏度达0.03(°)/h,完成光子带隙光纤谐振腔的理论设计。     

对半主动寻的单脉冲导引头的角欺骗干扰效果评估与仿真

建立了半主动寻的单脉冲雷达导引头制导方式的地空导弹系统与携带拖曳式有源诱饵的突防飞机的末端拦截过程模型。仿真模型计算了在各种战术配置参数下的导弹对飞机的脱靶距离 ,作为有源诱饵角欺骗干扰效果的评估指标。并由此得出了对抗双方应该采取的最佳战术参数配置。     

基于双光纤检测技术的激光点火控制系统设计

基于双光纤检测技术,对激光点火控制系统进行分析,给出了激光器输出功率和检测合格判据的设计方法,分析了影响激光器最低输出功率设计的各相关因素,为激光点火控制系统设计提供了理论依据.     

机载大光斑植被激光雷达系统设计

大光斑激光雷达,由于其光斑尺寸更大,可以获取更丰富的森林冠层结构的详细信息,因此对郁闭度较高的森林区域,测量优势更加明显。首先对大光斑激光雷达系统的探测能力进行仿真,验证方案的可行性;随后对大光斑激光雷达系统中的激光器、探测器、光学系统以及信号采集系统进行设计以及集成,形成了一套完整、稳定、实用的航空大光斑激光雷达机载系统。     

基于遗传算法的阵列天线口径激励幅度优化

利用遗传算法实现了多阶振幅量化二维低副瓣有源相控阵天线的口径激励分布的优化设计，并考虑了对天线阵单元间互耦的修正．这种方法可以有效降低有源相控阵天线的峰值副瓣电平，并适用于其它形式相控阵天线的优化设计，给出了一个二维可分离等间距平面相控阵的仿真计算结果，并分析了量化阶数对天线副瓣的影响．     

“资源三号”02星载激光高度计收发匹配设计

随着星载激光高度计激光发散角和接收视场越来越小,对收发匹配的要求也越来越高,必须开展星载激光高度计收发匹配的仿真设计。文章对星载激光高度计光机系统的主要组成进行了介绍,分析了影响收发匹配的因素。针对激光器仿真技术不完善的问题,提出了基于激光器环境试验的星载激光高度计收发匹配仿真设计方法。该方法成功应用于"资源三号"02星激光高度计的设计中,卫星飞行所带来的收发不匹配约为47μrad,激光的指向变化和抖动小于40μrad,力学环境引起的失调小于35μrad,热环境引起的失调小于45μrad,光学装调精度优于20μrad,最终确定接收视场为500μrad。"资源三号"02星激光高度计目前已经在轨工作超过2年,有效验证了激光高度计收发匹配设计的有效性,对后续星载激光高度计收发匹配设计具有一定的借鉴意义。     

基于角速率和速度增量的捷联惯性导航算法研究

捷联惯性导航算法一般是基于惯性器件输出为角速率、比力或角增量、速度增量进行设计的,不能直接应用于陀螺输出为角速率、加速度计输出为速度增量的捷联惯性导航系统。为了解决此问题和满足精度要求,重新设计了一套捷联惯性导航算法:姿态更新算法采用了经典的四阶龙格-库塔法,推导出了一种新的速度更新算法,该算法可以有效补偿速度计算中的划桨效应误差。仿真结果表明,该种速度更新算法仿真速度快、精度高,具有一定的工程实用价值。     

微波电热推力器谐振腔内电磁场数值仿真

用时域有限差分方法（FDTD）对谐振腔内TM011谐振模式进行了电磁场的数值模拟，研究谐振腔壁面开槽对电磁场分布的影响。首先对完整（不开槽）谐振腔进行分析计算，与解析解进行了比较，说明该计算方法正确。然后对腔内壁面开有沟槽的情况进行了数值计算。结果说明沟槽位于谐振腔中间时，开槽及其尺寸对电磁场的对称性没有影响，但对电磁场的大小有影响。沟槽所处的位置，对电磁场的对称性影响较大沟槽位于谐振腔后端时，电磁场的最大值区出现在前部；沟槽位于谐振腔前端时，电磁场的最大值区出现在后部。这些结论可以为谐振腔的设计提供理论依据。     

微波等离子推力器等离子体形成及其与微波耦合机理分析

微波等离子推力器（MPT）的最大优点是微波在谐振腔内放电使工质形成悬浮的等离子体，没有是极的烧蚀与寿命问题。文中计算了MPT谐振腔内氦气工质击穿场强与腔内气压的关系，结合实验现象及参数调节分析了微波等离子推力器等离子体形成的基本物理过程及影响等离子体稳定的因素、等离子体与微波耦合的机理等，为建立微波、等离子体、流场间的耦合计算模型奠定了基础。     

基于特征模型的高超声速飞行器的自适应姿态控制

研究了基于特征模型的自适应控制方法在高超声速飞行器姿态控制中的应用。对一类非线性强耦合以及大范围参数不确定性的类X-20高超声速飞行器无动力滑翔段六自由度动力学模型,建立含耦合的多输入多输出(MIMO)特征模型,并设计基于特征模型的黄金分割控制器。控制律设计中通过对非对角元控制量强制一步滞后,使得各通道控制量可以计算简单。最后通过飞行高度和速度大范围变化的长时间飞行过程中姿态角的跟踪控制仿真,验证了控制器的鲁棒性和适应性。     

分布式卫星系统的协同导航估计方法

针对分布式卫星系统对合作目标的协同导航估计问题,提出了前端与后端结合的一种分布式协同导航方法。前端基于一致性算法对无迹卡尔曼滤波方法进行改造进而完成设计,后端基于协方差交集算法并利用快速权值计算方法以及非可加性参数融合方法进行设计。最后基于Matlab以及STK轨道传播模型进行了数值仿真,得到了预期的仿真结果,验证了方法的有效性。