大功率激光能量传输多光束协同捕获瞄准与跟踪技术研究

以用于空间太阳能电站的远距离、大功率激光无线能量传输为研究背景,以提高系统能量传输效率为宗旨,针对多光束传输的激光无线能量传输系统协同捕获、瞄准与跟踪(APT)方法进行研究。首先通过对大功率激光无线能量传输系统的分析,获知了单光束激光无线能量传输系统的局限性,然后针对大功率、多光束激光无线能量传输系统的协同APT系统组成,分析了单终端多光束系统和多终端多光束系统的实现方法及构成,最后针对单光束、7光束和9光束发射系统的目标重构光斑进行仿真,仿真结果表明,通过精确的多光束协同APT系统可以实现光束重构,重构后的能量光斑能量密度和分布都能得到改善。文章的研究成果将为建造用于空间太阳能电站的大功率、远距离激光能量传输系统提供技术储备和理论依据。     

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。     

空间激光传能与红外目标探测共口径光学系统

空间激光无线传能任务中，采用红外目标探测方式实现精确跟踪瞄准。为克服分立光路的激光发射光学系统和红外目标探测光学系统既增加载重又不利于复合轴跟踪的困难，提出了激光传能发射与红外目标探测共口径光学系统。从激光传能距离和红外目标探测距离确定口径值，采用无焦离轴双抛物面作为共口径部分，利用分光镜将808 nm传能光束与7.7~9.5 μm的探测光束分离，设计了共口径光学系统。该系统口径270 mm，激光传能发射系统出射波前RMS＜0.01λ；红外目标探测系统相对孔径1/4，传递函数接近衍射极限。该共口径系统同时实现激光发射与红外目标探测的功能，可降低航天器进行星间激光无线传能任务的载重。     

星载汞离子微波钟射频无极灯折射透镜仿真设计

汞离子微波钟以其预期可见的优良性能和高可靠性，成为下一代星载时钟的研究热点。星载汞离子微波钟利用射频离子无极灯发出的194nm深紫外光进行量子态制备和态检测，但受汞离子微波钟四极阱的结构限制，需在光束入射四极阱前，将入射光面由圆形整变为矩形。针对此问题，文章利用ZEMAX软件设计折射透镜组，将波长194nm、直径4mm的圆光斑整形为2mm×20mm的矩形光斑。与其他原子钟和离子钟光束整形系统不同的是，在完成光斑尺寸变形的基础上，考虑到汞离子微波钟的泵浦效率，要求整形光斑光强尽量呈均匀分布。因此，额外利用光场分布法设计透镜组，将光强重新分布，得到均匀分布的矩形光斑。仿真结果显示，矩形光斑分布均匀，光强均匀度达73.52%，外形尺寸满足设计要求。分析表明，波长偏移对光强均匀度有一定影响，光学系统的装配精度对光学系统的波前差有较大影响。     

基于光束变换的激光打孔设备变直径空心圆环仿真设计

针对激光打孔设备变直径圆孔加工需求,提出了采用光束变换和可调变换机构实现以高功率光纤激光器为光源的变直径圆孔加工的方法。通过光学仿真,实现了光纤激光器从实心高斯光斑到2mm~5mm变直径空心圆环的变换,给出了公差分析及可调变换机构调整直线性对圆环形状的影响。为变直径圆孔加工的实现提供了理论基础。     

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。     

用于微波无线能量传输的无衍射电磁超表面设计

微波无线能量传输作为一种远距离能量传输技术受到广泛关注,但是电场随着距离增加会快速衰减。为了减缓电场衰减趋势,提高接收端功率,文章推导出了用于产生无衍射波束的相位计算表达式。另外,设计了一款相位覆盖360°,传输系数优于-3dB的相位控制单元,并利用该单元设计了一个口径为500mm的超表面。仿真和实测数据显示,在加载电磁超表面后,电场明显增强,能量更加集中。微波无线传输实验结果表明,在发射总功率为36dBm时,相较于无电磁超表面情况下,接收端接收的能量最大可以提升9倍之多,证明了设计出的电磁超表面助于提高微波传能系统的传输效率。     

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。     

基于CMOS APS的星敏感器光学系统参数确定

基于CMOS APS图象传感器的星敏感器是适应航天技术的发展而产生的新一代姿态敏感器。确定光斑形状和大小、光学系统有效通光孔径、视场和焦距等参数是进行星敏感器光学设计的前提。本文基于选定的CMOS APS图象传感器分别对这些参数进行了分析和计算。确定光斑形状和大小的依据是，减小由于探测器像元对光斑能量分布的采样导致点扩散函数变形，从而引起的利用亚像元技术求星像中心的计算误差。光学系统的有效通光孔径与星敏感器所能探测到的极限星等有关，通过从目标辐射特性直到探测器响应的能量计算可以确定孔径的大小。确定视场和焦距首先要满足星敏感器实现全天自主星图识别所需的导航星捕获概率，其次要考虑与之相关的误差。     

激光无线能量传输在轨应用方法

根据分离模块航天器系统特点和任务需求,结合无线能量传输的技术能力和水平,开展激光无线能量传输在分离模块航天器系统中应用方法研究,设计了一种基于激光相控阵技术的多光束激光能量发射天线以及由其组成的激光无线能量系统方案,包括航天器编队、能量转换、激光发射等方式,对未来的激光能量传输的在轨应用具有参考价值。     

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。     

激光表面处理应用四则

激光表面处理应用四则北京振兴科技文献服务中心曹运红１激光表面硬化当金属表面吸收激光照射的能量时、温度开始升高，并把热量传导到照射部位内部，表面温度必须升高到相变点温度而低于熔点温度。当光束能量减少或光束移动时，未加热部位传导热量，使加热部位迅速冷却。...     

无热化大相对孔径星敏感器光学系统设计

提出了一种大相时孔径轻小型光学系统的设计方案,给出了设计方案及热分析结果.光学系统工作谱段500～800nm,视场角9°,相对孔径1／1.2,光学系统设计结果良好,弥散斑直径在两个像元尺寸之内,能够满足光学系统对能量集中度和弥散斑的要求.基于光学热补偿理论对光学系统进行了无热化分析和消热设计.通过分析不同温度下的传递函...     

振动对空间光通信系统误码率影响的分析

在空间光通信系统中，由于卫星平台的振动，使得光发射机发生振动，从而对通信系统的误码率产生影响，本文针对光射光束为高斯光束时，振动对误码率的影响问题进行研究。结果表明，在振动时不仅振幅影响着误码率，而且波长也对误码率有影响，但通信距离对误码率的影响不大，一般可以忽略。     

基于轨道角动量的星间激光通信技术

介绍了将轨道角动量（orbital-angular-momentum, OAM)）作为新复用维度的星间激光通信系统设计。轨道角动量理论上具有无限种模态且各模态间两两相互正交,这意味着基于OAM复用的通信系统可大幅度提高频谱效率和信道容量。分别对星间激光链路的发射机和接收机的实现架构进行了介绍,发端采用无衍射贝塞尔-高斯光束进行编码、调制和OAM多路复用;收端利用具有与发端相反的螺旋相位移除OAM光束的方位角相位以恢复光束的平面相位波前,并通过光电探测器、解调器和译码器来恢复数据。此外,还分析了多普勒频率、卫星摆动和背景噪声等因素对于系统的影响。提出的基于OAM技术的星间激光收发系统设计方案对于未来大容量星间通信系统设计与实现具有重要意义。     

毫米波高频段无线能量传输技术发展及其空间应用研究初步设想

随着我国航天事业的发展,空间任务也越来越复杂,能源供给是航天器面临的首要共性问题,航天器间的无线能量传输也显得愈发重要。由于航天器在体积重量和功耗上的限制,为了保证有效的无线能量传输,需要采用毫米波高频段,同时还要解决如何在有限的发射功率和发射天线口径情况下提高接收功率等技术难题。在回顾毫米波高频段无线能量传输技术发展的基础上,提出探索基于慢衰减电磁波产生和准无衍射波束形成的远距离时空聚焦微波能量传输理论与方法,并开展毫米波高频段整流器件建模研究和高效整流天线集成设计工作,建立航天器间毫米波无线能量传输缩比简化原理验证系统的研究设想,有望为航天器间无线能量传输效率提升提供技术基础和技术途径,也将推动无线能量传输在无人机无线输能、地面特殊场合供电等远距离无线输能应用系统的发展。     

铝合金平板超高速撞击声发射信号S2模态特征分析

对铝合金平板上形成的超高速撞击(HVI)声发射(AE)信号S2模态的特征进行研究,分析其与损伤模式之间的关系。以3 mm厚5A06铝合金平板为研究对象,通过数值仿真获得不同撞击工况下的超高速撞击声发射信号,提取信号中的S2模态,并分析其幅值、能量、频谱等特征。结果表明,S2模态能量随传播距离呈指数衰减;分别随撞击弹丸直径和撞击速度的增加先下降后上升,且在弹丸直径与靶板厚度相近、临界撞击速度时最低。S2模态的中心频率随弹丸直径的增加而降低;随撞击速度的增加而增加;随传播距离的增加向1500 kHz移动。S2模态小波包系数呈凹性的频域范围分别随撞击速度和弹丸直径的增大变窄。在此基础上,当靶板形成穿孔损伤时,可根据S2模态的中心频率推测弹丸的直径;在传播距离和弹丸直径已知的前提下,可根据S2模态小波包系数呈凹性的频域范围推测撞击速度。     

微波无线能量传输与收集应用系统的研究进展及发展趋势

随着无线技术的发展，包括感应式、磁耦合谐振式等传统形式的无线能量传输方式传输距离限制的缺点愈发凸显，制约了其在更多领域的应用推广。而微波无线能量传输技术的出现为解决这一问题提供新的思路，逐渐成为近年来研究的热点。微波无线能量传输应用系统根据接收端的状态不同分为静态应用系统与动态应用系统两种形式。静态点对点的输能系统包括艾利波束传输系统、点对点传输系统；动态传输系统的实现有多种多样的形式，主流的技术包括：基于相控阵技术的微波无线能量传输系统；基于方向回溯技术的微波无线能量传输系统；基于时间反演的微波无线能量传输系统。本文从微波无线输能系统的架构，不同工作方式的输能系统进行研究技术发展总结，最后在现有微波无线输能系统的研究进展基础上，分析概括了微波无线能量传输应用系统的未来发展趋势。     

预加重LVDS驱动器电路设计与实现

针对传统LVDS驱动器在长距离、高速率下由于能量损失而导致的驱动能力不足问题，通过分析LVDS信号传输机理，设计了一款可提供第二电流源的数字预加重电路，得到了该电路在最高800 Mbps速率下的PRBS（Pseudo Random Binary Sequence）仿真数据。研究结果表明，该电路增强了信号的高频成分，补偿了高频分量在传输过程中的衰减，提高了信号的传输距离。     

铝合金双光束激光填丝焊接熔丝特征分析

以5A06铝合金作为试验材料,采用单/双光束激光焊接方法进行了自熔焊接与填丝焊接试验。通过对焊接过程中熔池流动、匙孔形态及焊丝熔化与过渡过程的观察,研究了不同光束模式下焊丝熔化特性及影响因素。单光束激光焊接时,由于能量密度较高,熔池及匙孔波动剧烈;双光束模式中降低了输入的能量密度,在光斑距离1.5 mm时形成两个独立匙孔的开口面积仅为单激光时的34%,匙孔无闭合现象,熔化焊丝以双液桥形式过渡。光丝分离距离1 mm范围内,焊丝熔化过程稳定;光丝重合范围达到1 mm时焊接过程稳定性下降;光丝部分重叠的条件下,熔化过渡过程最为稳定。