激光通信組網光學天線結構設計與分析

李龍++張立中++洪近

摘 要：本文針對空間激光通信組網問題，提出了一對多激光通信組網光學天線總體構想，闡述了系統工作原理，并設計了一種偏心式十字跟蹤架驅動機構。最后分析了負載安裝架的應力、應變以及模態，為后續的光學天線結構優化設計提供理論依據。

關鍵詞：激光通信 組網 光學天線

中圖分類號：TN929.1 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）03（c）-0008-02

激光技術的誕生使得激光作為信息的載體實現激光通信成為現實，尤其以大氣為傳輸介質的空間激光通信技術，其通信速率高、容量大、抗干擾、抗截獲能力強、保密性好以及輕小型等突出優勢，受到國內外學者廣泛關注。歐洲、美國、日本等先進國家相繼展開了對這一領域的研究工作，突破了諸多技術難點，并成功研制出了原理樣機，建立了地面通信站和較為完善的評估與檢測系統，而且成功開展了星地、星際、空空、空地、星空等鏈路的演示驗證[1]。

目前，激光通信系統的研究基本上都是點對點通信結構形式，然而從工程應用的角度來看，點對點結構形式往往不能滿足空間激光通信的需要，只有實現多點間的空間激光通信，建立起信息傳輸網絡，才真正具有更高的實用價值。隨著輕小型化衛星技術的發展與進步，在衛星偵察和通信領域掀起了采用低軌道衛星/中軌道衛星（LEO/MEO）星座的熱潮，許多LEO/MEO全球衛星通信系統已經建立起來或正在建設之中，為有效地綜合利用每顆小衛星獲取的信息來完成復雜的航天任務，衛星之間必須建立高效可靠的星際鏈路（ISL，inter-satellite links），通過星際鏈路把多顆衛星互聯在一起，形成一個以衛星作為交換結點的空間高速通信網絡[2]，因此，激光通信組網技術十分迫切。

1 激光通信組網光學天線工作原理

為了實現多目標之間同時通信，盡量增大光學天線的可視范圍，可以采用橢球面、雙曲面、拋物面或者其他形式的自由曲面作為光學天線的基面。其中旋轉拋物面具有各向入射光線會聚于焦點時，反射光線與旋轉軸平行的光學特性（如圖1所示），因此，利用旋轉拋物面式反射鏡作為收發光學天線的基面，將各個目標光線匯聚到中繼光學系統中，采用波分技術將不同目標的激光信號分離，經由相應激光波長的探測器完成探測，進而實現激光通信鏈路組網。但是，具有一定束散角的激光光束從任意方向入射只會有一條光線經過旋轉拋物面的焦點，并將其平行于對稱軸反射進入卡式光學系統，其他光束則不具備此種特性，因此，大大降低了光能量的利用率，無法滿足通信要求。為此需要對旋轉拋物面式反射鏡進行改進，將入射點演化成一個平鏡面，以提高光能量利用率。本文采用旋轉拋物面為基底的多鏡面反射體作為光學天線，實現一對多衛星間激光通信網絡的建立[3]，一對多激光通信總體構想如圖2所示。

2 組網光學天線結構設計

從組網光學天線工作原理可以看出，當對某個目標進行通信時，光學天線中反射鏡的個數越多，對旋轉拋物面的擬合程度就越好，光能量利用效率就越高，但是，反射鏡需要調整位置以使得反射光線進入中繼光學系統視場，因此，每個反射鏡均需要獨立的驅動機構。然而隨著反射鏡數目的增加，光學天線結構尺寸和控制系統將變得十分龐大和復雜，系統的穩定性、可靠性隨之降低，因此，需要對發射鏡個數以及尺寸進行優化設計。

本系統中繼光學接收孔徑為400 mm，空間覆蓋范圍為方位360°，俯仰±15°，采用6組反射鏡拼接形式組成，單個反射鏡能量利用率約為總體的12%，可以滿足激光通信功率鏈路需求，此時光學天線結構得到了簡化，具備了工程實現條件，光學天線結構形式如圖3所示。

2.1 機械結構

一般常用跟瞄機構采用十字萬向架式正交設計，即方位軸、俯仰軸、反射鏡面法線嚴格正交，并交于一點，以保證反射鏡在旋轉過程中沒有附加的平移運動，從而提高運動機構的精度。但該結構反射鏡包裹在俯仰軸系兩支撐端中間，反射鏡鏡面尺寸受到限制，光能利用率會嚴重下降。

為解決上述問題，本系統采用偏心式十字跟蹤架設計方案，即將反射鏡前凸，偏離俯仰軸軸線，擺脫俯仰軸支撐框架的限制。為了避免方位軸系承受由于俯仰框架偏心所帶來的不平衡力矩，將方位軸與俯仰軸的軸線采用非正交形式設計，由于運動范圍較小，所以鏡面在轉動過程中產生的平移運動以及在垂直方向上的投影在中繼天線接收范圍內，不影響鏡面反射效率，也避免因平移所造成的相鄰鏡片間的干涉。

2.2 反饋與驅動元件選擇

位置傳感器是測量系統中的一重要組成部分，它的精度高低會直接影響伺服系統的穩定性能與運動精度?？紤]到組網光學天線的結構尺寸，單個反射鏡驅動機構的方位軸系采用直流力矩電機為驅動元件，測角元件選用英國雷尼紹公司生產的一種光學角度編碼器，這種圓光柵以錐面方式定位，既保證了安裝精度（同軸度）的同時又減小了軸系的軸向尺寸，使結構更加緊湊，增加了直驅系統的機械剛度，另外這種安裝方式耦合度較為靈活，使得伺服系統受速度偏差、回程誤差以及其他機械滯后誤差影響較小，提高了伺服系統的帶寬。

音圈電機是一種將電能直接轉化為直線或圓弧運動的機械能而不需要任何中間轉換機構的傳動裝置，具有動態范圍大、控制帶寬和控制精度適中的特點[4]?？紤]到俯仰軸系轉動范圍為±7.5°，為有限轉角系統，因此，俯仰軸系選用擺動型音圈電機驅動，以減小結構徑向尺寸。角度傳感器選用扇形光柵，通過過渡件安裝在俯仰軸系的一端，避免因方位旋轉引起的俯仰部件干涉。采用光學對準方法，運用CCD電子顯微鏡使得扇形光柵的理想圓心與俯仰軸系的回轉中心重合，補償了軸系的徑向跳動誤差，扇形光柵的偏心率小于10 um，小范圍內，測量精度可達到5角秒以內。

3 組網光學天線結構有限元分析

結構分析是研究結構的組成原理以及分析計算結構在載荷作用下的內力和變形的學科，主要分為結構動力學分析和靜力學分析兩類。endprint

負載安裝架是整個光學天線的基體部分，其結構設計的好壞直接影響著系統的動態特性與靜態特性，例如負載安裝架占光學天線質量的50%～60%，對其進行優化設計可以達到輕量化的目的，有利于減小靜力變形，提高結構的剛度與指向精度；另外負載安裝架的結構諧振頻率也影響著伺服系統的動態性能，要想滿足跟蹤帶寬要求，除了伺服控制系統具有足夠的控制能力外，還要求機械結構具有較高的諧振頻率。下面就對負載安裝架結構進行簡要分析。

3.1 結構靜力學分析

負載安裝架是一對多激光通信光學天線的主體支撐件，內部圓形開口即為安裝法蘭，六個獨立二維反射鏡驅動機構以60°角均勻分布在安裝架上，每一個U型開口處都要與一個跟瞄指向機構相連接，并承受約為3.5 kg的重量。我們可以看出，負載安裝架屬于中心對稱結構，我們只需建立其1/12有限元模型，對其進行周期鏡像圓周陣列即可得到負載安裝架整體有限元模型，這樣可以減小解算時間。重力的施加我們需要選擇MASS21單元，并在U型開口中心處建立該單元節點，將其與U型開口周圍節點進行剛性耦合，形成剛性區域以施加重力，然后進行求解分析。其中負載安裝架材料為鑄鋁（ZAlCu5Mn），彈性模量為70 Gpa，泊松比為0.32，密度為2700 kg/m3。位移云圖與應力云圖如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，指向跟瞄機構安裝罩最大變形量為4.21 um，發生在U型開口端部，變形較小可以忽略不計，滿足剛度設計要求；最大應力為0.775 Mpa，出現在V型開口根部，其值遠遠小于材料的許用應力295～335 Mpa（ZAlCu5Mn），安全系數可達10倍數以上，滿足強度設計要求。

3.2 諧振頻率分析

機械結構的諧振頻率與電氣系統的響應頻率相互耦合成一個頻率較低的綜合諧振系統。它影響伺服系統的穩定性，限制了系統帶寬的提高，所以提高結構諧振頻率具有重要意義。由于系統的模態與外界載荷無關，所以不必施加載荷約束，只需添加其自由度約束，分析結果如表1所示。

一般機械系統的諧振頻率是伺服系統帶寬的3～5倍，由表1負載安裝架模態分析結果可以看出，其最小機械諧振頻率為415 Hz遠遠滿足設計要求，具有較大的優化空間，在后續的研究工作中我們可以把模態作為邊界約束條件，把質量作為目標函數對其進行優化設計工作。

4 結論

本文針對空間激光通信組網要求，提出了一種可實現對多個目標同時跟蹤的光學天線總體構想，設計了一種以旋轉拋物面為基底的多鏡面反射體式光學天線，并對負載安裝架進行靜力學分析、模態分析。結果顯示均滿足設計要求，為后續光學天線的結構優化提供理論依據。

參考文獻

[1] 姜會林，佟首峰，等.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 孫兆偉，吳國強，等.國內外空間光通信技術發展及趨勢研究[J].無線光通信， 2005（9）：61-64.

[3] 姜會林，胡源，等.空間激光通信組網光學原理研究[J].光學學報，2012（10）.

[4] 興連國，周惠興，等.音圈電機研究及應用綜述[J].微電機，2011（8）.endprint

負載安裝架是整個光學天線的基體部分，其結構設計的好壞直接影響著系統的動態特性與靜態特性，例如負載安裝架占光學天線質量的50%～60%，對其進行優化設計可以達到輕量化的目的，有利于減小靜力變形，提高結構的剛度與指向精度；另外負載安裝架的結構諧振頻率也影響著伺服系統的動態性能，要想滿足跟蹤帶寬要求，除了伺服控制系統具有足夠的控制能力外，還要求機械結構具有較高的諧振頻率。下面就對負載安裝架結構進行簡要分析。

3.1 結構靜力學分析

負載安裝架是一對多激光通信光學天線的主體支撐件，內部圓形開口即為安裝法蘭，六個獨立二維反射鏡驅動機構以60°角均勻分布在安裝架上，每一個U型開口處都要與一個跟瞄指向機構相連接，并承受約為3.5 kg的重量。我們可以看出，負載安裝架屬于中心對稱結構，我們只需建立其1/12有限元模型，對其進行周期鏡像圓周陣列即可得到負載安裝架整體有限元模型，這樣可以減小解算時間。重力的施加我們需要選擇MASS21單元，并在U型開口中心處建立該單元節點，將其與U型開口周圍節點進行剛性耦合，形成剛性區域以施加重力，然后進行求解分析。其中負載安裝架材料為鑄鋁（ZAlCu5Mn），彈性模量為70 Gpa，泊松比為0.32，密度為2700 kg/m3。位移云圖與應力云圖如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，指向跟瞄機構安裝罩最大變形量為4.21 um，發生在U型開口端部，變形較小可以忽略不計，滿足剛度設計要求；最大應力為0.775 Mpa，出現在V型開口根部，其值遠遠小于材料的許用應力295～335 Mpa（ZAlCu5Mn），安全系數可達10倍數以上，滿足強度設計要求。

3.2 諧振頻率分析

機械結構的諧振頻率與電氣系統的響應頻率相互耦合成一個頻率較低的綜合諧振系統。它影響伺服系統的穩定性，限制了系統帶寬的提高，所以提高結構諧振頻率具有重要意義。由于系統的模態與外界載荷無關，所以不必施加載荷約束，只需添加其自由度約束，分析結果如表1所示。

一般機械系統的諧振頻率是伺服系統帶寬的3～5倍，由表1負載安裝架模態分析結果可以看出，其最小機械諧振頻率為415 Hz遠遠滿足設計要求，具有較大的優化空間，在后續的研究工作中我們可以把模態作為邊界約束條件，把質量作為目標函數對其進行優化設計工作。

4 結論

本文針對空間激光通信組網要求，提出了一種可實現對多個目標同時跟蹤的光學天線總體構想，設計了一種以旋轉拋物面為基底的多鏡面反射體式光學天線，并對負載安裝架進行靜力學分析、模態分析。結果顯示均滿足設計要求，為后續光學天線的結構優化提供理論依據。

參考文獻

[1] 姜會林，佟首峰，等.空間激光通信技術與系統[M].北京：國防工業出版社，2010.

[2] 孫兆偉，吳國強，等.國內外空間光通信技術發展及趨勢研究[J].無線光通信， 2005（9）：61-64.

[3] 姜會林，胡源，等.空間激光通信組網光學原理研究[J].光學學報，2012（10）.

[4] 興連國，周惠興，等.音圈電機研究及應用綜述[J].微電機，2011（8）.endprint

負載安裝架是整個光學天線的基體部分，其結構設計的好壞直接影響著系統的動態特性與靜態特性，例如負載安裝架占光學天線質量的50%～60%，對其進行優化設計可以達到輕量化的目的，有利于減小靜力變形，提高結構的剛度與指向精度；另外負載安裝架的結構諧振頻率也影響著伺服系統的動態性能，要想滿足跟蹤帶寬要求，除了伺服控制系統具有足夠的控制能力外，還要求機械結構具有較高的諧振頻率。下面就對負載安裝架結構進行簡要分析。

3.1 結構靜力學分析

負載安裝架是一對多激光通信光學天線的主體支撐件，內部圓形開口即為安裝法蘭，六個獨立二維反射鏡驅動機構以60°角均勻分布在安裝架上，每一個U型開口處都要與一個跟瞄指向機構相連接，并承受約為3.5 kg的重量。我們可以看出，負載安裝架屬于中心對稱結構，我們只需建立其1/12有限元模型，對其進行周期鏡像圓周陣列即可得到負載安裝架整體有限元模型，這樣可以減小解算時間。重力的施加我們需要選擇MASS21單元，并在U型開口中心處建立該單元節點，將其與U型開口周圍節點進行剛性耦合，形成剛性區域以施加重力，然后進行求解分析。其中負載安裝架材料為鑄鋁（ZAlCu5Mn），彈性模量為70 Gpa，泊松比為0.32，密度為2700 kg/m3。位移云圖與應力云圖如圖4和圖5所示。

從圖4和圖5可以看出，指向跟瞄機構安裝罩最大變形量為4.21 um，發生在U型開口端部，變形較小可以忽略不計，滿足剛度設計要求；最大應力為0.775 Mpa，出現在V型開口根部，其值遠遠小于材料的許用應力295～335 Mpa（ZAlCu5Mn），安全系數可達10倍數以上，滿足強度設計要求。

3.2 諧振頻率分析

機械結構的諧振頻率與電氣系統的響應頻率相互耦合成一個頻率較低的綜合諧振系統。它影響伺服系統的穩定性，限制了系統帶寬的提高，所以提高結構諧振頻率具有重要意義。由于系統的模態與外界載荷無關，所以不必施加載荷約束，只需添加其自由度約束，分析結果如表1所示。

一般機械系統的諧振頻率是伺服系統帶寬的3～5倍，由表1負載安裝架模態分析結果可以看出，其最小機械諧振頻率為415 Hz遠遠滿足設計要求，具有較大的優化空間，在后續的研究工作中我們可以把模態作為邊界約束條件，把質量作為目標函數對其進行優化設計工作。

4 結論

本文針對空間激光通信組網要求，提出了一種可實現對多個目標同時跟蹤的光學天線總體構想，設計了一種以旋轉拋物面為基底的多鏡面反射體式光學天線，并對負載安裝架進行靜力學分析、模態分析。結果顯示均滿足設計要求，為后續光學天線的結構優化提供理論依據。

參考文獻

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[3] 姜會林，胡源，等.空間激光通信組網光學原理研究[J].光學學報，2012（10）.

[4] 興連國，周惠興，等.音圈電機研究及應用綜述[J].微電機，2011（8）.endprint