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自由空间激光通信技术经过几十年的发展,近年来随着各项相关技术的成熟而开始从实验室研究阶段走向工业化应用。特别是在面对空间探索应用的超长距离,大容量,高速率的信息和数据传输要求,自由空间激光通信技术则是唯一的技术手段。因此,对自由空间激光通信的若干关键技术研究具有非常重要的技术价值和现实意义,其中确保自由空间激光通信系统正常工作的高精度瞄准技术更是一项核心技术。本文旨在研究应用于自由空间激光通信技术的高精度瞄准技术,以实现亚微弧度瞄准精度为目标,研究了相应瞄准系统的结构,工作原理,误差影响因素和工作性能。
围绕本课题的核心研究内容,本文主要深入研究了基于相位共轭和波前探测的的高精度方法。确立了以角锥棱镜阵列作为相位共轭器件和以哈特曼波前传感器作为波前探测器的瞄准系统结构。理论分析了该系统中角锥棱镜阵列作为相位共轭器件的特殊性质和其相位共轭性能。全面分析了角锥棱镜的加工误差,系统光束强度分布对角锥棱镜相位共轭性能的影响,并对此建立了完整的理论方程,这些方程确定了配置符合相位共轭性能要求和瞄准精度要求的角锥棱镜阵列的方法,同时还在本文中对影响系统瞄准精度的各种工程细节进行了细致的分析。最后,包含710m水平大气光程的实验结果表明,该方法能获得小于1微弧度(urad)的瞄准精度。
作为本课题主要内容的一项衍生成果,本文还扩展了哈特曼波前探测器的误差理论,首次分析了光束强度分布不均匀对哈特曼标定误差和测量误差的影响,理论结果表明在高精度哈特曼波前探测器的设计和装调中,必须考虑光强分布的均匀性因素。
在课题的最后一部分,初步探讨了另一种新的瞄准方法-基于回光强度变化的瞄准方法,对其基本概念和问题进行了分析和仿真,得到了一些有意义的参考结论。