Пеленгационный блок для модуля межспутниковой линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Пеленгационный блок для модуля межспутниковой линии связи

Мамедов Р.К.

Михайловский А.И.

Аннотации

Рассматривается пеленгационный блок (ПБ) для модуля межспутниковой линии связи (МЛС), предназначенный для приема лазерного оптического излучения с модуля-передатчика другого МЛС. Приведены результаты, вместе с аберрационным расчетом в программе автоматизированномго расчета оптики - ZEMAX, разработки зеркальной оптической системы Ричи-Кретьена и его конструкция. Рассмотрены основные погрешности, возникающие во время изготовления и сборки зеркальной системы, также рассмотрено проектирование термокомпенсатора.

Ключевые слова: оптическая связь, термокомпенсаторы, зеркальные системы Ричи-Кретьена

Mamedov R.K.1, Mihajlovskij A.I.2

1Postgraduate student, 2PhD in Engineering, ITMO University

DIRECTION-FINDING SYSTEM FOR THE INTER-SATELLITE COMMUNICATION LINK MODULE

The article discusses the direct-finding system of the inter-satellite communication link module,(ISCL) designed for receiving laser radiation from the transmitter module of another ICSL. Consider the results of the design of Ritchey-Chrйtien optical mirror system and it's aberrations that were estimated in system for automatic optical design - ZEMAX. Mechanical mounting design and the design of thermal compensators for every mirror, also were studied. Also the errors in manufacturing and assembling of optical system were discussed.

Keywords: optical communication, thermal compensators, Ritchey-Chrйtien mirror systems пеленгационный межспутниковый связь

Введение

Лазерная связь обеспечивает экономичное решение проблемы надежной и высокоскоростной ближней и дальней связи (1,2 км), необходимость которой обусловлена объединением телекоммуникационных систем различных объектов. Ее использование позволит осуществить интеграцию сетей с глобальными сетями, интеграцию удаленных друг от друга локальных сетей, так же этот метод применим и в системах межспутниковой системы связи[1-6].

Расчет оптической системы

Поскольку приемник излучения будет находиться на расстоянии 1000 км от источника излучения одним из основных требований к ПБ является условие использования такой зеркальной системы, поверхности которой вносили бы минимальные аберрации на конечное изображение. В этой связи нами использована система Ричи-Кретьена, в которой конфигурация зеркал позволяет получить малоаберрационное изображение в центре поля.

Для синтеза системы Ричи-Кретьена и получения необходимых характеристик изображения нам необходимо было определиться с начальные параметры системы. С этой целью был выбран метод нулевого луча, использование которого позволяет рассчитать радиусы кривизны поверхностей зеркал исходя из фокусного расстояния системы, а также расстояние между компонентами.

Исходя из размера входного зрачка y' и углового поля 2щ, можно рассчитать фокальное расстояние системы из формулы.

где щ - половина углового поля системы

y' - размер изображения

f' об - фокальное расстояние

Нам заданы угловое поле и линейное поле в пространстве изображения, т.е. диагональ матрицы:

Длину системы принимаем равной L= 120 мм, и рассчитываем радиусы кривизны системы в первом приближении.

В методе нулевого луча все расстояния системы и приводятся к фокусному расстоянию:

Экранирование системы для удобства примем равным

Приведенное расстояние между компонентами будет равным:

- угол нулевого луча в бесконечности примем равным нулю.

- потому что изображение находится на конечном расстоянии

- угол распространения в среде.

- коэффициент деформации главного зеркала

- коэффициент деформации вторичного зеркала

Для нахождения приведенных радиусов кривизны зеркал:

Где - высота нулевого луча на первой поверхности (главном зеркале) равная фокусу:

В нашей системе равно .

Зная приведенные значения радиусов кривизны поверхности оптических деталей, можно рассчитать их истинные величины:

Расстояния между компонентами составит:

Расстояние берется со знаком минусом, т.к. по ходу луча главное зеркало является первым и отражает свет на вторичное зеркало.

Результат расчета представлены на Рис.1.

Рис.1 - Зеркальная система Ричи-Кретьена

Расчет светоделительных пластин

Оптическая система ПБ должна одновременно работать на двух длинах волн л1=660 нм, л2=1550 нм. Первая длина волны является калибровочной и позволяет настроить соосно два канала - передающий и приемный. А вторая длина волны является основной и используется для связи между двумя модулями на расстоянии 1000 км. Соответственно в приборе будет два канала приема лазерного излучения - информационный и пеленгационный. Нами рассматривается пеленгационный канал. Он работает на длине волны 660 нм. В состав входит зеркальный объектив и пластина с покрытием, отражающим 99% энергии пилотной длины волны на поверхность матрицы камеры.

Диаметр пластины принят равным Ш40 мм. Толщина пластины будет определяться ОСТ 3-490-83 и составляет:

Так как пластина будет наклонной, оптическая ось будет отклонена на Д, это расстояние зависит от угла наклона пластины б, показателя преломления n толщины пластины .

После прохождения сходящимся пучком лучей плоскопараллельной пластины, появляется дополнительный астигматизм. Для исправления астигматизма необходимо ввести в сему дополнительную пластину - корректор. Размер этой пластины будет определятся сечением пучка лучей падающего на поверхность и составляет 14.7 мм, Диаметр пластины примем равным 20 мм. Так как необходимо корректировать астигматизм внесенный первой пластиной, толщина пластины выбирается такой же как и в первом случае. При этом пластина будет повернута на 45 градусов в сагиттальном сечении. С помощью таких пластин осуществляется разделение лучей на две длинны волны. При этом астигматизм первой пластины был исправлен.

На Рис. 2 приведена упрощенная схема пеленгационного канала.

Рис. 2 - Упрощенная схема пеленгационного канала

Расчет влияния погрешностей и оптических компонентов на пятно рассеяния оптической системы пеленгатора

Первоначально рассчитываем фокус зеркала по формуле:

(15)

Погрешность фокуса будет возрастать прямо пропорционально росту погрешности нанесения радиуса кривизны на поверхность зеркала[7, c153]:

(16)

Так как погрешность радиуса кривизны сферы при ее изготовлении будет определяться инструментальной погрешностью станка, ее можно взять из паспорта на этот станок. В данном случае используется станок позволяющий изготавливать сферические и асферические поверхности с погрешностью не больше 1 мкм. Следовательно, , а погрешность фокусного расстояние будет равна

.

Аберрации системы из-за погрешности изготовления главного и малого зеркал и их установки

В основном, качество изображения оптической системе характеризуется 4 видами аберраций 3-го порядка. Сферической аберрацией, комой, астигматизмом и дисторсией. Они могут возникать из-за различных конструктивных параметров, сборочно-юстировочных операций, а также из-за погрешности изготовления.

Рис.3 - Пятно рассеяния без вносимых аберраций

Рис. 4 - Пятно рассеяния с комой наклона

Рис. 5 - Пятно рассеяния с комой децентрировки

Вследствие того, что система имеет асферические поверхности, то сферическая аберрация системы отсутствует.

Дисторсия, зависящая от размера углового поля системы также мала.

Основные аберрации, возникающие вследствие изготовления и эксплуатации нашей системы, являются кома и астигматизм.

На рисунке 3 показано пятно рассеяния без учета погрешностей сборки. Кома может появляться из-за наклона (Рис.4) и децентрировки компонентов системы (Рис.5).

Для удобства расчета был произведен виртуальный наклон в программе Zemax.

Разработка конструкции пеленгационного и приемного каналов

Крепление главного зеркала

Главное зеркало будет установлено в корпус на острые кромки cферической поверхностью детали, для центрировки (рис.6), условие самоцентрировки при этом выполняться не будет т.к:

2 (17)

Рис. 6 - Система крепления главного зеркала

Цилиндрическая часть зеркала соединяется с оправой через термокомпенсатор специальной формы, состоящий из двух цилиндрических поверхностей внутренняя прилегающая к стеклу и внешняя к корпусу. Материал изготовления такого кольца был определен нами заранее - бронзовый безоловянный бериллиевый сплав [8, С.35-42] Брб 2. Такой сплав имеет хорошие упругие свойства, а также высокую износостойкость. Для равномерного прижатия без перекосов блока зеркало-термокомпенсатор к корпусу используется пружинное кольцо, которое поджимает тремя планками тыльную поверхность зеркала.

Разработка термокомпенсационных колец

Вследствие сильных температурных деформаций, главное и вторичное зеркала нуждаться в термокомпенсаторах. Материалом изготовления таких компенсаторов было решено выбрать сплав Брб 2. Далее был произведен расчет термокомпенсатора.

Расчет термокомпенсатора производится на основании зависимости:

Где - размер компенсатора, - диаметр оправы, - диаметр оптической детали, б - коэффициенты теплового расширения компенсатора, оправы и зеркала соответственно, Дt - изменение температуры.

Из формулы выше, следует, что толщина кольца должна быть не меньше чем 4.62 мм, тем самым мы получаем толщину кольца из Брб 2 = 5 мм. Наружный диаметр кольца будет сопрягаться с оправой, а внутренний с цилиндрической поверхностью зеркала. Шейки перегибов являются пружинящими элементами. Они будут упруго деформироваться, для избежания пережатий.

Рис.7 - Модель термокомпенсатора

Заключение

В ходе работы были рассчитана зеркальная оптическая система Ричи-Кретьена и показаны основные аберрации рассчитанные в системе ZEMAX, возникающие вследствие погрешностей сборки узла и изготовления самих зеркал. Также приведены способы устранения этих погрешностей с помощью специальной системы крепления зеркал на основе термокомпенсаторов, позволяющие не вызвать разрушение зеркал при охлаждении и их разъюстировку.

Список литературы

1. Лазерная связь - еще один способ беспроводной связи [Электронный ресурс] - URL: http://www.skomplekt.com/articles/laser_con.htm (дата обращения: 09.02.2017)

2. Что такое атмосферные оптические линии связи [Электронный ресурс] - URL: http://laseritc.ru/?id=93 (дата обращения: 09.02.2017)

3. Связь по лазерному лучу, [Электронный ресурс] - URL: http://rostec.ru/news/4514901 (дата обращения: 09.02.2017)

4. Optical terminals for data communication in space [Электронный ресурс] - Режим доступа: http://www.sps.ch/en/articles/progresses/optical-terminals-for-data-communication-in-space-3/ (дата обращения: 09.02.2017)

5. NASA to demonstrate communications Via Laser Beam [Электронный ресурс] - URL: http://www.nasa.gov/topics/technology/features/laser-comm.html (дата обращения: 09.02.2017)

6. Space laser communication [Электронный ресурс] - URL: http://spacelaser.weebly.com/system-overview.html (дата обращения: 09.02.2017)

7. Латыев С.М. Конструирование точных оптических приборов: учебник /С.М. Латыев. - Издательство ИТМО, 2007 - 153 с.

8. Бурбаев А.М. отработка технологичности конструкций оптических приборов.:учебник/ А.М. Бурбаев. - Изд-во ИТМО, 2009. -35-42 с.

Размещено на Allbest.ru