ПЕЛЕНГАЦИОННЫЙ БЛОК ДЛЯ МОДУЛЯ МЕЖСПУТНИКОВОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

Мамедов Р.К.¹, Михайловский А.И.²

¹ Доктор технических наук, ² Аспирант, Университет ИТМО

ПЕЛЕНГАЦИОННЫЙ БЛОК ДЛЯ МОДУЛЯ МЕЖСПУТНИКОВОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

Аннотация

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

Abstract

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–Chrétien 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–Chrétien mirror systems

 

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 2ω, можно рассчитать фокальное расстояние системы из формулы.

                                                                       

где ω - 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 λ1=660 нм,  λ2=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 Ø40 мм. Толщина пластины будет определяться ОСТ 3-490-83 и составляет:

Так как пластина будет наклонной, оптическая ось будет отклонена на Δ, это расстояние зависит от угла наклона пластины α, 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] Брб2. 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 Брб2.  Далее был произведен расчет термокомпенсатора.

Расчет термокомпенсатора производится на основании зависимости:

Где  - размер компенсатора,  - диаметр оправы,  – диаметр оптической детали, α – коэффициенты теплового расширения компенсатора, оправы и зеркала соответственно, Δt – изменение температуры.

Из формулы выше, следует, что толщина кольца должна быть не меньше чем 4.62 мм, тем самым мы получаем толщину кольца из Брб2 = 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 / References

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.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Lazernaja svjaz' - eshhe odin sposob besprovodnoj svjazi[Laser communication – one more method of wireless link] [Electronic resource] – URL: http://www.skomplekt.com/articles/laser_con.html (accessed: 09.02.2017) [in Russian]
2. Chto takoe atmosfernye opticheskie linii svjazi [What is athmospheric optical communications] [Electronic resource] – URL: http://laseritc.ru/?id=93 (accessed: 09.02.2017) [in Russian]
3. Svjaz' po lazernomu luchu[Communication via laser beam] [Electronic resource]– URL: http://rostec.ru/news/4514901 (accessed: 09.02.2017) [in Russian]
4. Optical terminals for data communication in space [Electronic resource] – link: http://www.sps.ch/en/articles/progresses/optical-terminals-for-data-communication-in-space-3/ (accessed: 09.02.2017)
5. NASA to demonstrate communications Via Laser Beam [Electronic resource] – URL: http://www.nasa.gov/topics/technology/features/laser-comm.html
6. Space laser communication [Electronic resource] – URL: http://spacelaser.weebly.com/system-overview.html (accessed: 09.02.2017)
7. Latyev S. M. Konstruirovanie tochnyh opticheskih priborov[High accuracy optical instruments design]: textbook / S. M. Latyev. – ITMO Publishing, 2007 – 153 p. [in Russian]
8. Burbaev A. M. Otrabotka tehnologichnosti konstrukcij opticheskih priborov[Workability of optical instruments design].:uchebnik/ A. M. Burbaev. – ITMO Publishing, 2009 – 35-42 p. [in Russian]