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1、第27卷第2期宇航学报Vol.27No.22006年3月JournalofAstronauticsMarch2006伽利略光学实验分析徐科华,马晶,谭立英(哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001)摘要:对伽利略光学实验进行了全面的分析,其中包括实验装置和元器件的分析,并重点分析了实验发射系统的工作原理和工作过程,对准、跟踪系统的工作原理和工作方式。并对实验的结果进行了详细分析,针对实验中出现的因大气影响而导致接收失败,讨论了采用自适应光学对大气影响进行补偿的方案的可行性,对于因背景光过强而导致的
2、链路性能劣化,分析了采用干涉滤光片对背景光进行抑制的可行性,为我国将来开展深空光通信的研究提供参考。关键词:伽利略光学实验;激光发射机;对准策略;导航星中图分类号:TN929.13文献标识码:A文章编号:100021328(2006)0220312205示和验证,在1992年,JPL利用飞往木星的伽利略号0引言探测器做了第一个深空光通信实验,实验取得了重随着深空探测任务远程化、多样化的发展,航天大成功,相关关键技术得到确认和验证。器小型化、轻量化的发展,传统的微波通信难以满足1伽利略光学实验概况深空通信要求。为响应美国国
3、家航空航天局(NASA)发展深空光通信的号召,其属下的喷气推进在1992年12月9日到16日这八天的时间里,实验室(JPL)在上世纪80年代初即制定深空光通信JPL实验室在加州的TableMountain天文观测台的发展计划。在接下来的二十多年里,他们已经完(TMO)和新墨西哥州的StarfireOpticalRange(SOR)[1-2]成深空光通信关键技术的研究,建立了一套深空光进行了伽利略光学实验。实验情形如图1所示通信理论和工程模型,为对其中的关键技术进行演(a)TMO发射上行激光实验(b)SOR发射上行激光实验
4、图1伽利略光学实验情形Fig.1Thesceneofgalileoopticalexperiment该实验的内容是在TMO和SOR发射激光束到15倍。该实验选在太平洋标准时间3-6点进行,伽利略号探测器,利用伽利略号探测器上的立体成太阳-地球-飞行器角度(SEP)为90度。像相机作为光信号的接收器来演示深空激光通信链JPL的实验人员选用这个时机进行实验,因为路的运行情况。实验开始时链路的距离为600,000其具有如下明显的优点:公里,结束时距离为6,000,000公里,为月地距离的(1)当SEP为90度时,地球在伽利略探
5、测器的收稿日期:2005204227;修回日期:2005208229第2期徐科华等:伽利略光学实验分析313立体成像相机上所成图像一半明亮,一半黑暗。这2实验中采用的激光发射系统使得以暗半球为背景的激光很容易在相机上形成一个清晰的光斑。伽利略光学实验发射机采用的激光器为波长(2)用波长为532nm的ND:YAG调Q倍频激光532nm的ND:YAG调Q倍频激光器,其光学系统为卡[1,2]器发射上行激光束,在这个时段,立体成像相机的响塞格伦折轴望远镜,发射机的参数如表1所示。应度比较高。表1伽利略光通信实验系统参数(3)选用
6、这个时段进行实验有利于减小杂散光Table1TheparametersofGalileoOpticalexperiment对实验的影响。在拍摄光斑图像的时候允许立体成特性TMO的系统SOR的系统参数值参数值像相机有较长的曝光时间,使得探测上行激光束变波长(nm)532532得容易。通过对相机拍摄图像杂散光的分析表明,重复频率(Hz)15-3010在地球的杂散光把信号光淹没之前,立体成像相机脉冲宽度(ns)1215快门维持在打开状态时间可以持续到800ms。脉冲能量(mJ)2503501-4天光束发散角(μrad)1108
7、0在这个时机进行实验,通过控制伽利略号探测6-8天光束发散角(μrad)6040器上的立体成像相机平行地球明暗分界线扫描地望远镜的主镜(m)0.61.5球,在曝光时间内,相机焦平面上将出现一系列平行望远镜的次镜(m)0.20.1于地球明暗分界线的光斑。光学系统的效率60%43%该实验主要有以下几个目的:TMO的望远镜是平行赤道安装的折轴天文望远(1)演示在深空距离下发射激光束到深空探测镜,在1968年用来发射激光到“勘探者”月球探测器。器,演示深空激光通信链路的运行情况。在该望远镜弯折的那臂上,插入两个透镜组成镜组用(2
8、)对基于深空探测器星历表的上行链路的对以对光束进行整形。这两个整形透镜,其中一个用于准策略进行检验。束散角为110μrad的光束整形,一个用于束散角为60(3)验证恒星作为信标的跟瞄机制。μrad的光束整形。SOR的望远镜主要用做自适应光(4)对深空光通信链路性能评估模型进行检验学实验,通过对发射光束进行聚焦,焦点分
