Con el rápido desarrollo de la tecnología aeroespacial comercial, la demanda de sistemas de comunicación entre compartimentos en naves espaciales comerciales aumenta día a día. Este artículo propone un sistema de comunicación láser de corto-alcance con un diseño integrado de comunicación eficiente y anti-jitter, que está dirigido específicamente a la comunicación entre compartimentos en el sector aeroespacial comercial. Este sistema enfrenta desafíos como la deformación del elemento óptico y la disminución de la estabilidad de la trayectoria óptica en condiciones de vibración de alta-frecuencia múltiple-grado{6}}de-libertad y alta-frecuencia. Al adoptar un diseño de trayectoria óptica único, un gran ángulo de divergencia y algoritmos adaptativos, suprime eficazmente el impacto de la vibración en el sistema óptico. Los resultados experimentales muestran que cuando el desplazamiento del ángulo de vibración está dentro de ±20 grados, el desplazamiento lateral es inferior a 200 mm y el desplazamiento longitudinal es inferior a 10 mm, la calidad del punto de luz y el rendimiento de la comunicación cumplen con los requisitos de diseño. La investigación en este artículo proporciona una base teórica y soporte técnico para el diseño e implementación de sistemas de comunicación láser entre compartimentos en el sector aeroespacial comercial en entornos de vibración acoplada de libertad de alta-multi-grado-de-libertad, y es de gran importancia para mejorar la confiabilidad de la comunicación de las naves espaciales en entornos extremos.
Diseñar un sistema de comunicación láser de alcance cercano-adecuado para entornos de vibración acoplada de múltiples-grados-de-libertad, con el objetivo de resolver el problema de la estabilidad insuficiente de las interfaces mecánicas tradicionales en entornos extremos. Este sistema logra una comunicación de alta confiabilidad en condiciones complejas como vibraciones fuertes a través de un diseño óptico innovador y una selección de materiales. Específicamente, la comunicación láser entre compartimentos alivia eficazmente el impacto de la vibración acoplada de múltiples-grados-de-libertad en la calidad de la comunicación al aumentar el ángulo de divergencia del haz. Además, el sistema introduce un mecanismo de ajuste óptico adaptativo que puede compensar en tiempo real-las desviaciones de la trayectoria óptica causadas por vibraciones y cambios de temperatura, mejorando aún más la estabilidad de la comunicación.
En términos de diseño óptico, este artículo optimiza la ruta óptica del sistema de comunicación láser basado en el software de simulación óptica Zemax. Mediante análisis de simulación, se determina que el rango óptimo del ángulo de divergencia del haz es de 0,5 grados a 1,5 grados, lo que garantiza la distancia de comunicación y minimiza el impacto de la vibración acoplada en la trayectoria óptica. Los resultados de la simulación muestran que cuando el ángulo de divergencia del haz es de 2,0 grados, el sistema aún puede cumplir con los requisitos de comunicación en un entorno extremo con una distancia de comunicación de 200 mm y el diámetro del punto de luz se controla dentro de 2 mm, cumpliendo con los requisitos de fotodetección del extremo receptor. Además, la simulación también verifica las leyes de variación de la estabilidad de la trayectoria óptica y la potencia de recepción bajo diferentes ángulos de deflexión (0 grados a 5 grados) y desplazamientos verticales (0 mm a 10 mm). Los resultados de la simulación muestran que cuando el desplazamiento del ángulo es de 2 grados, el desplazamiento central del punto de luz es inferior a 0,5 mm y la potencia de recepción solo cae aproximadamente 1,2 dB, lo que indica que el sistema tiene una fuerte capacidad anti-desplazamiento.
La verificación experimental muestra que en condiciones extremas, cuando la distancia entre el extremo receptor y el extremo transmisor supera los 200 mm, la potencia de recepción aún puede permanecer en -8,88 dBm. Además, cuando el desplazamiento del ángulo alcanza los 20 grados, incluso cuando la distancia de comunicación supera los 200 mm, la potencia de recepción en el extremo receptor aún puede mantener -10,61 dBm. Más importante aún, cuando la distancia de comunicación, el ángulo de deflexión y el desplazamiento vertical alcanzan sus posiciones extremas, la potencia de recepción en el extremo receptor aún puede permanecer por encima de -10,84 dBm en 5 minutos y lograr una comunicación sin errores, cumpliendo plenamente con los requisitos de diseño. Este rendimiento se atribuye a la optimización integral del diseño óptico, la selección de materiales y la tecnología de control térmico del sistema.
En conclusión, el diseño de un-sistema de comunicación láser de alcance cercano para entornos de vibración acoplada de múltiples-grados-de-libertad no solo demuestra un excelente rendimiento óptico sino que también logra una comunicación de alta confiabilidad en entornos extremos. Este diseño proporciona un importante soporte técnico y valor de referencia para aplicaciones de comunicación láser en las industrias aeroespacial, de exploración de aguas profundas-y nuclear en el futuro.