2025年大学《空间科学与技术》专业题库—— 星际激光通讯系统的天线设计.docxVIP

2025年大学《空间科学与技术》专业题库——星际激光通讯系统的天线设计

考试时间：______分钟总分：______分姓名：______

一、

简述激光波相干性对星际激光通信系统天线设计的重要性，并说明如何利用相干性设计高性能天线。

二、

已知某星际激光通信系统工作波长为1微米，地球接收端天线直径为10米。请计算该天线的理论衍射极限波束宽度（以弧度表示）。若实际天线效率为60%，其等效孔径是多少？解释等效孔径的概念及其与实际孔径的关系。

三、

比较反射式天线（如卡塞格林天线）和透射式天线（如衍射光学元件）在星际激光通信中的应用特点。针对地球与近地轨道卫星之间的短距离通信，哪种类型的天线可能更具优势？请说明理由。

四、

在星际激光通信中，波束指向精度对通信链路有何影响？列举至少三种影响空间激光通信天线指向精度的主要因素，并简述相应的补偿或控制策略。

五、

大孔径天线（例如，用于地月通信的数十米口径天线）在制造、支撑和扫描方面面临哪些特殊的工程挑战？请分别阐述并讨论可能的解决方案。

六、

大气湍流会对激光束在地球大气层中的传输造成什么影响？自适应光学技术如何用于补偿大气湍流的影响？简述自适应光学系统的基本工作原理及其在星际激光通信天线系统中的应用前景。

七、

假设一个星际激光通信链路，发射端天线增益为50dB，接收端天线增益为40dB，工作波长为1微米，通信距离为1光年，发射光功率为1瓦特。请进行链路预算，估算接收端的最小信号功率（不考虑大气和星际介质衰减）。若背景噪声等效功率为1×10^-18瓦特，该链路的信噪比（SNR）是多少？解释SNR对通信质量的意义。

八、

讨论空间环境（真空、温度剧变、辐射、原子氧等）对星际激光通信天线材料选择和结构设计提出的要求。请选择一种特定空间环境因素，详细说明其对天线设计的影响以及相应的防护措施。

九、

对于地球绕太阳公转的轨道运动，其相对于遥远恒星的位置会发生周期性变化。这对维持星际激光通信链路的稳定指向提出了什么挑战？发射端和接收端分别需要采取哪些技术手段来应对这一挑战？

十、

设想你正在参与一项未来的深空探测任务，该任务需要使用星际激光通信系统与远在火星的探测器进行数据传输。在为该任务设计通信天线系统时，除了基本的性能指标外，你还需要考虑哪些系统级集成和兼容性问题？请列举至少三个方面并简述之。

试卷答案

一、

激光波的相干性是其方向性好、单色性强的体现，这使得激光束具有极高的能量集中度。在星际激光通信中，相干性是实现高增益天线设计的基础，因为它允许天线通过相控阵列或精确的反射/折射表面将激光能量高度集中在远距离的接收目标上，从而提高信噪比和通信速率。利用相干性，可以通过设计特定的天线结构（如相控阵的波束赋形）来优化波束指向和覆盖，适应不同通信场景的需求。

二、

理论衍射极限波束宽度ε可以用公式ε=1.22*λ/D计算。

其中，λ=1微米=1×10^-6米，D=10米。

ε=1.22*(1×10^-6)/10=1.22×10^-7弧度。

等效孔径A_eq与实际孔径A和天线效率η的关系为A_eq=η*A。

A_eq=0.60*10米=6米。

等效孔径是考虑了天线效率后，能够等效替代实际孔径对信号增益贡献的孔径大小，它反映了天线利用孔径资源形成有效辐射波束的能力。

三、

反射式天线（如卡塞格林天线）具有结构相对简单、易于实现大孔径、增益高、扫描范围较宽等优点。透射式天线（如衍射光学元件）可以实现复杂的光束整形和波束赋形，结构可能更紧凑，但通常效率相对较低，对制造精度要求极高，且在大孔径和宽波段应用中面临挑战。

对于地球与近地轨道卫星之间的短距离通信，通信距离相对较近，对波束指向精度要求高，但通常不需要极大的孔径。透射式天线，特别是基于微纳技术的衍射光学元件，可能更具优势，因为它们易于集成到小型化、轻量化的航天器上，且可以实现波束捷变或指向补偿等功能，适应近地轨道卫星相对地球高速运动带来的指向变化。

四、

波束指向精度直接影响星际激光通信链路的可用性和效率。精度不足会导致激光束偏离接收端天线，造成信号强度急剧下降甚至链路中断，尤其是在距离遥远、信号本就微弱的星际通信中，精确指向至关重要。

影响指向精度的因素包括：空间平台（地球自转、公转、卫星轨道摄动、姿态漂移）的运动不确定性、大气扰动（闪烁、倾斜）、天线制造和安装误差、热变形等。

补偿或控制策略包括：高精度的航天器姿态确定与控制系统、稳定平台设计、利用地面或空间基准进行波束校正、采用自适应光学技术补偿大气影响、设计具有快速指向/扫描能力的天线系统、在接收端进行波束有哪些信誉好的足球投注网站和跟踪等。

五、

大孔径天线面临的主要工程挑战包括：

1.制造与装配精度：