1. 研究背景与目标：

• 背景：商业航天快速发展，多级火箭分离、飞船对接与脱离等任务对高可靠性近距离通信需求迫切。

• 问题：传统脱插连接器存在解锁可靠性低、非正常脱落等风险，且高频震动环境增加了通信系统设计难度。

• 目标：提出一种抗多自由度耦合振动的近距激光通信系统，解决震动环境下的通信中断问题。

2. 系统设计与工作原理：

• 系统架构：采用发射端和接收端的双模块架构，发射端通过无线激光信号发射电路将业务数据调制到光信号上，接收端探测电路完成光信号接收与数据转换。

• 光学天线模块：包含发射光路（含扩束系统）和接收光路（含聚焦透镜），设计要点是提高发射和接收效率，确保激光链路可靠建立。

• 优化设计：采用直径Φ为25 mm的非球面透镜作为聚焦镜，增大接收增益，满足大的视场接收要求，同时兼顾抗振动特性。

3. 光学系统设计与优化：

• 发射光路设计：采用波长为905 nm的激光器，通过负透镜、平凹柱透镜进行扩束，双凸透镜压缩发散角，确保信号光覆盖范围和能量密度。

• 接收光路设计：采用平凸非球面透镜聚焦到光敏面直径2 mm的雪崩光电二极管（APD）探测器上，理论最大接收视场角为±3°。

• 性能仿真：通过一维简谐振动和耦合振动仿真，验证系统在不同振动条件下的功率余量，确保满足通信需求。

4. 实验验证与性能分析：

• 实验设置：将收发端设备搭载于舱内，模拟多自由度耦合振动环境，测试不同位置下接收端的功率情况。

• 实验结果：在旋转20°、200 mm通信距离和10 mm偏移的极端工况下，系统仍能保持稳定通信性能，接收功率波动小于2 dBm。

• 最恶劣条件：在200 mm通信距离且同时存在10 mm偏移和20°旋转的最恶劣条件下，接收功率稳定在-10.84 dBm以上。

5. 应用价值与结论：

• 应用价值：该研究为航天器动态环境下的无线通信提供了有效的技术解决方案，对提升极端工况下的通信可靠性具有重要应用价值。

• 结论：实验结果表明，所设计的近距激光通信系统在多自由度耦合振动环境下表现出良好的通信性能和容差能力，验证了设计方案的可靠性。

这份文件通过详细的理论设计、仿真验证和实验分析，展示了一种高可靠性的近距激光通信系统，有效解决了商业航天器舱段间在极端震动环境下的通信难题。