畢業(yè)論文-----空間光通信光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　編號(hào) </b></p><p><b>　　本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　空間光通信光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　The Design of Optical System of Spatial Optical Communication</p>&l

2、t;p><b>　　二〇一一年六月 </b></p><p>　學(xué) 生 姓 名</p><p>　專 業(yè)測控技術(shù)與儀器</p><p>　學(xué) 號(hào)</p><p>　指 導(dǎo) 教 師</p><p>　學(xué) 院光電工程學(xué)院</p><p&g

3、t;<b>　　摘 要</b></p><p>　　論文主要研究了光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及方法，設(shè)計(jì)出一套中心波長為 1550nm波段的光學(xué)天線系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了加工實(shí)現(xiàn)、測試及性能分析。</p><p>　　本論文的研究內(nèi)容如下：</p><p>　　(1)介紹了光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，對(duì)非球面光學(xué)零件應(yīng)用和光學(xué)特性進(jìn)行了分析。通過對(duì)各種

4、常見光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析，本論文確定在該光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用卡塞格倫天線。</p><p>　　(2)通過對(duì)卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)的建模分析和光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)出主鏡和次鏡均為非球面鏡、中心波長為 1550nm、視場角為 1°的卡塞格倫光學(xué)天線，并對(duì)卡塞格倫天線離焦對(duì)天線發(fā)散角的影響、增益、準(zhǔn)直特性、成像質(zhì)量及傳輸效率進(jìn)行了分析。</p><p>

5、;　　(3)利用 Zemax 優(yōu)化設(shè)計(jì)了收發(fā)合一的光學(xué)天線系統(tǒng)。在系統(tǒng)中，利用分色鏡和分束鏡實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離及多光路需求。對(duì)各個(gè)光學(xué)元件的材料進(jìn)行了分析和選擇。</p><p>　　關(guān)鍵詞：空間光通信 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 光學(xué)天線 增益 偏軸</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　The design prin

6、ciple and methods of optical antenna systems have been researched in this paper. An optical antenna system with the central wavelength located in 1550nm has been designed. The system has been realized by manufacture and

7、test.</p><p>　　The main contents are as follows:</p><p>　　1. The methods of optical systems design have been introduced, meanwhile, the application and optical properties of aspheric optical par

8、ts have also been analyzed. </p><p>　　2. By the analysis of Cassegrain antenna structure and Zemax, the 1° field angle Cassegrain antenna, whose primary and secondary mirrors are aspheric, has been desi

9、gned. Its properties have been analyzed, such as gain, image quality, collimation characteristic, and transmission efficiency.</p><p>　　3. The optical antenna system in transceiver has been designed by means

10、 of Zemax. The system can realize the functions of transmitter-receiver isolation and multi-light ways using dichroic mirrors and beam splitting prisms. The materials ofoptical elements have been analyzed and selected.&l

11、t;/p><p>　　Keywords: Space optical communication；Optical system design；Optical antenna；Gain；Partial axis</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p>

12、<p>　　AbstractII</p><p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1 課題來源及研究目的意義1</p><p>　　1.1.1 空間光通信的優(yōu)勢(shì)1</p><p>　　1.1.2空間光通信的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀2</p><p>　　1.2

13、 本文采取的研究路線4</p><p>　　1.3 空間光通信的主要技術(shù)指標(biāo)4</p><p>　　第2章 空間光通信中光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理5</p><p>　　2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述5</p><p>　　2.1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況5</p><p>　　2.1.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程5<

14、;/p><p>　　2.1.3 光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的確定方法6</p><p>　　2.1.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件6</p><p>　　2.2 非球面光學(xué)零件理論7</p><p>　　2.2.1 非球面光學(xué)零件的應(yīng)用7</p><p>　　2.2.2 二次曲面的數(shù)學(xué)表達(dá)式及光學(xué)性質(zhì)7</p><

15、;p>　　2.3 光學(xué)天線9</p><p>　　2.3.1 透射式光學(xué)天線9</p><p>　　2.3.2 反射式光學(xué)天線10</p><p>　　2.3.3 自由空間的傳輸損耗11</p><p>　　2.3.4 光學(xué)天線的增益11</p><p>　　2.3.5 光學(xué)天線類型選擇12</

16、p><p>　　2.3.6 光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求12</p><p>　　第3章 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能分析13</p><p>　　3.1 卡塞格倫天線子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)理論分析13</p><p>　　3.1.1 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的鏡面組合13</p><p>　　3.1.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

17、的確定14</p><p>　　3.1.3 卡塞格倫天線子系統(tǒng)離焦對(duì)天線準(zhǔn)直的影響17</p><p>　　3.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)性能分析18</p><p>　　3.2.1卡塞格倫天線子系統(tǒng)的準(zhǔn)直特性18</p><p>　　3.2.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的成像質(zhì)量分析19</p><p>　　第4章

18、光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)21</p><p>　　4.1 光學(xué)天線系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)21</p><p>　　4.2 光學(xué)材料的選擇21</p><p>　　4.2.1 增透膜選擇21</p><p>　　4.2.2 增反膜的選用22</p><p>　　4.3 分色鏡和分束鏡設(shè)計(jì)22</p><p

19、>　　4.4 濾波片設(shè)計(jì)23</p><p>　　4.5 光學(xué)天線小型化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真23</p><p>　　第5章 光學(xué)天線系統(tǒng)的測試及性能分析24</p><p>　　5.1.光學(xué)天線系統(tǒng)成像質(zhì)量分析24</p><p>　　5.2光束發(fā)散損耗25</p><p><b>　　總 結(jié)

20、27</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)28</b></p><p><b>　　致 謝29</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　隨著人類科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步, 信息的傳輸和交換技術(shù)不斷的獲得發(fā)展和飛躍。自20

21、世紀(jì)70年代,空間技術(shù)特別是大功率軌道運(yùn)載技術(shù)及大容量通信衛(wèi)星技術(shù)的成熟與推廣, 使自由空間通信技術(shù)獲得了質(zhì)的飛躍。今天,大容量的空間衛(wèi)星通信已經(jīng)成為支撐全球信息溝通和交流的基礎(chǔ)。</p><p>　　1.1 課題來源及研究目的意義</p><p>　　隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展, 目前圍繞地球軌道運(yùn)行著數(shù)以千計(jì)的各種飛行器, 這些飛行器之間以及飛行器與地面站之間都需要進(jìn)行通信。龐大的通信數(shù)據(jù)

22、量給通信系統(tǒng)帶來極大的挑戰(zhàn), 同時(shí)大量衛(wèi)星通信地面站的建立也會(huì)帶來龐大的地面運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用及大量的地面運(yùn)行維護(hù)人員, 這些都會(huì)降低系統(tǒng)的效率、可靠性及保密性。因此, 建立衛(wèi)星與衛(wèi)星間的通信鏈路——中繼星及中繼鏈路變得勢(shì)在必行。</p><p>　　1.1.1 空間光通信的優(yōu)勢(shì)</p><p>　　相對(duì)于傳統(tǒng)的通信方式相比，空間光通信的主要優(yōu)點(diǎn)是：</p><p>　

23、　(1)具有微米級(jí)的波束發(fā)散角。激光通信一般在微米量級(jí)或更小波段工作，而微波通信在數(shù)百米到亞厘米波段之間工作。又由于發(fā)散角與波長成正比，所以，與微波通信相比，激光通信的光束發(fā)散角至少小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，大約在10微弧度左右。</p><p>　　(2)高數(shù)據(jù)傳輸率。對(duì)激光脈沖進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后，激光通信提供的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到10Gbps(每秒千兆位)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前微波通信的數(shù)據(jù)傳輸率。</p>&

24、lt;p>　　(3)體積小、重量輕、功耗低。由衍射定律可知，波束可以達(dá)到的最小發(fā)散角。其中是載波波長，D是發(fā)射天線直徑，由公式可得通信中采用的波長越短，所需的天線體積就越小。由于激光通信的波長遠(yuǎn)小于微波通信的波長，因此，在提供同樣功能的情況下，激光通信的天線尺寸遠(yuǎn)小于微波通信的天線尺寸，激光通信系統(tǒng)的重量和體積相對(duì)就顯得非常輕小。所以，將會(huì)有越來越多的航天衛(wèi)星采用激光通信。</p><p>　　(4)架設(shè)靈

25、活方便，無需鋪設(shè)電纜或光纜，安裝迅速、使用方便，成本低廉。在建立通信信道時(shí)，無需鋪設(shè)電纜或光纜，只需將光發(fā)射和接收天線對(duì)準(zhǔn)即可。在地勢(shì)奇特的地方（山腳和山頂之間要實(shí)現(xiàn)高速率通信）、建筑群之間，或不能立即在地下挖設(shè)管道鋪設(shè)光纖的地方，如街道、江河，無線光通信的優(yōu)勢(shì)無疑是巨大的。由于采用這種通信方式可大大縮短施工周期，所以，對(duì)于通信運(yùn)營商而言，這無疑是一種迅速搶占市場的最佳選擇。</p><p>　　(5)保密性強(qiáng)。

26、空間光通信系統(tǒng)的激光束具有很好的方向性，使得信息載體的光束很窄，因此很難被發(fā)現(xiàn)和截取。即使被截取，用戶也會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殒溌繁恢袛嗔耍虼吮葻o線系統(tǒng)安全得多。尤其適用于軍事、金融、法律等保密要求高的部門。</p><p>　　(6)無需申請(qǐng)頻率。由于光通信在無須管制的光波段工作，不占用擁擠的無線電頻率資源，設(shè)備間沒有信號(hào)的相互干擾，也不會(huì)與其他傳輸發(fā)生干擾，不會(huì)引起頻率許可問題，因此無需申請(qǐng)頻率許可證。</p&

27、gt;<p>　　(7)經(jīng)濟(jì)性適用性強(qiáng)。與其他(光纜、電纜、短波、中波、衛(wèi)星站等)通信手段相比，采用光通信的通信手段，不會(huì)帶來任何設(shè)計(jì)、勘察、工程和線路費(fèi)等附加費(fèi)用，因此，起始投資和運(yùn)營費(fèi)用較低，易于被市場、通信運(yùn)營商以及用戶接受。</p><p>　　1.1.2空間光通信的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀</p><p>　　正是因?yàn)楣馔ㄐ啪哂猩鲜鰞?yōu)勢(shì)，所以從20世紀(jì)70年代開始，人類就投入

28、了大量的人力和物力對(duì)激光通信展開了研究。最近10年來光通信在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用更是取得了令人矚目的進(jìn)展，從開始的理論研究和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，到正在向工程化進(jìn)展。在這方面，美國、日本、歐洲走在了前面。它們之間既有合作也有競爭，共同促進(jìn)了世界光通信的發(fā)展。</p><p><b>　　(1)國外發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　1945年, Arthur Clarke在無線

29、電世界上的發(fā)表了一篇文章,提出了在衛(wèi)星間進(jìn)行光通信的設(shè)想。由于受器件的限制, 直到70年代初期才由美國開始進(jìn)行自由空間光通信系統(tǒng)的研究, 在70年代末設(shè)計(jì)出了世界上第一個(gè)光學(xué)空間通信實(shí)驗(yàn)終端。此后,日本、歐洲等各國紛紛開展了這方面的研究。在衛(wèi)星光通信的研究初期, 由于相應(yīng)的元器件技術(shù)發(fā)展水平有限, 激光光源和PAT裝置等的體積、質(zhì)量和功耗都較大, 不能滿足在空間環(huán)境運(yùn)行的需要。近些年來, 隨著半導(dǎo)體技術(shù)、探測技術(shù)、光學(xué)元件技術(shù)、控制技術(shù)

30、和材料技術(shù)等的發(fā)展, 各國已逐漸從衛(wèi)星光通信的地面模擬實(shí)驗(yàn)走向了空間實(shí)驗(yàn)。我們有理由相信,不久后衛(wèi)星光通信將進(jìn)入實(shí)用的商業(yè)化發(fā)展階段。</p><p>　　美國TRW 公司研制的新技術(shù)演示驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星GEOLITE已于2001年5月18日在肯尼迪航天中心利用Boeing Delta II 型火箭成功發(fā)射, 星上裝有激光通信有效載荷, 將進(jìn)行衛(wèi)星光通信的空間實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　歐洲空

31、間局(ESA)于1977年正式開展了高數(shù)據(jù)率空間激光鏈路研究。在1987 年至1992年期間, ESA實(shí)施了有效載荷及模擬和實(shí)驗(yàn)的PSDE計(jì)劃。近些年, ESA 還研制了小光學(xué)用戶終端SOUT、甚小光學(xué)用戶終端VSOUT以及高級(jí)激光通信終端ALCT 。此外, 一些歐洲國家除了在ESA的框架下進(jìn)行衛(wèi)星光通信研究外, 還有著自己的衛(wèi)星光通信研究計(jì)劃。例如, 德國自行發(fā)展了高數(shù)據(jù)率星間通信系統(tǒng)SOLACOS, 該項(xiàng)計(jì)劃從1989年開始實(shí)施,目

32、前正在進(jìn)行地面模擬實(shí)驗(yàn)。</p><p>　　日本在上世紀(jì)80年代中期開始衛(wèi)星光通信的研究工作。主要有郵政省的通信研究室(CRL) 、宇宙開發(fā)事業(yè)團(tuán)(NASDA)及高級(jí)長途通信研究所(ATR)的光學(xué)及無線電通信研究室進(jìn)行此方面的研究工作。</p><p>　　俄羅斯也在衛(wèi)星光通信方面一直進(jìn)行著研究,但對(duì)此甚為保密, 雖然有個(gè)別對(duì)衛(wèi)星光通信器件的研究文獻(xiàn), 但難以得到光通信系統(tǒng)研究方面的詳細(xì)

33、資料。俄羅斯位于伏龍芝的 NPO“ Zarya” 研究與生產(chǎn)聯(lián)合體曾透漏該單位已進(jìn)行了衛(wèi)星光通信的理論和實(shí)驗(yàn)研究, 并取得了令人滿意的結(jié)果。在可得到的公開發(fā)表的文獻(xiàn)中, 可以看出俄羅斯對(duì)衛(wèi)星光通信器件的技術(shù)進(jìn)行了研究 。 </p><p><b>　　(2)國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　國內(nèi)自上世紀(jì)70年代初就開始了無線光通信單元技術(shù)及通信系統(tǒng)的研究, 先

34、后對(duì)He- Ne激光、CO2激光及半導(dǎo)體激光等方面進(jìn)行了研究, 但均受到各種條件限制未有具體應(yīng)用場合。直到90年代初期才開始了以衛(wèi)星通信為背景的衛(wèi)星光通信技術(shù)研究, 主要進(jìn)行研究的單位有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京大學(xué)和電子科技大學(xué)。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)“八五”期間對(duì)衛(wèi)星光通信技術(shù)進(jìn)行了調(diào)研和跟蹤, 分析了衛(wèi)星光通信今后的發(fā)展趨勢(shì)?！熬盼?quot; 期間, 先后承擔(dān)了多項(xiàng)空間光通信技術(shù)研究項(xiàng)目, 對(duì)衛(wèi)星

35、光通訊系統(tǒng)基本概念, 信號(hào)傳輸基本系統(tǒng)等多方面進(jìn)行了深入研究。在"九五" 期間, 研制了兩套衛(wèi)星光通信模擬實(shí)驗(yàn)終端, 初步進(jìn)行了衛(wèi)星光通信模擬實(shí)驗(yàn), 這些工作為衛(wèi)星光通信的空間演示驗(yàn)證系統(tǒng)研制和實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星光通信實(shí)驗(yàn)打下了基礎(chǔ),標(biāo)志著我國的衛(wèi)星光通信研究可以向空間試驗(yàn)階段邁進(jìn)。</p><p>　　電子科技大學(xué)從1975年便開始了研究激光大氣通信理論、技術(shù)與系統(tǒng)并跟蹤國際技術(shù) 。這些工作是以實(shí)現(xiàn)地

36、——地之間大氣傳輸光通信為應(yīng)用背景?！熬盼濉?期間, 電子科技大學(xué)在激光大氣通信研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行了衛(wèi)星光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤技術(shù)研究 。</p><p>　　“八五”期間北京大學(xué)致力于新型原子濾波器的研究, 為實(shí)現(xiàn)強(qiáng)背景干擾(強(qiáng)太陽光背景和水下散射)情況下的光通信技術(shù)提供了關(guān)鍵技術(shù)?！熬盼濉逼陂g, 北京大學(xué)將其應(yīng)用到衛(wèi)星光通信瞄準(zhǔn)捕獲跟蹤系統(tǒng)的研究 提出了利用原子濾波器的多峰特性克服多普勒頻移影響, 進(jìn)而可以增大捕獲

37、的視閾。</p><p>　　1.2 本文采取的研究路線</p><p>　　對(duì)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的概念及發(fā)展歷程進(jìn)行了簡單介紹，對(duì)非球面光學(xué)零件的應(yīng)用進(jìn)行了簡要介紹，對(duì)各種常見的光學(xué)天線就結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。</p><p>　　對(duì)卡塞格倫天線的主鏡、次鏡各自的參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了分析，對(duì)卡塞格倫天線離焦對(duì)天線發(fā)散角的影響、增益及準(zhǔn)直特性展開了討論，學(xué)會(huì)運(yùn)

38、用Zemax對(duì)天線的成像質(zhì)量進(jìn)行了分析，給出了系統(tǒng)經(jīng)優(yōu)化后的。</p><p>　　分析光學(xué)隔離系統(tǒng)中分色鏡、分束鏡、濾波片的設(shè)計(jì)原理。對(duì)各個(gè)光學(xué)元件的材料和鍍膜進(jìn)行了合理選擇。運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件Zemax仿真了收發(fā)合一的光學(xué)天線系統(tǒng)，它包括發(fā)射通道、接收通道和實(shí)驗(yàn)通道。</p><p>　　對(duì)系統(tǒng)的波像差、放大倍數(shù)及傳輸效率進(jìn)行了測試對(duì)系統(tǒng)的成像質(zhì)量、光束發(fā)散損耗進(jìn)行了分析。通過對(duì)光學(xué)天線系統(tǒng)

39、偏軸的建模，得出了功率衰減曲線。將仿真曲線與功率測試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合就可判斷出軸偏離程度，再調(diào)整系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)光軸的精確對(duì)準(zhǔn)。</p><p>　　1.3 空間光通信的主要技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　(1)了解反射式成像系統(tǒng)的工作原理</p><p>　　(2)空間光通信光學(xué)系統(tǒng)，擴(kuò)束比不小于1:10</p><p>　　(3)掌握ZEMAX軟件&

40、lt;/p><p>　　第2章 空間光通信中光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理</p><p>　　2.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)概述</p><p>　　隨著科技的飛速發(fā)展，光學(xué)儀器已普遍應(yīng)用在社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域。光學(xué)系統(tǒng)作為光學(xué)儀器的核心部分，其像質(zhì)的優(yōu)劣決定了光學(xué)儀器整體質(zhì)量的好壞。然而，一個(gè)好的光學(xué)系統(tǒng)是靠好的光學(xué)設(shè)計(jì)去實(shí)現(xiàn)的。所以，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)各種光學(xué)儀器的基礎(chǔ)。所謂的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

41、，就是根據(jù)儀器所提出的使用要求，來確定滿足各種使用要求的數(shù)據(jù)，即設(shè)計(jì)出光學(xué)系統(tǒng)的外形體積、重量、性能參數(shù)和各光組的結(jié)構(gòu)等。</p><p>　　2.1.1 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的發(fā)展概況</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)是20世紀(jì)發(fā)展起來的一門學(xué)科，至今已經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程。最初生產(chǎn)的光學(xué)儀器是利用人們直接磨制的各種透鏡，并把它們按不同情況進(jìn)行組合，找出成像質(zhì)量比較好的結(jié)構(gòu)。但這需要花費(fèi)很長的時(shí)

42、間、人力和物力，而且未必能找到滿意的結(jié)構(gòu)。所以，后來便用計(jì)算的方法代替這過程，即利用“光路計(jì)算”或“像差計(jì)算”來確定光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)。與實(shí)際制作透鏡相比，這當(dāng)然是一個(gè)很大的進(jìn)步，但這樣的方法仍然不能滿足光學(xué)儀器生產(chǎn)的需要。因?yàn)楣鈱W(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與像差之間的關(guān)系相當(dāng)復(fù)雜，要找到一個(gè)理想的結(jié)果，需要經(jīng)過長期的計(jì)算過程。</p><p>　　由于上述的方法仍然不能滿足要求，這就促使人們尋找新的方法和工具。隨著電子計(jì)算

43、機(jī)的出現(xiàn)，不僅是光學(xué)設(shè)計(jì)人員從繁重的手工計(jì)算中解放了出來，更為重要的是，在光學(xué)設(shè)計(jì)中，除了可以利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行像差計(jì)算，運(yùn)用自動(dòng)設(shè)計(jì)程序外，還可以讓計(jì)算機(jī)代替人做分析像差和自動(dòng)修正結(jié)構(gòu)參數(shù)的工作，這就是“像差自動(dòng)校正”或“自動(dòng)設(shè)計(jì)”。這大大加快了設(shè)計(jì)過程和保證了更高質(zhì)量的光學(xué)儀器的面世。</p><p>　　由綜上所述可得，光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了人工設(shè)計(jì)和光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，實(shí)現(xiàn)了由手工計(jì)算像差、人工修改結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行

44、設(shè)計(jì)，到使用電子計(jì)算機(jī)和光學(xué)自動(dòng)設(shè)計(jì)程序進(jìn)行設(shè)計(jì)的巨大飛躍。</p><p>　　2.1.2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過程</p><p>　　(1) 根據(jù)使用要求制定合理的技術(shù)指標(biāo)。從光學(xué)系統(tǒng)對(duì)使用要求滿足程度出發(fā)，制定光學(xué)系統(tǒng)合理的技術(shù)指標(biāo)。</p><p>　　(2) 光學(xué)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)。這過程的核心是確定光學(xué)原理方案和外形尺寸計(jì)算，一般都按理想光學(xué)系統(tǒng)的理論和計(jì)算公式進(jìn)

45、行外形尺寸計(jì)算。</p><p>　　(3) 光學(xué)部件的設(shè)計(jì)。一般包括選型、確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)和像差校正三個(gè)階段。</p><p>　　(4)長光路的拼接和統(tǒng)算。以總體設(shè)計(jì)為依據(jù)，以像差評(píng)價(jià)為準(zhǔn)繩，來進(jìn)行長光路的拼接和統(tǒng)算。若結(jié)果不合理，則應(yīng)反復(fù)計(jì)算并調(diào)整各光組的位置和結(jié)構(gòu)，直到達(dá)到預(yù)期目標(biāo)為止。</p><p>　　2.1.3 光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的確定方法 </

46、p><p>　　當(dāng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的選型完成后，就需要按照設(shè)計(jì)要求確定系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。在現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，常用逐步修改法和代數(shù)法來確定初始結(jié)構(gòu)。</p><p><b>　　(1)逐步修改法</b></p><p>　　逐步修改法指從專利文獻(xiàn)中選擇一些光學(xué)特性與所設(shè)計(jì)的光學(xué)系統(tǒng)盡可能接近的結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，然后按照系統(tǒng)的成像要求，不斷進(jìn)行修改，直到滿足

47、要求為止。</p><p><b>　　(2)代數(shù)法</b></p><p>　　代數(shù)法又稱解析法，指的是根據(jù)初級(jí)像差理論求解滿足成像質(zhì)量要求的初始結(jié)構(gòu)的方法。因此，我選用代數(shù)法來確定光學(xué)天線系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，并利用軟件 Zemax 對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，優(yōu)化出一個(gè)滿足系統(tǒng)成像質(zhì)量要求的光學(xué)天線系統(tǒng)。</p><p>　　2.1.4 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟

48、件</p><p>　　常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有兩類，一種用于設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，另一種用于設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)。常用的照明設(shè)計(jì)軟件有Lightools、Tracepro和ASAP，成像設(shè)計(jì)軟件有 Codev、Zemax和Oslo。</p><p>　　Zemax 具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)不僅可以用于設(shè)計(jì)光學(xué)成像組件，還可以用于照明系統(tǒng)的照度分析；(2)有多個(gè)版本：標(biāo)準(zhǔn)版(SE)，完整版(XE)，專業(yè)版(EE)

49、，滿足多方面的需要；(3)既能進(jìn)行序列性(Sequential)光線追跡，也能進(jìn)行非序列性(Non-Sequential)光線追跡。Zemax功能齊全，從簡單的繪圖一直到優(yōu)化和公差分析皆可達(dá)成。包括數(shù)個(gè)系統(tǒng)繪圖(layouts)類型、匯出CAD格式的表面信息功能、光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)圖、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point spread function，PSF)圖、點(diǎn)列圖(spot d

50、iagrams)、光程差圖、光扇圖(ray fan)、場曲和畸變曲線圖、像差計(jì)算(塞德和澤尼克)、極化描光以及波前傳播工具。</p><p>　　2.2 非球面光學(xué)零件理論</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中用到的表面除了球面就是非球面，平面可以看作曲率半徑無窮大的球面。非球面可以定義為與球面有偏差的表面。非球面光學(xué)元件就是與球面有偏差的光學(xué)表面構(gòu)成的光學(xué)零件。下面主要對(duì)非球面光學(xué)零件的應(yīng)

51、用和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行介紹。</p><p>　　2.2.1 非球面光學(xué)零件的應(yīng)用</p><p>　　非球面光學(xué)零件除了應(yīng)用于天文望遠(yuǎn)鏡外，還應(yīng)用于以下幾方面：</p><p>　　(1) 宇宙觀測、天文及攝影系統(tǒng)中望遠(yuǎn)鏡的反射鏡、施密特相機(jī)的校正版等。</p><p>　　(2) 照相、攝影系統(tǒng)中的大口徑透鏡、廣角鏡頭、變焦鏡頭、魚眼透鏡等。&

52、lt;/p><p>　　(3) 紅外成像系統(tǒng)中的紅外熱像儀、溫度記錄器、放射溫度計(jì)等。</p><p>　　(4) 激光光學(xué)系統(tǒng)中的高功率加工裝置、激光干涉儀、核聚變激光聚焦鏡頭等。</p><p>　　(5) 肉眼觀察用的放大鏡、各種觀察裝置等。</p><p>　　(6) 在軍事上，主要用于軍用激光裝置、微光夜視眼鏡、紅外線掃描相機(jī)、熱成像裝

53、置、導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、武器瞄準(zhǔn)器、武裝直升機(jī)觀察、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)等。</p><p>　　2.2.2 二次曲面的數(shù)學(xué)表達(dá)式及光學(xué)性質(zhì)</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)中使用的非球面有以下三類：(1)軸對(duì)稱非球面；(2)具有兩個(gè)對(duì)稱面的非球面；(3)無對(duì)稱性的自由表面。</p><p>　　二次曲面是以二次曲線繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)而成的曲面。最常用也是最方便的二次曲線表達(dá)式為</p

54、><p><b>　　(2-1) </b></p><p>　　其中，R0是二次曲線頂點(diǎn)的曲率半徑，是二次曲線頂點(diǎn)的偏心率的平方，也就是形狀參數(shù)。若R0保持不變，不同的所對(duì)應(yīng)的二次曲線如圖2-1所示，可以分為五種，分別為扁橢圓(< 0)、圓(= 0)、橢圓(0 << 1)、物線(= 1)、雙曲線(> 1)。由圖2-1可得，無論哪種曲線，其直角坐標(biāo)系

55、的頂點(diǎn)都在曲線的頂點(diǎn)處。將它們繞光軸旋轉(zhuǎn)，就得到相應(yīng)的扁球面、球面、橢球面、拋物面、雙曲面。</p><p>　　圖 2-1 二次曲線</p><p>　　凸橢球面 凹橢球面</p><p>　　凸拋物面 凹拋物面 凹扁球面<

56、;/p><p>　　凸雙曲面 凹雙曲面 </p><p>　　圖 2-2 反射式二次曲面的光學(xué)特征</p><p>　　二次曲面鏡既可以作反射鏡使用，也可以作透鏡使用。但是在經(jīng)典的卡塞格倫天線系統(tǒng)中，其主鏡和副鏡均是采用二次曲面鏡作反射鏡。所以，下面將對(duì)二次曲面鏡用作反射鏡的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行介紹。</p

57、><p>　　二次曲面鏡用作反射鏡時(shí)，具有如圖2-2所示的光學(xué)特性。二次曲面鏡都有兩個(gè)無相差點(diǎn)F1 和F2 ，它們之間是等光程的，若在一個(gè)點(diǎn)上放置點(diǎn)光源，則經(jīng)二次曲面鏡反射后，可在另一點(diǎn)得到點(diǎn)光源的完善的像。即光線以任何角度入射在該反射面上都不會(huì)產(chǎn)生像差。扁球面和橢球面的兩個(gè)無像差點(diǎn)是它們的兩個(gè)焦點(diǎn)F1，F(xiàn)2 ；球面的兩個(gè)無像差點(diǎn)重合在一起，是球心；拋物面的兩個(gè)無像差點(diǎn)一個(gè)在R0/2處，另一個(gè)在無窮遠(yuǎn)處；雙曲面的兩個(gè)

58、無像差點(diǎn)一個(gè)在左焦點(diǎn)處，另一個(gè)在右焦點(diǎn)處。</p><p><b>　　2.3 光學(xué)天線</b></p><p>　　光學(xué)天線主要包括發(fā)射光學(xué)天線和接收光學(xué)天線，它是空間光通信系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)射天線的作用是對(duì)光束進(jìn)行壓縮，增大激光束的光腰半徑；接收天線的功能是壓縮接收視野，增大接收面積，減少背景光干擾。實(shí)際上光學(xué)天線相當(dāng)于一個(gè)能接收自由空間某波長目標(biāo)光微弱輻射的

59、物鏡。它主要包括有透射式光學(xué)天線、反射式光學(xué)天線。</p><p>　　2.3.1 透射式光學(xué)天線</p><p>　　透射式望遠(yuǎn)鏡光學(xué)天線既可作發(fā)射光學(xué)天線，又可作接收光學(xué)天線。它的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)分為伽利略型和開普勒型兩種。</p><p><b>　　(1)伽利略望遠(yuǎn)鏡</b></p><p>　　如圖2-3所示，由正光焦

60、度的物鏡和負(fù)光焦度的目鏡組成。因?yàn)樗枪蔡摻裹c(diǎn)，其軸向間距為正透鏡與負(fù)透鏡焦距絕對(duì)值之差，所以整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)軸向尺寸較小。其突出優(yōu)點(diǎn)是共有虛焦點(diǎn)，可避免采用正透鏡匯聚而引起的強(qiáng)光效應(yīng)和對(duì)目鏡的破壞，從而提高了能量的利用率。</p><p>　　圖 2-3 伽利略望遠(yuǎn)鏡光學(xué)天線</p><p>　　圖 2-4 開普勒望遠(yuǎn)鏡光學(xué)天線</p><p><b>　　

61、(2)開普勒望遠(yuǎn)鏡</b></p><p>　　如圖2-4所示，由具有正光焦度的物鏡和目鏡組成，中間有聚焦點(diǎn)，加小孔光闌，使光束的高斯型光強(qiáng)分布的峰值部分通過。</p><p>　　透射式望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是制作簡單，缺點(diǎn)是口徑不能太大，大口徑物鏡的制造工藝和玻璃熔煉較困難，且裝配后其面型的精度也難以保證。</p><p>　　2.3.2 反射式光學(xué)天線<

62、;/p><p>　　反射式光學(xué)天線對(duì)光能量吸收損耗很小，因而星間光通信系統(tǒng)中大都采用反射式光學(xué)天線。它主要有格里高利型光學(xué)天線、牛頓型光學(xué)天線和卡塞格倫光學(xué)天線三種形式。</p><p>　　(1)格里高利型光學(xué)天線</p><p>　　如圖2-5所示，它由拋物面主鏡、位于主鏡焦點(diǎn)之外的旋轉(zhuǎn)橢球面次鏡和透鏡構(gòu)成，其拋物面主鏡焦點(diǎn)和橢球面次鏡的一個(gè)焦點(diǎn)重合，成像于主鏡前方

63、的遠(yuǎn)側(cè)焦點(diǎn)處。</p><p>　　(2)牛頓型光學(xué)天線</p><p>　　如圖2-6所示，其原理是使用一個(gè)彎曲的鏡面將光線反射到一個(gè)焦點(diǎn)之上，使其放大倍數(shù)大大增加，并且采用球面反射鏡作為主鏡。</p><p>　　(3)卡塞格倫光學(xué)天線</p><p>　　如圖2-7所示，它由拋物面主鏡、拋物面或雙曲面次鏡和透鏡構(gòu)成，其內(nèi)側(cè)焦點(diǎn)與主鏡焦點(diǎn)

64、重合，成像于主鏡后方的外側(cè)焦點(diǎn)處?？ㄈ駛愊到y(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：口徑大；無色差；可用波段范圍寬；采用非球面鏡后，有較大的消像差能力，光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，像質(zhì)優(yōu)良。其不足之處是：不易得到較大的視場。 </p><p>　　圖 2-5 格里高利光學(xué)天線</p><p>　　圖 2-6牛頓型光學(xué)天線</p><p>　　圖 2-7 卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡光學(xué)天線</p>&

65、lt;p>　　2.3.3 自由空間的傳輸損耗</p><p>　　電磁波輻射理論指出，一個(gè)全向點(diǎn)源輻射的電磁波在空間中傳播時(shí)，其空間損耗 與距離的平方成正比，與波長的平方成反比，以dB為單位，則有</p><p><b>　　(2-2) </b></p><p>　　式中 為傳輸損耗，z為傳播距離，為光通信系統(tǒng)工作波長。</p>

66、;<p>　　2.3.4 光學(xué)天線的增益</p><p>　　光學(xué)天線理論研究表明天線的增益與其口徑的平方成正比，與工作波長的平方成反比，即得到天線增益：</p><p><b>　　(2-3)</b></p><p>　　單位為 dB；D為光學(xué)天線的口徑，為工作波長。為天線效率。</p><p>　　2.

67、3.5 光學(xué)天線類型選擇</p><p>　　天線的孔徑直接影響著天線的增益，孔徑越大，增益越大，因此從提高天線增益的角度來說，衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的天線孔徑應(yīng)當(dāng)選取大一些。但是，孔徑增大，天線的體積、重量也相應(yīng)增加，會(huì)增加ATP系統(tǒng)的難度，故星上天線孔徑也不能過大。一般衛(wèi)星光通信系統(tǒng)的星上天線孔徑在15cm～25cm左右。</p><p>　　在星間激光通信系統(tǒng)中，選擇天線類型時(shí)的出發(fā)點(diǎn)包括：

68、(1)光能損失小，效率高，增益足夠大(2)便于光路設(shè)計(jì)(3)重量要輕(4)工作可靠性要高(5)工藝成熟，加工精度容易保證。故本論文將采用卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)。</p><p>　　2.3.6 光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求</p><p>　　光學(xué)天線系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)要求如下：</p><p>　　(1) 光學(xué)天線有較大的入瞳直徑，以便能最大限度地收集來自光源的信號(hào)。</p

69、><p>　　(2) 天線的成像質(zhì)量高，斯特列爾比(Strehl Ratio)大于0.8。</p><p>　　(3) 天線主、次鏡反射率大于95%，透鏡透射率大于90%。</p><p>　　(4) 光學(xué)主天線(卡塞格倫天線)具有低的遮擋率，小于0.4。</p><p>　　(5) 系統(tǒng)中所有的光學(xué)零件采用的材料質(zhì)量輕，熱膨脹系數(shù)小，穩(wěn)定性高，

70、使用壽命長。</p><p>　　第3章 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能分析</p><p>　　3.1 卡塞格倫天線子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)理論分析</p><p>　　3.1.1 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的鏡面組合</p><p>　　本系統(tǒng)中的卡塞格倫光學(xué)天線采用拋物面鏡作主鏡，雙曲面鏡作次鏡，且拋物面與雙曲面共焦。下面將對(duì)拋物面鏡和雙曲面鏡的方程及參

71、數(shù)進(jìn)行介紹。</p><p>　　將用方程和表示的拋物線及雙曲線繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)一周即可形成旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面，它們分別滿足以下關(guān)系</p><p><b>　　(3-1)</b></p><p><b>　　(3-2)</b></p><p>　　其中，f為拋物線焦距，R為兩種曲線的曲率半徑，e

72、為兩種曲線的曲率，為雙曲線的實(shí)軸，為雙曲線的虛軸，2為雙曲線焦距。</p><p>　　根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和課題要求，確定以下技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　(1) 光源波段為：1550nm±15nm。</p><p>　　(2) 天線形式：卡塞格倫天線，主、次鏡均為非球面鏡。</p><p>　　(3) 主鏡口徑 為 150mm

73、，次鏡口徑 為 30mm。</p><p>　　(4) 天線效率≥70%。</p><p>　　3.1.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定 </p><p>　　設(shè)主鏡的曲線方程為:, 副鏡曲線方程 其中d 表示兩曲線頂點(diǎn)間距。設(shè)主鏡口徑為D1，次鏡口徑為D2，次鏡的放大倍數(shù)為M ，為次鏡對(duì)主鏡的遮擋率，次鏡左焦距為f1，右焦距為 f2,L1為焦點(diǎn)伸出量。如圖3

74、-1所示，當(dāng)從次鏡左焦點(diǎn)發(fā)出的光線射到次鏡上，經(jīng)次鏡、主鏡反射后，出射光將以平行光發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)的這一特性及設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，下面通過光線追跡來構(gòu)建理論模型，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。</p><p>　　根據(jù)幾何光學(xué)理論，次鏡滿足</p><p><b>　　(3-3) </b></p><p>　　對(duì)于主鏡，以下關(guān)系式成立：</p&

75、gt;<p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　圖 3-1 卡塞格倫發(fā)射天線光路圖</p><p>　　次鏡的放大率也可以用下式表示：,將此式與式（3-3）結(jié)合推出：</p><p><b>　　(3-5)</b></p><p>　　ΔF2AO2與ΔF2BO1為相似

76、三角形，，將 代入得 </p><p><b>　　(3-6) </b></p><p>　　在直角ΔF1AO2中，, 兩鏡頂點(diǎn)間距。 </p><p>　　設(shè)入射光線Ⅰ的方程為, 由入射光線和次鏡方程</p><p><b>　　(3-7)</b></p><

77、;p>　　可解得光線與副鏡面的交點(diǎn)坐標(biāo) . 設(shè)在點(diǎn) 的切線斜率為 則可求出</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　因此，切線與主軸正向夾角為 . 由反射定律，可得在點(diǎn) A 處入射角 </p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　由上圖的幾何

78、關(guān)系，可得反射光線Ⅱ的反向延長線與主軸的夾角</p><p><b>　　(3-10)</b></p><p>　　因此，可得到反射光線的斜率, 由反射光線的方程和主鏡拋物線方程</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　同樣地可以解得反射光線與主鏡面的交點(diǎn)坐標(biāo)B(z2,

79、y2)</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　根據(jù)前面的理論分析和天線技術(shù)指標(biāo)要求，并運(yùn)用先進(jìn)的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，得到如下所示的結(jié)構(gòu)參數(shù)和三維仿真圖。</p><p>　　表 3-1 卡塞格倫天線子

80、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)</p><p>　　圖 3-2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的三維仿真圖</p><p>　　3.1.3 卡塞格倫天線子系統(tǒng)離焦對(duì)天線準(zhǔn)直的影響</p><p>　　圖 3-3 發(fā)射角與I1 的關(guān)系</p><p>　　圖3-3為發(fā)散角與焦點(diǎn)伸出量及入射角的關(guān)系圖。圖3-4所示為隨著發(fā)散角的增大，從主鏡出來的光線將不再與光軸平行。<

81、/p><p>　　在加工和調(diào)試過程中，應(yīng)采取措施以保證光源經(jīng)過系統(tǒng)前面的光學(xué)器件后,到達(dá)卡塞格倫天線時(shí)剛好匯聚在次鏡的左焦點(diǎn)處。</p><p>　　圖 3-4 發(fā)射天線的光線追跡圖</p><p>　　3.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)性能分析</p><p>　　3.2.1卡塞格倫天線子系統(tǒng)的準(zhǔn)直特性</p><p>　　圖

82、3-7 卡塞格倫發(fā)射天線對(duì)高斯光束的準(zhǔn)直示意圖</p><p>　　光束Ⅰ經(jīng)次鏡變換等效為透鏡放大鏡系統(tǒng)變換。它的束腰位于左焦點(diǎn) 時(shí)，光束Ⅱ的束腰在右焦點(diǎn)，有：</p><p><b>　　(3-22)</b></p><p>　　由矩陣光學(xué)可知，當(dāng)光束Ⅱ變換為光束Ⅲ時(shí)，其變換矩陣為</p><p>　　(3-23)

83、其中,L1 是光束Ⅰ的束腰到次鏡頂點(diǎn)的距離，而L2為光束Ⅱ的束腰到主鏡頂點(diǎn)的距離,L3為光束Ⅲ的束腰到主鏡頂點(diǎn)的距離。根據(jù)高斯光束變換的ABCD定律，光束Ⅱ和光束Ⅲ的參數(shù)滿足關(guān)系式</p><p><b>　　(3-24)</b></p><p>　　由于光束Ⅱ和光束Ⅲ的束腰所在面的曲率半徑 R ( z )→∞ ，所以它們的q參數(shù)分別為</p><

84、p><b>　　(3-25)</b></p><p><b>　　(3-26)</b></p><p>　　將式(3-23)、(3-25)、(3-26)中的各參數(shù)值代入上式(3-24)中，經(jīng)推導(dǎo)可得</p><p><b>　　(3-27)</b></p><p><

85、;b>　　(3-28)</b></p><p>　　當(dāng) = f時(shí)，由上面兩式可得</p><p><b>　　(3-29)</b></p><p><b>　　(3-30)</b></p><p>　　即光束Ⅲ的束腰與光束Ⅱ的束腰位置是重合的。由于基膜高斯光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角 =

86、2λ /(π )，因此得到：</p><p><b>　　(3-31)</b></p><p>　　由以上分析可得：卡塞格倫天線將輻射波束的腰部放大了倍，而使遠(yuǎn)場發(fā)散角縮小為原來的.</p><p>　　3.2.2 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的成像質(zhì)量分析</p><p>　　常用的評(píng)價(jià)方法有：點(diǎn)列圖、瑞利判斷、斯特列爾(Str

87、ehl)判斷，點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(PSF)、光學(xué)傳遞函數(shù)(MTF)、波像差、場曲和畸變曲線等。</p><p>　　圖 3-8 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的PSF</p><p>　　圖 3-9 卡塞格倫天線子系統(tǒng)的MTF</p><p>　　由圖3-8可知，系統(tǒng)焦平面上所成的像的強(qiáng)度大，光斑中心能量得到了很大程度的集中。由圖3-9可知，三個(gè)視場(軸上、0.6度和1.0度)的子午和

88、弧矢方向的MTF曲線都接近于衍射極限下的MTF曲線。從以上的分析可得：系統(tǒng)焦平面成像達(dá)到了衍射極限，像差較小，場曲和畸變經(jīng)優(yōu)化后得到了大幅度的矯正。</p><p>　　第4章 光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p>　　發(fā)射端光學(xué)天線的作用是將光源的發(fā)散角壓縮后再通過發(fā)射望遠(yuǎn)鏡進(jìn)一步準(zhǔn)直。接收端光學(xué)天線的作用是將接收到的空間激光信號(hào)收集并匯聚到光接收器件的有效接收表面。</p>

89、<p>　　4.1 光學(xué)天線系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　本課題設(shè)計(jì)的光學(xué)天線系統(tǒng)主要包括：卡塞格倫天線子系統(tǒng)、預(yù)準(zhǔn)直透鏡組、中繼光學(xué)系統(tǒng)等。</p><p>　　圖4-1 光學(xué)天線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　根據(jù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)理論和課題要求，確定以下技術(shù)指標(biāo)：</p><p>　　(1)卡塞格倫天線主、次鏡均為非球面鏡

90、，主鏡孔徑D1 =150mm，次鏡D2= 30mm。</p><p>　　(2) 光學(xué)天線波像差：≤ 0.05λ。</p><p>　　(3) 接收系統(tǒng)中，光束經(jīng)主、次鏡及準(zhǔn)直鏡后，光束寬為 6mm~8mm。</p><p>　　(4) 天線放大倍數(shù)：≥ 20倍。</p><p>　　(5) 光學(xué)天線效率：≥70％。</p>&

91、lt;p>　　4.2 光學(xué)材料的選擇</p><p>　　4.2.1 增透膜選擇</p><p>　　在空氣中使用的單層增透膜必須滿足兩條準(zhǔn)則：(1)膜層材料的折射率必須等于被鍍光學(xué)材料折射率的平方根；(2)膜層的光學(xué)厚度必須等于1/4 波長的整數(shù)倍，光學(xué)厚度是膜層折射率和實(shí)際厚度的乘積。常用的增透膜有三氧化二鋁(Al2O3)、氟化鎂(MaF2)、氟化鈣(Caf2 )、二氧化硅(Si

92、O2) 等，各材料的特性如下所示：</p><p>　　表4-1 常用增透膜材料的特性</p><p>　　然而，由于能夠用作增透膜的材料有限以及鍍膜工藝問題，在實(shí)際應(yīng)用中，往往選用多層增透膜來提高產(chǎn)品的性能。由于選用的玻璃是K9和ZF2，所以根據(jù)上面的分析以及與加工單位的協(xié)商，選用氟化鈣(Caf2)和氟化鎂(MaF2) 作為增透膜。</p><p>　　4.2.2

93、 增反膜的選用</p><p>　　增反膜的功能是增加光學(xué)表面的反射率，在光學(xué)零件上應(yīng)用的一般有三大類：金屬增反膜、金屬-電介質(zhì)增反膜和全電介質(zhì)增反膜。常用的保護(hù)膜材料有一氧化硅、氟化鎂、二氧化硅、三氧化二鋁等。根據(jù)與加工單位的協(xié)商，選用三氧化二鋁作為保護(hù)膜。</p><p>　　4.3 分色鏡和分束鏡設(shè)計(jì)</p><p>　　分色鏡一種專用的鏡片，能反射某種色光，

94、而透過其他色光。在本系統(tǒng)中，用來實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)射的激光和接收回波光之間的收發(fā)隔離。</p><p>　　分束鏡主要用于將入射光束分成具有一定光強(qiáng)比的透射與反射兩束光。有固定分束比分束鏡和可變分束比分束鏡兩類。可變分束比分束鏡又有階躍和連續(xù)暫變之分。</p><p><b>　　4.4 濾波片設(shè)計(jì)</b></p><p>　　濾波片是用來進(jìn)行波長選擇的

95、儀器，它的作用是抑制背景光，將系統(tǒng)接收到的背景噪聲進(jìn)行有效地濾除，提高接收系統(tǒng)的信噪比。在接收系統(tǒng)準(zhǔn)直透鏡組后加入帶通型濾波片，基片采用K9光學(xué)玻璃，鍍1550nm帶通膜。</p><p>　　4.5 光學(xué)天線小型化系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真</p><p>　　光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)則是：只要可以滿足成像質(zhì)量要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)越簡單越好。發(fā)射光與接收光利用分色鏡隔離，本系統(tǒng)有三條通道：發(fā)射通道、實(shí)驗(yàn)通道和接

96、收通道。下圖為接收光學(xué)天線系統(tǒng)的三維仿真圖，發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)圖與其類似。</p><p>　　圖4-2 接收光學(xué)天線系統(tǒng)的三維仿真圖</p><p>　　在發(fā)射光學(xué)天線系統(tǒng)中，光源是由中心波長為1550nm光纖激光器提供，用FC/PC光纖接入。激光束經(jīng)全反射鏡反射到達(dá)分色鏡，分色鏡仍然對(duì)光束進(jìn)行反射。經(jīng)雙分離透鏡透射后出來的光束發(fā)散角將增大，光束將變窄。經(jīng)雙分離透鏡整形過后的光束進(jìn)入收發(fā)

97、合一的卡塞格倫天線，卡塞格倫天線起著壓縮發(fā)散角和擴(kuò)束的作用，次鏡的放大倍數(shù)為4.3倍。經(jīng)卡塞格倫天線后的光束將以高精度準(zhǔn)直方式發(fā)射出去。</p><p>　　在接收光學(xué)天線系統(tǒng)中，激光束先由接收卡塞格倫天線主、次鏡反射后傳到雙分離透鏡，經(jīng)過雙分離透鏡準(zhǔn)直整形和分色鏡透射后的光束發(fā)將變窄，然后凹透鏡再對(duì)光束進(jìn)一步準(zhǔn)直。為了隔離雜散光及背景光，在凹透鏡前插入了一個(gè)濾波片。經(jīng)濾波片和分束鏡后出來的光束將分成兩束光，此時(shí)

98、的光束寬度約7.3mm。透射出的光經(jīng)匯聚后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)通道。而為了實(shí)現(xiàn)耦合透鏡對(duì)入射光的要求（光束寬度小于2mm）和提高系統(tǒng)的成像質(zhì)量，經(jīng)分束鏡反射后的光束先經(jīng)壓縮透鏡組整形后再進(jìn)入耦合透鏡。最后以FC/PC光纖引出，進(jìn)入后面的模塊。</p><p>　　第5章 光學(xué)天線系統(tǒng)的測試及性能分析</p><p>　　5.1.光學(xué)天線系統(tǒng)成像質(zhì)量分析</p><p>　　圖5

99、-1光學(xué)天線系統(tǒng)的PSF</p><p>　　圖5-2光學(xué)天線系統(tǒng)的MTF</p><p>　　由圖5-1可知，系統(tǒng)焦平面上所成的像強(qiáng)度很大，光斑中心能量得到了很大程度上的集中。由圖5-2可知，三個(gè)視場（軸上、0.6度和1度）的子午和弧矢方向的MTF曲線都接近于衍射極限下的MTF曲線。分析可得：系統(tǒng)焦平面成像達(dá)到了衍射極限，與卡塞格倫天線子系統(tǒng)的像質(zhì)比較，光源經(jīng)過整個(gè)系統(tǒng)后的像質(zhì)更優(yōu)劣，這

100、是因?yàn)榻?jīng)過相對(duì)較多的光學(xué)元件后，像差得到了更好的校正。</p><p><b>　　5.2光束發(fā)散損耗</b></p><p>　　激光束經(jīng)發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直以后，光束發(fā)散角一般可達(dá)到mrad量級(jí)。盡管如此，當(dāng)光束傳輸幾千米以后，在遠(yuǎn)場會(huì)形成一個(gè)大的光斑，如果接收天線主鏡的口徑小于此光斑的直徑，接收系統(tǒng)傳播的信號(hào)就不是全部的信號(hào)，探測器就不能接收到全部的信號(hào)光束，即產(chǎn)生

101、光束發(fā)散損耗，從而限制通信距離。設(shè)高斯光束截平面的光強(qiáng)分布如下：</p><p><b>　　(5-1)</b></p><p>　　其中，r 表示截面上任一點(diǎn)到z 軸的距離， 表示在z = L處光斑半徑。根據(jù)高斯光束在空間中的傳播規(guī)律，有</p><p><b>　　(5-2)</b></p><p&

102、gt;　　當(dāng)高斯光束離開束腰很遠(yuǎn)時(shí)，其遠(yuǎn)場發(fā)散角為:</p><p><b>　　(5-3)</b></p><p>　　當(dāng) 時(shí)，L處高斯光束光斑半徑可用下式表示</p><p><b>　　(5-4)</b></p><p>　　假設(shè)接收系統(tǒng)正處于光斑的中心，則接收光功率與接收端光斑功率的比值為：

103、</p><p><b>　　(5-5)</b></p><p>　　其中R為接收天線主鏡的半徑， 表示接收天線接收到的光斑的功率， 表示無損耗時(shí)，接收天線主鏡處光斑功率，若用分貝(dB)表示損耗，則光束發(fā)散損耗為</p><p><b>　　(5-6)</b></p><p>　　圖5-3光束發(fā)散

104、損耗與發(fā)散角及通信距離的關(guān)系</p><p>　　圖5-4光束發(fā)散損耗與接收天線主鏡半徑及通信距離的關(guān)系</p><p>　　從上面兩副圖中可以看出，隨著通信距離、發(fā)散角的增加和接收天線主鏡口徑的減小，由于光束發(fā)散引起的損耗越來越大。但是我們從圖5-4中可以看出，在相同傳輸距離下，當(dāng)接收系統(tǒng)孔徑超過10cm時(shí)，由接收孔徑大小造成的損耗差別很小，并且隨著傳輸距離的增加這種差別會(huì)更小。因此，綜

105、合損耗因素和系統(tǒng)體積因素，接收孔徑一般在10cm～20cm左右。</p><p><b>　　總 結(jié)</b></p><p>　　論文主要研究了光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理及方法，設(shè)計(jì)出一套中心波長1550nm 波段的光學(xué)天線系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行了加工實(shí)現(xiàn)、測試和性能分析。論文的工作主要集中在以下幾個(gè)方面：</p><p>　　(1) 介紹了光學(xué)

106、系統(tǒng)的基礎(chǔ)設(shè)計(jì)理論，對(duì)非球面光學(xué)零件應(yīng)用和光學(xué)特性進(jìn)行了分析。通過對(duì)各種常見光學(xué)天線的結(jié)構(gòu)、成像質(zhì)量和增益的分析，本論文確定在該光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用卡塞格倫天線。</p><p>　　(2)通過對(duì)卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)的建模分析和光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Zemax的應(yīng)用，優(yōu)化設(shè)計(jì)出主鏡和次鏡均為非球面鏡、中心波長為 1550nm、視場角為1°的卡塞格倫光學(xué)天線。對(duì)卡塞格倫天線離焦對(duì)天線發(fā)散角的影響、增益及準(zhǔn)直特性進(jìn)行

107、了詳細(xì)的分析，得出：當(dāng)焦點(diǎn)伸出量 左右移動(dòng)時(shí)，天線發(fā)散角會(huì)逐漸增大，最大有0.0402°；天線的輻射具有極強(qiáng)的方向性，有主瓣和多個(gè)副瓣；天線將輻射波束的腰部放大了倍，而使遠(yuǎn)場發(fā)散角縮小為原來的 。運(yùn)用Zemax對(duì)天線的成像質(zhì)量進(jìn)行了分析，系統(tǒng)焦平面成像達(dá)到了衍射極限。從高斯光學(xué)理論出發(fā)，對(duì)天線的效率進(jìn)行了分析，效率高達(dá)82.74%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。</p><p>　　(3)運(yùn)用設(shè)計(jì)軟件Zemax優(yōu)化

108、設(shè)計(jì)了收發(fā)合一的光學(xué)天線系統(tǒng)，它包括發(fā)射通道、接收通道和實(shí)驗(yàn)通道。為了實(shí)現(xiàn)光學(xué)天線的小型化，發(fā)射和接收通道使用同一主光路。在系統(tǒng)中，利用分色鏡和分束鏡實(shí)現(xiàn)收發(fā)隔離及多光路需求。根據(jù)光學(xué)材料種類及各種增透膜、增反膜的特性，對(duì)各個(gè)光學(xué)元件的材料和鍍膜進(jìn)行了合理選擇。</p><p>　　(4) 利用Zygo干涉儀對(duì)加工的光學(xué)天線系統(tǒng)的波像差進(jìn)行了測試，其波像差均方根(RMS)值為0.046，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)（</2

109、0）要求。并對(duì)系統(tǒng)的傳輸效率進(jìn)行了測試，結(jié)果為71.4%，滿足設(shè)計(jì)要求。分析了系統(tǒng)的成像質(zhì)量、光束發(fā)散損耗。通過對(duì)光學(xué)天線系統(tǒng)偏軸的建模，得出了功率衰減曲線。將仿真曲線與功率測試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合就可判斷出軸偏離程度，再調(diào)整系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)光軸的精確對(duì)準(zhǔn)。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] Motty Gabi, Shlomi Arnon.

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