一種大氣激光通信變f 數跟蹤光學系統設計

［陳進慧 馬擁華 蔣相 楊乾遠］

1 引言

大氣激光通信是以大氣作為信道的一種通信方式，其主要由光學單元，掃描捕獲跟蹤PAT 單元和通信單元組成[1～3]。四象限探測器QD（Quadrant Detector）作為一種跟蹤探測器，其當目標成像不在光軸上時，四個象限上探測器輸出的光電信號幅度不相同，比較四個光電信號的幅度大小就可以知道目標成像在哪個象限上。為保證通信的可靠性通常使用多個QD 來實現大視場和長焦距[4～6]。另一方面CMOS 探測器雖然可以通過開窗和像元細分實現大視場和高分辨率[7～8]，但1 550 nm 波段COMS 相機價格昂貴，體積相對較大[9～10]。

變焦系統通過凸輪轉動實現連續的焦距變化，同時像面不產生移動[11～12]。變焦系統在可見光和紅外成像方面[13～14]，紅外測溫系統中[15～16]。這些系統中均為固定f 數，不同焦距下的入瞳直徑也不相同。在大氣激光通信系統中，孔徑光闌通常為系統第一片透鏡，即入瞳為系統第一片透鏡，而探測器接收光功率隨入瞳直徑增加而增加，為了保證接收光功率不變，需要在改變系統焦距的同時保持入瞳直徑不變。對使用QD 進行跟蹤的大氣激光通信系統而言,固定入瞳直徑，改變f 數是一種更為理想的選擇。

本文設計變f 數跟蹤光學系統，可以實現在焦距連續變化時，保持通光孔徑不變，在小焦距時完成大視場范圍的跟蹤目標，在大焦距時完成小視場范圍、高分辨率的快速跟蹤。

2 系統設計

變焦光學系統要改變焦距，但是每個透鏡一經完成之后，單透鏡焦距是固定不變的，要變焦只能改變各透鏡之間的間隔。……