自由空間光通信光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陳志康,陳姝君,吳駿一,包祖超,魏恒杰

(南京理工大學(xué)紫金學(xué)院 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院,江蘇 南京 210023)

0 引言

自由空間光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是一種以激光為信息媒介,實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ挪呗?被視為現(xiàn)今大容量空間通信領(lǐng)域的關(guān)鍵研究方向[1]。FSO系統(tǒng)擁有大容量、高速率、小體積、輕重量、低功耗、高可靠性、出色的保密性和安全性等特點(diǎn)。在空間通信需求逐年擴(kuò)大的背景下,FSO的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)受到了廣泛關(guān)注。光學(xué)系統(tǒng)作為光通信系統(tǒng)中最基礎(chǔ)且最關(guān)鍵的部分,其設(shè)計(jì)的優(yōu)劣直接影響空間光通信系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo),而光學(xué)天線則是光學(xué)系統(tǒng)的核心。隨著光通信任務(wù)和要求的持續(xù)發(fā)展,光通信系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)射和接收性能的需求越來越高。因此,本研究深入探討了光學(xué)天線系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和方法,對(duì)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和性能分析[2]。

1 光學(xué)天線系統(tǒng)的選擇準(zhǔn)則

在星際激光通信系統(tǒng)中,天線選擇的準(zhǔn)則主要包含以下幾個(gè)方面。(1)高效能與低光損失:為保障通信的順暢,本研究需要選取能量損失小、效率高且增益足夠大的天線。(2)光路設(shè)計(jì)的便利性:星際激光通信需要復(fù)雜的空間光束捕獲跟蹤對(duì)準(zhǔn)ATP(Acquisition, Tracking and Pointing)子系統(tǒng)。因此,本研究需要選取一種容易設(shè)計(jì)復(fù)雜光路的天線類型。(3)輕質(zhì)量:通過降低天線重量,所選擇的光學(xué)天線系統(tǒng)可以提高通信衛(wèi)星的有效載荷,從而降低星際激光通信的成本。(4)高可靠性:光學(xué)天線系統(tǒng)的可靠性能夠直接影響衛(wèi)星的壽命。因此,本研究必須選擇可靠性高的天線。(5)工藝成熟與精度保證:光載波波長(zhǎng)短,而光學(xué)系統(tǒng)要求光學(xué)元件的波前誤差為λ/10～λ/30,對(duì)加工和裝配精度要求極高。簡(jiǎn)單的天線結(jié)構(gòu)和少量的光學(xué)元件可以更好地滿足這些要求,同時(shí)對(duì)加工和裝配精度的敏感性也較低。綜合考慮以上因素,本設(shè)計(jì)選用卡塞格倫天線結(jié)構(gòu)[3]。

2 卡塞格倫系統(tǒng)

在設(shè)計(jì)卡塞格倫天線時(shí),本研究要求信號(hào)以點(diǎn)光源的形式進(jìn)入天線系統(tǒng),以平行光的形式出射。因此,本文需要考慮雙曲面反射鏡和拋物面反射鏡的光傳輸特性。在此基礎(chǔ)上,本文選擇拋物面反射鏡作為主鏡,雙曲面反射鏡作為次鏡,使拋物面與雙曲面共焦。

卡塞格倫系統(tǒng)光路如圖1所示。卡塞格倫系統(tǒng)由一個(gè)拋物面主鏡和一個(gè)雙曲面副鏡構(gòu)成[4],拋物面的焦點(diǎn)和雙曲面的虛焦點(diǎn)重合,經(jīng)雙曲面理想成像于實(shí)焦點(diǎn)。二次曲面鏡有2個(gè)焦點(diǎn),2個(gè)焦點(diǎn)間等光程,無像差,因此能獲得較好的像質(zhì),可以有效減少像差,提高天線的光學(xué)性能[3-6]。

圖1 卡塞格倫系統(tǒng)光路

3 卡塞格倫系統(tǒng)的分析與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

3.1 卡塞格倫系統(tǒng)的分析

通過查找資料得到卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的基本參數(shù),如圖2所示。

圖2 卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的基本參數(shù)

卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡的光纖傳輸過程如下:光線從左至右邊,以平行光的方式入射主反射鏡;主反射鏡將光線反射至副反射鏡;副反射鏡將光線反射至本鏡頭的一個(gè)透射式鏡片上。

3.2 卡塞格倫發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

調(diào)制傳遞函數(shù)(Modulation Transfer Function,MTF)曲線如圖3(a)所示。從圖中可以看出,MTF曲線已經(jīng)與衍射極限線重合,衍射極限是表示結(jié)構(gòu)具有幾何光學(xué)最小像差的指標(biāo),故可說明此鏡頭的像差非常小。

圖3 卡塞格倫發(fā)射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化驗(yàn)證

本研究將系統(tǒng)焦距縮放至1800 mm。查看結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)表發(fā)現(xiàn),焦距擴(kuò)大后,各個(gè)面的曲率半徑、厚度和semi-diameter數(shù)據(jù)都發(fā)生了改變,但二次曲線系數(shù)不會(huì)改變,像面的半口徑是非常小的數(shù)量級(jí),這說明縮放焦距未造成結(jié)構(gòu)像質(zhì)的變化。縮放優(yōu)化后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

此結(jié)構(gòu)的點(diǎn)列圖和波前圖分別如圖3(c)、(d)所示。從點(diǎn)列圖中可以看出,光斑彌散值為2.157 μm,點(diǎn)列圖在艾里斑(黑色)的范圍內(nèi),這說明該結(jié)構(gòu)的光斑彌散值很小,已經(jīng)達(dá)到了幾何光學(xué)的最佳像質(zhì)。同一視場(chǎng)上下光線和主光線的分離也很小。同時(shí),從波前圖中可以看出,波前差為0.0166個(gè)波長(zhǎng)。因此,優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)具有非常好的像質(zhì),無需進(jìn)一步優(yōu)化即可滿足設(shè)計(jì)要求。

4 加光源進(jìn)行模擬

為了能夠在Zemax軟件中模擬此系統(tǒng)的發(fā)射性能,本研究需要在Zemax軟件的非序列模式中加入設(shè)計(jì)要求中指定的光源,然后設(shè)置探測(cè)器,接收在5 km外的光信號(hào),觀察接收到的光信號(hào)是否符合設(shè)計(jì)要求。

實(shí)驗(yàn)將在序列模式下模擬得到的卡塞格倫鏡頭輸入非序列模式,由于系統(tǒng)為發(fā)射光路,需要將數(shù)據(jù)倒序輸入,非序列模式下模擬出的結(jié)構(gòu)如圖4所示。由圖可知,鏡片面的反射將導(dǎo)致光線反向,這是因?yàn)閺男蛄心Ｊ阶儞Q成非序列模式,序列模式中像點(diǎn)并非為0,而這里模擬的光源點(diǎn)是一個(gè)很小的點(diǎn),但是主鏡的右側(cè)仍有大部分光線繼續(xù)向右傳播。

圖4 非序列模式下模擬出的結(jié)構(gòu)

本研究將矩形探測(cè)器的模擬距離設(shè)定為5 km,矩形探測(cè)器外形為200×200 mm,考慮探測(cè)器后系統(tǒng)模擬出的光路結(jié)構(gòu)如圖5所示。由于探測(cè)距離是5 km,此時(shí)結(jié)構(gòu)圖近似為一條直線。

圖5 矩形探測(cè)器的模擬距離為5 km時(shí)系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)

接下來,本研究進(jìn)行光的探測(cè),探測(cè)結(jié)果如圖6所示。由圖可知,矩形探測(cè)器在5 km外能夠探測(cè)到的光功率為174 MW,與光源為200 MW相比,功率接收的效率約為87%。該結(jié)果基于理想環(huán)境獲得,在一般情況下,由于大氣對(duì)光有散射作用,所獲得的功率接收效率將低于實(shí)驗(yàn)值。

圖6 光源經(jīng)過設(shè)計(jì)系統(tǒng)的功率模擬結(jié)果

5 結(jié)語

本研究主要專注于光學(xué)天線發(fā)射系統(tǒng)的理論研究與實(shí)際設(shè)計(jì),構(gòu)建了1個(gè)卡塞格倫發(fā)射系統(tǒng),其特點(diǎn)為體積小型化且像質(zhì)優(yōu)良。在與眾多光學(xué)天線種類的比較分析后,本文確定了卡塞格倫天線的結(jié)構(gòu)參數(shù)。

本文利用Zemax光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)卡塞格倫發(fā)射系統(tǒng)的焦距進(jìn)行了精細(xì)化的縮放處理,針對(duì)系統(tǒng)整體進(jìn)行了優(yōu)化配置。為了驗(yàn)證優(yōu)化后系統(tǒng)的像質(zhì)性能,本文借助多種方法,包括MTF曲線圖、點(diǎn)列圖以及波前圖等評(píng)估手段,對(duì)系統(tǒng)的像質(zhì)進(jìn)行了全面而深入的評(píng)估。這些工具能夠直觀地觀察到系統(tǒng)優(yōu)化后的顯著改進(jìn)。本文在Zemax軟件的非序列模式下加入設(shè)計(jì)需求中的指定光源,設(shè)置相應(yīng)的矩形探測(cè)器,可以模擬系統(tǒng)在5 km外的功率接收效率。模擬結(jié)果表明,在理想環(huán)境下,優(yōu)化后的天線系統(tǒng)能夠達(dá)到87%的功率接收效率,證明了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和實(shí)用性。

綜上所述,本設(shè)計(jì)采用卡塞格倫望遠(yuǎn)鏡式的光學(xué)天線。口徑較大,不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬;系統(tǒng)主鏡和次鏡均采用非球面鏡,具有良好的消像差能力;光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,像質(zhì)優(yōu)良,不僅滿足了初步設(shè)計(jì)要求,而且在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的實(shí)用價(jià)值。