空间光通信光学系统设计毕业论文.doc

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1、编号 本科生毕业设计空间光通信光学系统设计The Design of Optical System of Spatial Optical Communication学 生 姓 名 专 业测控技术与仪器学 号 指 导 教 师 学 院光电工程学院二一一年六月 毕业设计（论文）原创承诺书1本人承诺：所呈交的毕业设计（论文）空间光通信光学系统设计，是认真学习理解学校的长春理工大学本科毕业设计（论文）工作条例后，在教师的指导下，保质保量独立地完成了任务书中规定的内容，不弄虚作假，不抄袭别人的工作内容。2本人在毕业设计（论文）中引用他人的观点和研究成果，均在文中加以注释或以参考文献形式列出，对本文的研究工

2、作做出重要贡献的个人和集体均已在文中注明。3在毕业设计（论文）中对侵犯任何方面知识产权的行为，由本人承担相应的法律责任。4本人完全了解学校关于保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交论文和相关材料的印刷本和电子版本；同意学校保留毕业设计（论文）的复印件和电子版本，允许被查阅和借阅；学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存毕业设计（论文），可以公布其中的全部或部分内容。以上承诺的法律结果将完全由本人承担！作 者 签 名： 年 月 日摘 要论文主要研究了光学天线系统的设计原理及方法，设计出一套中心波长为 1550nm波段的光学天线系统，对设计的系统进行了加工实现、测试及性能分析。本论

3、文的研究内容如下：(1)介绍了光学系统的设计方法，对非球面光学零件应用和光学特性进行了分析。通过对各种常见光学天线的结构、成像质量进行对比分析，本论文确定在该光学天线系统的设计中采用卡塞格伦天线。(2)通过对卡塞格伦天线结构的建模分析和光学设计软件Zemax的应用，优化设计出主镜和次镜均为非球面镜、中心波长为 1550nm、视场角为 1的卡塞格伦光学天线，并对卡塞格伦天线离焦对天线发散角的影响、增益、准直特性、成像质量及传输效率进行了分析。(3)利用 Zemax 优化设计了收发合一的光学天线系统。在系统中，利用分色镜和分束镜实现收发隔离及多光路需求。对各个光学元件的材料进行了分析和选择。关键词

4、：空间光通信 光学系统设计 光学天线 增益 偏轴AbstractThe design principle 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 test.The main contents are as fol

5、lows:1. The methods of optical systems design have been introduced, meanwhile, the application and optical properties of aspheric optical parts have also been analyzed. 2. By the analysis of Cassegrain antenna structure and Zemax, the 1 field angle Cassegrain antenna, whose primary and secondary mir

6、rors are aspheric, has been designed. Its properties have been analyzed, such as gain, image quality, collimation characteristic, and transmission efficiency.3. The optical antenna system in transceiver has been designed by means of Zemax. The system can realize the functions of transmitter-receiver

7、 isolation and multi-light ways using dichroic mirrors and beam splitting prisms. The materials ofoptical elements have been analyzed and selected.Keywords: Space optical communication；Optical system design；Optical antenna；Gain；Partial axis目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题来源及研究目的意义11.1.1 空间光通信的优势11.1.2

8、空间光通信的国内外发展现状21.2 本文采取的研究路线41.3 空间光通信的主要技术指标4第2章 空间光通信中光学天线系统设计原理52.1 光学系统设计概述52.1.1 光学系统设计的发展概况52.1.2 光学系统设计的过程52.1.3 光学系统初始结构的确定方法62.1.4 光学系统设计软件62.2 非球面光学零件理论72.2.1 非球面光学零件的应用72.2.2 二次曲面的数学表达式及光学性质72.3 光学天线92.3.1 透射式光学天线92.3.2 反射式光学天线102.3.3 自由空间的传输损耗112.3.4 光学天线的增益112.3.5 光学天线类型选择122.3.6 光学天线系统的

9、设计要求12第3章 卡塞格伦天线子系统的设计及性能分析133.1 卡塞格伦天线子系统结构参数理论分析133.1.1 卡塞格伦天线子系统的镜面组合133.1.2 卡塞格伦天线子系统结构参数的确定143.1.3 卡塞格伦天线子系统离焦对天线准直的影响173.2 卡塞格伦天线子系统性能分析183.2.1卡塞格伦天线子系统的准直特性183.2.2 卡塞格伦天线子系统的成像质量分析19第4章 光学天线系统的设计214.1 光学天线系统技术指标214.2 光学材料的选择214.2.1 增透膜选择214.2.2 增反膜的选用224.3 分色镜和分束镜设计224.4 滤波片设计234.5 光学天线小型化系统设

10、计与仿真23第5章 光学天线系统的测试及性能分析245.1.光学天线系统成像质量分析245.2光束发散损耗25总 结27参考文献28致 谢29第1章 绪论随着人类科学技术的不断进步, 信息的传输和交换技术不断的获得发展和飞跃。自20世纪70年代,空间技术特别是大功率轨道运载技术及大容量通信卫星技术的成熟与推广, 使自由空间通信技术获得了质的飞跃。今天,大容量的空间卫星通信已经成为支撑全球信息沟通和交流的基础。1.1 课题来源及研究目的意义随着航天技术的不断发展, 目前围绕地球轨道运行着数以千计的各种飞行器, 这些飞行器之间以及飞行器与地面站之间都需要进行通信。庞大的通信数据量给通信系统带来极大

11、的挑战, 同时大量卫星通信地面站的建立也会带来庞大的地面运行、维护费用及大量的地面运行维护人员, 这些都会降低系统的效率、可靠性及保密性。因此, 建立卫星与卫星间的通信链路中继星及中继链路变得势在必行。1.1.1 空间光通信的优势相对于传统的通信方式相比，空间光通信的主要优点是：(1)具有微米级的波束发散角。激光通信一般在微米量级或更小波段工作，而微波通信在数百米到亚厘米波段之间工作。又由于发散角与波长成正比，所以，与微波通信相比，激光通信的光束发散角至少小34个数量级，大约在10微弧度左右。(2)高数据传输率。对激光脉冲进行调制解调后，激光通信提供的数据传输率最高可达到10Gbps(每秒千兆

12、位)量级，远远高于目前微波通信的数据传输率。(3)体积小、重量轻、功耗低。由衍射定律可知，波束可以达到的最小发散角。其中是载波波长，D是发射天线直径，由公式可得通信中采用的波长越短，所需的天线体积就越小。由于激光通信的波长远小于微波通信的波长，因此，在提供同样功能的情况下，激光通信的天线尺寸远小于微波通信的天线尺寸，激光通信系统的重量和体积相对就显得非常轻小。所以，将会有越来越多的航天卫星采用激光通信。(4)架设灵活方便，无需铺设电缆或光缆，安装迅速、使用方便，成本低廉。在建立通信信道时，无需铺设电缆或光缆，只需将光发射和接收天线对准即可。在地势奇特的地方（山脚和山顶之间要实现高速率通信）、建

13、筑群之间，或不能立即在地下挖设管道铺设光纤的地方，如街道、江河，无线光通信的优势无疑是巨大的。由于采用这种通信方式可大大缩短施工周期，所以，对于通信运营商而言，这无疑是一种迅速抢占市场的最佳选择。(5)保密性强。空间光通信系统的激光束具有很好的方向性，使得信息载体的光束很窄，因此很难被发现和截取。即使被截取，用户也会发现，因为链路被中断了，因此比无线系统安全得多。尤其适用于军事、金融、法律等保密要求高的部门。(6)无需申请频率。由于光通信在无须管制的光波段工作，不占用拥挤的无线电频率资源，设备间没有信号的相互干扰，也不会与其他传输发生干扰，不会引起频率许可问题，因此无需申请频率许可证。(7)经

14、济性适用性强。与其他(光缆、电缆、短波、中波、卫星站等)通信手段相比，采用光通信的通信手段，不会带来任何设计、勘察、工程和线路费等附加费用，因此，起始投资和运营费用较低，易于被市场、通信运营商以及用户接受。1.1.2空间光通信的国内外发展现状 正是因为光通信具有上述优势，所以从20世纪70年代开始，人类就投入了大量的人力和物力对激光通信展开了研究。最近10年来光通信在卫星通信中的应用更是取得了令人瞩目的进展，从开始的理论研究和实验系统研究，到正在向工程化进展。在这方面，美国、日本、欧洲走在了前面。它们之间既有合作也有竞争，共同促进了世界光通信的发展。(1)国外发展现状 1945年, Arthu

15、r Clarke在无线电世界上的发表了一篇文章,提出了在卫星间进行光通信的设想。由于受器件的限制, 直到70年代初期才由美国开始进行自由空间光通信系统的研究, 在70年代末设计出了世界上第一个光学空间通信实验终端。此后,日本、欧洲等各国纷纷开展了这方面的研究。在卫星光通信的研究初期, 由于相应的元器件技术发展水平有限, 激光光源和PAT装置等的体积、质量和功耗都较大, 不能满足在空间环境运行的需要。近些年来, 随着半导体技术、探测技术、光学元件技术、控制技术和材料技术等的发展, 各国已逐渐从卫星光通信的地面模拟实验走向了空间实验。我们有理由相信,不久后卫星光通信将进入实用的商业化发展阶段。美国

16、TRW 公司研制的新技术演示验证实验卫星GEOLITE已于2001年5月18日在肯尼迪航天中心利用Boeing Delta II 型火箭成功发射, 星上装有激光通信有效载荷, 将进行卫星光通信的空间实验。欧洲空间局(ESA)于1977年正式开展了高数据率空间激光链路研究。在1987 年至1992年期间, ESA实施了有效载荷及模拟和实验的PSDE计划。近些年, ESA 还研制了小光学用户终端SOUT、甚小光学用户终端VSOUT以及高级激光通信终端ALCT 。此外, 一些欧洲国家除了在ESA的框架下进行卫星光通信研究外, 还有着自己的卫星光通信研究计划。例如, 德国自行发展了高数据率星间通信系统

17、SOLACOS, 该项计划从1989年开始实施,目前正在进行地面模拟实验。日本在上世纪80年代中期开始卫星光通信的研究工作。主要有邮政省的通信研究室(CRL) 、宇宙开发事业团(NASDA)及高级长途通信研究所(ATR)的光学及无线电通信研究室进行此方面的研究工作。俄罗斯也在卫星光通信方面一直进行着研究,但对此甚为保密, 虽然有个别对卫星光通信器件的研究文献, 但难以得到光通信系统研究方面的详细资料。俄罗斯位于伏龙芝的 NPO“ Zarya” 研究与生产联合体曾透漏该单位已进行了卫星光通信的理论和实验研究, 并取得了令人满意的结果。在可得到的公开发表的文献中, 可以看出俄罗斯对卫星光通信器件的

18、技术进行了研究 。 (2)国内发展现状 国内自上世纪70年代初就开始了无线光通信单元技术及通信系统的研究, 先后对He- Ne激光、CO2激光及半导体激光等方面进行了研究, 但均受到各种条件限制未有具体应用场合。直到90年代初期才开始了以卫星通信为背景的卫星光通信技术研究, 主要进行研究的单位有哈尔滨工业大学、北京大学和电子科技大学。哈尔滨工业大学“八五”期间对卫星光通信技术进行了调研和跟踪, 分析了卫星光通信今后的发展趋势。“九五 期间, 先后承担了多项空间光通信技术研究项目, 对卫星光通讯系统基本概念, 信号传输基本系统等多方面进行了深入研究。在九五 期间, 研制了两套卫星光通信模拟实验终

19、端, 初步进行了卫星光通信模拟实验, 这些工作为卫星光通信的空间演示验证系统研制和实现卫星光通信实验打下了基础,标志着我国的卫星光通信研究可以向空间试验阶段迈进。电子科技大学从1975年便开始了研究激光大气通信理论、技术与系统并跟踪国际技术 。这些工作是以实现地地之间大气传输光通信为应用背景。“九五” 期间, 电子科技大学在激光大气通信研究的基础上进行了卫星光通信瞄准捕获跟踪技术研究 。“八五”期间北京大学致力于新型原子滤波器的研究, 为实现强背景干扰(强太阳光背景和水下散射)情况下的光通信技术提供了关键技术。“九五”期间, 北京大学将其应用到卫星光通信瞄准捕获跟踪系统的研究 提出了利用原子滤

20、波器的多峰特性克服多普勒频移影响, 进而可以增大捕获的视阈。1.2 本文采取的研究路线对光学系统设计的概念及发展历程进行了简单介绍，对非球面光学零件的应用进行了简要介绍，对各种常见的光学天线就结构、成像质量等方面进行了对比分析。对卡塞格伦天线的主镜、次镜各自的参数间的关系进行了分析，对卡塞格伦天线离焦对天线发散角的影响、增益及准直特性展开了讨论，学会运用Zemax对天线的成像质量进行了分析，给出了系统经优化后的。分析光学隔离系统中分色镜、分束镜、滤波片的设计原理。对各个光学元件的材料和镀膜进行了合理选择。运用设计软件Zemax仿真了收发合一的光学天线系统，它包括发射通道、接收通道和实验通道。对

21、系统的波像差、放大倍数及传输效率进行了测试对系统的成像质量、光束发散损耗进行了分析。通过对光学天线系统偏轴的建模，得出了功率衰减曲线。将仿真曲线与功率测试实验相结合就可判断出轴偏离程度，再调整系统就可实现光轴的精确对准。1.3 空间光通信的主要技术指标(1)了解反射式成像系统的工作原理(2)空间光通信光学系统，扩束比不小于1:10(3)掌握ZEMAX软件第2章 空间光通信中光学天线系统设计原理2.1 光学系统设计概述随着科技的飞速发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。光学系统作为光学仪器的核心部分，其像质的优劣决定了光学仪器整体质量的好坏。然而，一个好的光学系统是靠好的光学设计去实现的。所

22、以，光学系统设计是实现各种光学仪器的基础。所谓的光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来确定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的外形体积、重量、性能参数和各光组的结构等。2.1.1 光学系统设计的发展概况光学系统设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经历了一个漫长的过程。最初生产的光学仪器是利用人们直接磨制的各种透镜，并把它们按不同情况进行组合，找出成像质量比较好的结构。但这需要花费很长的时间、人力和物力，而且未必能找到满意的结构。所以，后来便用计算的方法代替这过程，即利用“光路计算”或“像差计算”来确定光学系统的结构参数。与实际制作透镜相比，这当然是一个很大的进步，但这样的方法

23、仍然不能满足光学仪器生产的需要。因为光学系统的结构参数与像差之间的关系相当复杂，要找到一个理想的结果，需要经过长期的计算过程。由于上述的方法仍然不能满足要求，这就促使人们寻找新的方法和工具。随着电子计算机的出现，不仅是光学设计人员从繁重的手工计算中解放了出来，更为重要的是，在光学设计中，除了可以利用计算机进行像差计算，运用自动设计程序外，还可以让计算机代替人做分析像差和自动修正结构参数的工作，这就是“像差自动校正”或“自动设计”。这大大加快了设计过程和保证了更高质量的光学仪器的面世。由综上所述可得，光学系统设计经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计

24、，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。2.1.2 光学系统设计的过程(1) 根据使用要求制定合理的技术指标。从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光学系统合理的技术指标。(2) 光学系统总体设计。这过程的核心是确定光学原理方案和外形尺寸计算，一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。(3) 光学部件的设计。一般包括选型、确定初始结构参数和像差校正三个阶段。(4)长光路的拼接和统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接和统算。若结果不合理，则应反复计算并调整各光组的位置和结构，直到达到预期目标为止。2.1.3 光学系统初始结构的确定方法 当对光学系

25、统的选型完成后，就需要按照设计要求确定系统的初始结构。在现代光学系统设计中，常用逐步修改法和代数法来确定初始结构。(1)逐步修改法逐步修改法指从专利文献中选择一些光学特性与所设计的光学系统尽可能接近的结构作为初始结构，然后按照系统的成像要求，不断进行修改，直到满足要求为止。(2)代数法代数法又称解析法，指的是根据初级像差理论求解满足成像质量要求的初始结构的方法。因此，我选用代数法来确定光学天线系统的初始结构，并利用软件 Zemax 对系统进行仿真分析，优化出一个满足系统成像质量要求的光学天线系统。2.1.4 光学系统设计软件常用的光学设计软件有两类，一种用于设计照明系统，另一种用于设计成像系统

26、。常用的照明设计软件有Lightools、Tracepro和ASAP，成像设计软件有 Codev、Zemax和Oslo。Zemax 具有以下优点：(1)不仅可以用于设计光学成像组件，还可以用于照明系统的照度分析；(2)有多个版本：标准版(SE)，完整版(XE)，专业版(EE)，满足多方面的需要；(3)既能进行序列性(Sequential)光线追迹，也能进行非序列性(Non-Sequential)光线追迹。Zemax功能齐全，从简单的绘图一直到优化和公差分析皆可达成。包括数个系统绘图(layouts)类型、汇出CAD格式的表面信息功能、光学调制传递函数(modulation transfer f

27、unction，MTF)图、点扩散函数(point spread function，PSF)图、点列图(spot diagrams)、光程差图、光扇图(ray fan)、场曲和畸变曲线图、像差计算(塞德和泽尼克)、极化描光以及波前传播工具。2.2 非球面光学零件理论光学系统设计中用到的表面除了球面就是非球面，平面可以看作曲率半径无穷大的球面。非球面可以定义为与球面有偏差的表面。非球面光学元件就是与球面有偏差的光学表面构成的光学零件。下面主要对非球面光学零件的应用和光学性质进行介绍。2.2.1 非球面光学零件的应用非球面光学零件除了应用于天文望远镜外，还应用于以下几方面：(1) 宇宙观测、天文及

28、摄影系统中望远镜的反射镜、施密特相机的校正版等。(2) 照相、摄影系统中的大口径透镜、广角镜头、变焦镜头、鱼眼透镜等。(3) 红外成像系统中的红外热像仪、温度记录器、放射温度计等。(4) 激光光学系统中的高功率加工装置、激光干涉仪、核聚变激光聚焦镜头等。(5) 肉眼观察用的放大镜、各种观察装置等。(6) 在军事上，主要用于军用激光装置、微光夜视眼镜、红外线扫描相机、热成像装置、导弹制导系统、武器瞄准器、武装直升机观察、瞄准系统等。2.2.2 二次曲面的数学表达式及光学性质光学系统中使用的非球面有以下三类：(1)轴对称非球面；(2)具有两个对称面的非球面；(3)无对称性的自由表面。二次曲面是以二

29、次曲线绕其对称轴旋转而成的曲面。最常用也是最方便的二次曲线表达式为 (2-1)其中，R0是二次曲线顶点的曲率半径，是二次曲线顶点的偏心率的平方，也就是形状参数。若R0保持不变，不同的所对应的二次曲线如图2-1所示，可以分为五种，分别为扁椭圆( 0)、圆(= 0)、椭圆(0 1)。由图2-1可得，无论哪种曲线，其直角坐标系的顶点都在曲线的顶点处。将它们绕光轴旋转，就得到相应的扁球面、球面、椭球面、抛物面、双曲面。图 2-1 二次曲线 凸椭球面 凹椭球面 凸抛物面 凹抛物面 凹扁球面 凸双曲面 凹双曲面 图 2-2 反射式二次曲面的光学特征二次曲面镜既可以作反射镜使用，也可以作透镜使用。但是在经典

30、的卡塞格伦天线系统中，其主镜和副镜均是采用二次曲面镜作反射镜。所以，下面将对二次曲面镜用作反射镜的光学性质进行介绍。二次曲面镜用作反射镜时，具有如图2-2所示的光学特性。二次曲面镜都有两个无相差点F1和F2，它们之间是等光程的，若在一个点上放置点光源，则经二次曲面镜反射后，可在另一点得到点光源的完善的像。即光线以任何角度入射在该反射面上都不会产生像差。扁球面和椭球面的两个无像差点是它们的两个焦点F1，F2；球面的两个无像差点重合在一起，是球心；抛物面的两个无像差点一个在R0/2处，另一个在无穷远处；双曲面的两个无像差点一个在左焦点处，另一个在右焦点处。2.3 光学天线光学天线主要包括发射光学天

31、线和接收光学天线，它是空间光通信系统的重要组成部分。发射天线的作用是对光束进行压缩，增大激光束的光腰半径；接收天线的功能是压缩接收视野，增大接收面积，减少背景光干扰。实际上光学天线相当于一个能接收自由空间某波长目标光微弱辐射的物镜。它主要包括有透射式光学天线、反射式光学天线。2.3.1 透射式光学天线透射式望远镜光学天线既可作发射光学天线，又可作接收光学天线。它的基础结构分为伽利略型和开普勒型两种。(1)伽利略望远镜如图2-3所示，由正光焦度的物镜和负光焦度的目镜组成。因为它是共虚焦点，其轴向间距为正透镜与负透镜焦距绝对值之差，所以整个光学系统轴向尺寸较小。其突出优点是共有虚焦点，可避免采用正

32、透镜汇聚而引起的强光效应和对目镜的破坏，从而提高了能量的利用率。 图 2-3 伽利略望远镜光学天线图 2-4 开普勒望远镜光学天线(2)开普勒望远镜如图2-4所示，由具有正光焦度的物镜和目镜组成，中间有聚焦点，加小孔光阑，使光束的高斯型光强分布的峰值部分通过。透射式望远镜的优点是制作简单，缺点是口径不能太大，大口径物镜的制造工艺和玻璃熔炼较困难，且装配后其面型的精度也难以保证。2.3.2 反射式光学天线反射式光学天线对光能量吸收损耗很小，因而星间光通信系统中大都采用反射式光学天线。它主要有格里高利型光学天线、牛顿型光学天线和卡塞格伦光学天线三种形式。(1)格里高利型光学天线如图2-5所示，它由

33、抛物面主镜、位于主镜焦点之外的旋转椭球面次镜和透镜构成，其抛物面主镜焦点和椭球面次镜的一个焦点重合，成像于主镜前方的远侧焦点处。(2)牛顿型光学天线如图2-6所示，其原理是使用一个弯曲的镜面将光线反射到一个焦点之上，使其放大倍数大大增加，并且采用球面反射镜作为主镜。(3)卡塞格伦光学天线如图2-7所示，它由抛物面主镜、抛物面或双曲面次镜和透镜构成，其内侧焦点与主镜焦点重合，成像于主镜后方的外侧焦点处。卡塞格伦系统的优点是：口径大；无色差；可用波段范围宽；采用非球面镜后，有较大的消像差能力，光学系统结构简单，像质优良。其不足之处是：不易得到较大的视场。 图 2-5 格里高利光学天线图 2-6牛顿

34、型光学天线图 2-7 卡塞格伦望远镜光学天线2.3.3 自由空间的传输损耗电磁波辐射理论指出，一个全向点源辐射的电磁波在空间中传播时，其空间损耗与距离的平方成正比，与波长的平方成反比，以dB为单位，则有 (2-2) 式中为传输损耗，z为传播距离，为光通信系统工作波长。2.3.4 光学天线的增益光学天线理论研究表明天线的增益与其口径的平方成正比，与工作波长的平方成反比，即得到天线增益： (2-3)单位为 dB；D为光学天线的口径，为工作波长。为天线效率。2.3.5 光学天线类型选择天线的孔径直接影响着天线的增益，孔径越大，增益越大，因此从提高天线增益的角度来说，卫星光通信系统的天线孔径应当选取大

35、一些。但是，孔径增大，天线的体积、重量也相应增加，会增加ATP系统的难度，故星上天线孔径也不能过大。一般卫星光通信系统的星上天线孔径在15cm25cm左右。在星间激光通信系统中，选择天线类型时的出发点包括：(1)光能损失小，效率高，增益足够大(2)便于光路设计(3)重量要轻(4)工作可靠性要高(5)工艺成熟，加工精度容易保证。故本论文将采用卡塞格伦天线结构。2.3.6 光学天线系统的设计要求光学天线系统的主要设计要求如下：(1) 光学天线有较大的入瞳直径，以便能最大限度地收集来自光源的信号。(2) 天线的成像质量高，斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.8。(3) 天线主、次镜反射率大

36、于95%，透镜透射率大于90%。(4) 光学主天线(卡塞格伦天线)具有低的遮挡率，小于0.4。(5) 系统中所有的光学零件采用的材料质量轻，热膨胀系数小，稳定性高，使用寿命长。第3章 卡塞格伦天线子系统的设计及性能分析3.1 卡塞格伦天线子系统结构参数理论分析3.1.1 卡塞格伦天线子系统的镜面组合本系统中的卡塞格伦光学天线采用抛物面镜作主镜，双曲面镜作次镜，且抛物面与双曲面共焦。下面将对抛物面镜和双曲面镜的方程及参数进行介绍。将用方程和表示的抛物线及双曲线绕其对称轴旋转一周即可形成旋转抛物面和旋转双曲面，它们分别满足以下关系 (3-1) (3-2)其中，f为抛物线焦距，R为两种曲线的曲率半径

37、，e为两种曲线的曲率，为双曲线的实轴，为双曲线的虚轴，2为双曲线焦距。根据光学系统设计理论和课题要求，确定以下技术指标：(1) 光源波段为：1550nm15nm。(2) 天线形式：卡塞格伦天线，主、次镜均为非球面镜。(3) 主镜口径为 150mm，次镜口径为 30mm。(4) 天线效率70%。3.1.2 卡塞格伦天线子系统结构参数的确定 设主镜的曲线方程为:, 副镜曲线方程 其中d 表示两曲线顶点间距。设主镜口径为D1，次镜口径为D2，次镜的放大倍数为M ，为次镜对主镜的遮挡率，次镜左焦距为f1，右焦距为f2,L1为焦点伸出量。如图3-1所示，当从次镜左焦点发出的光线射到次镜上，经次镜、主镜反

38、射后，出射光将以平行光发。根据系统的这一特性及设计指标的要求，下面通过光线追迹来构建理论模型，并对其进行计算机仿真分析。根据几何光学理论，次镜满足 (3-3) 对于主镜，以下关系式成立： (3-4)图 3-1 卡塞格伦发射天线光路图次镜的放大率也可以用下式表示：,将此式与式（3-3）结合推出： (3-5)F2AO2与F2BO1为相似三角形，将 代入得 (3-6) 在直角F1AO2中，, 两镜顶点间距。设入射光线的方程为, 由入射光线和次镜方程 (3-7)可解得光线与副镜面的交点坐标. 设在点的切线斜率为则可求出 (3-8)因此，切线与主轴正向夹角为. 由反射定律，可得在点 A 处入射角 (3-

39、9)由上图的几何关系，可得反射光线的反向延长线与主轴的夹角 (3-10)因此，可得到反射光线的斜率, 由反射光线的方程和主镜抛物线方程 （3-11）同样地可以解得反射光线与主镜面的交点坐标B(z2,y2) (3-12) (3-13)根据前面的理论分析和天线技术指标要求，并运用先进的光学设计软件Zemax对结构进行优化，得到如下所示的结构参数和三维仿真图。表 3-1 卡塞格伦天线子系统结构参数D1/mmf/mmD2/mmL1/mmM15030030-204.33 图 3-2 卡塞格伦天线子系统的三维仿真图3.1.3 卡塞格伦天线子系统离焦对天线准直的影响图 3-3 发射角与I1 的关系图3-3为

40、发散角与焦点伸出量及入射角的关系图。图3-4所示为随着发散角的增大，从主镜出来的光线将不再与光轴平行。在加工和调试过程中，应采取措施以保证光源经过系统前面的光学器件后,到达卡塞格伦天线时刚好汇聚在次镜的左焦点处。图 3-4 发射天线的光线追迹图3.2 卡塞格伦天线子系统性能分析3.2.1卡塞格伦天线子系统的准直特性图 3-7 卡塞格伦发射天线对高斯光束的准直示意图光束经次镜变换等效为透镜放大镜系统变换。它的束腰位于左焦点时，光束的束腰在右焦点，有： (3-22)由矩阵光学可知，当光束变换为光束时，其变换矩阵为 (3-23) 其中,L1是光束的束腰到次镜顶点的距离，而L2为光束的束腰到主镜顶点的

41、距离,L3为光束的束腰到主镜顶点的距离。根据高斯光束变换的ABCD定律，光束和光束的参数满足关系式 (3-24)由于光束和光束的束腰所在面的曲率半径 R ( z ) ，所以它们的q参数分别为 (3-25) (3-26)将式(3-23)、(3-25)、(3-26)中的各参数值代入上式(3-24)中，经推导可得 (3-27) (3-28)当 = f时，由上面两式可得 (3-29) (3-30)即光束的束腰与光束的束腰位置是重合的。由于基膜高斯光束的远场发散角 = 2 /()，因此得到： (3-31)由以上分析可得：卡塞格伦天线将辐射波束的腰部放大了倍，而使远场发散角缩小为原来的.3.2.2 卡塞格

42、伦天线子系统的成像质量分析常用的评价方法有：点列图、瑞利判断、斯特列尔(Strehl)判断，点扩散函数(PSF)、光学传递函数(MTF)、波像差、场曲和畸变曲线等。图 3-8 卡塞格伦天线子系统的PSF图 3-9 卡塞格伦天线子系统的MTF由图3-8可知，系统焦平面上所成的像的强度大，光斑中心能量得到了很大程度的集中。由图3-9可知，三个视场(轴上、0.6度和1.0度)的子午和弧矢方向的MTF曲线都接近于衍射极限下的MTF曲线。从以上的分析可得：系统焦平面成像达到了衍射极限，像差较小，场曲和畸变经优化后得到了大幅度的矫正。第4章 光学天线系统的设计发射端光学天线的作用是将光源的发散角压缩后再通过发射望远镜进一步准直。接收端光学天线的作用是将接收到的空间激光信号收集并汇聚到光接收器件的有效接收表面。4.1 光学天线系统技术指标光源耦合模块压缩透镜组实验光路聚焦透镜组发射子天线接收子天线耦合模块光源预准直透镜组实验光路压缩透镜组本课题设计的光学天线系统主要包括：卡塞格伦天线子系统、预准直透镜组、中继光学系统等。图4-1 光学天线系统结构示意图根据光学系统设计理论和课题要求，确定以下技术指标：(1)卡塞格伦天线主、次镜均为非球面镜，主镜孔径D1=150mm，次镜D2= 30mm。(2) 光学天线波像差： 0.05。(3) 接收系统中，光束经主、次镜及准直镜后，光束宽为 6mm8mm。