自由空间光通信光学天线系统设计

陈志康,陈姝君,吴骏一,包祖超,魏恒杰

(南京理工大学紫金学院 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210023)

0 引言

自由空间光通信(Free Space Optical Communication,FSO)是一种以激光为信息媒介,实现高速数据传输的通信策略,被视为现今大容量空间通信领域的关键研究方向[1]。FSO系统拥有大容量、高速率、小体积、轻重量、低功耗、高可靠性、出色的保密性和安全性等特点。在空间通信需求逐年扩大的背景下,FSO的独特优势受到了广泛关注。光学系统作为光通信系统中最基础且最关键的部分,其设计的优劣直接影响空间光通信系统的主要技术指标,而光学天线则是光学系统的核心。随着光通信任务和要求的持续发展,光通信系统对光学系统的发射和接收性能的需求越来越高。因此,本研究深入探讨了光学天线系统的设计原理和方法,对设计系统进行了测试和性能分析[2]。

1 光学天线系统的选择准则

在星际激光通信系统中,天线选择的准则主要包含以下几个方面。(1)高效能与低光损失:为保障通信的顺畅,本研究需要选取能量损失小、效率高且增益足够大的天线。(2)光路设计的便利性:星际激光通信需要复杂的空间光束捕获跟踪对准ATP(Acquisition, Tracking and Pointing)子系统。因此,本研究需要选取一种容易设计复杂光路的天线类型。(3)轻质量:通过降低天线重量,所选择的光学天线系统可以提高通信卫星的有效载荷,从而降低星际激光通信的成本。(4)高可靠性:光学天线系统的可靠性能够直接影响卫星的寿命。因此,本研究必须选择可靠性高的天线。(5)工艺成熟与精度保证:光载波波长短,而光学系统要求光学元件的波前误差为λ/10～λ/30,对加工和装配精度要求极高。简单的天线结构和少量的光学元件可以更好地满足这些要求,同时对加工和装配精度的敏感性也较低。综合考虑以上因素,本设计选用卡塞格伦天线结构[3]。

2 卡塞格伦系统

在设计卡塞格伦天线时,本研究要求信号以点光源的形式进入天线系统,以平行光的形式出射。因此,本文需要考虑双曲面反射镜和抛物面反射镜的光传输特性。在此基础上,本文选择抛物面反射镜作为主镜,双曲面反射镜作为次镜,使抛物面与双曲面共焦。

卡塞格伦系统光路如图1所示。卡塞格伦系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成[4],抛物面的焦点和双曲面的虚焦点重合,经双曲面理想成像于实焦点。二次曲面镜有2个焦点,2个焦点间等光程,无像差,因此能获得较好的像质,可以有效减少像差,提高天线的光学性能[3-6]。

图1 卡塞格伦系统光路

3 卡塞格伦系统的分析与系统结构的优化

3.1 卡塞格伦系统的分析

通过查找资料得到卡塞格伦望远镜结构的基本参数,如图2所示。

图2 卡塞格伦望远镜结构的基本参数

卡塞格伦望远镜的光纤传输过程如下:光线从左至右边,以平行光的方式入射主反射镜;主反射镜将光线反射至副反射镜;副反射镜将光线反射至本镜头的一个透射式镜片上。

3.2 卡塞格伦发射系统结构的优化

调制传递函数(Modulation Transfer Function,MTF)曲线如图3(a)所示。从图中可以看出,MTF曲线已经与衍射极限线重合,衍射极限是表示结构具有几何光学最小像差的指标,故可说明此镜头的像差非常小。

图3 卡塞格伦发射系统结构的优化验证

本研究将系统焦距缩放至1800 mm。查看结构数据表发现,焦距扩大后,各个面的曲率半径、厚度和semi-diameter数据都发生了改变,但二次曲线系数不会改变,像面的半口径是非常小的数量级,这说明缩放焦距未造成结构像质的变化。缩放优化后系统结构如图3(b)所示。

此结构的点列图和波前图分别如图3(c)、(d)所示。从点列图中可以看出,光斑弥散值为2.157 μm,点列图在艾里斑(黑色)的范围内,这说明该结构的光斑弥散值很小,已经达到了几何光学的最佳像质。同一视场上下光线和主光线的分离也很小。同时,从波前图中可以看出,波前差为0.0166个波长。因此,优化后的结构具有非常好的像质,无需进一步优化即可满足设计要求。

4 加光源进行模拟

为了能够在Zemax软件中模拟此系统的发射性能,本研究需要在Zemax软件的非序列模式中加入设计要求中指定的光源,然后设置探测器,接收在5 km外的光信号,观察接收到的光信号是否符合设计要求。

实验将在序列模式下模拟得到的卡塞格伦镜头输入非序列模式,由于系统为发射光路,需要将数据倒序输入,非序列模式下模拟出的结构如图4所示。由图可知,镜片面的反射将导致光线反向,这是因为从序列模式变换成非序列模式,序列模式中像点并非为0,而这里模拟的光源点是一个很小的点,但是主镜的右侧仍有大部分光线继续向右传播。

图4 非序列模式下模拟出的结构

本研究将矩形探测器的模拟距离设定为5 km,矩形探测器外形为200×200 mm,考虑探测器后系统模拟出的光路结构如图5所示。由于探测距离是5 km,此时结构图近似为一条直线。

图5 矩形探测器的模拟距离为5 km时系统的光路结构

接下来,本研究进行光的探测,探测结果如图6所示。由图可知,矩形探测器在5 km外能够探测到的光功率为174 MW,与光源为200 MW相比,功率接收的效率约为87%。该结果基于理想环境获得,在一般情况下,由于大气对光有散射作用,所获得的功率接收效率将低于实验值。

图6 光源经过设计系统的功率模拟结果

5 结语

本研究主要专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计,构建了1个卡塞格伦发射系统,其特点为体积小型化且像质优良。在与众多光学天线种类的比较分析后,本文确定了卡塞格伦天线的结构参数。

本文利用Zemax光学设计软件对卡塞格伦发射系统的焦距进行了精细化的缩放处理,针对系统整体进行了优化配置。为了验证优化后系统的像质性能,本文借助多种方法,包括MTF曲线图、点列图以及波前图等评估手段,对系统的像质进行了全面而深入的评估。这些工具能够直观地观察到系统优化后的显著改进。本文在Zemax软件的非序列模式下加入设计需求中的指定光源,设置相应的矩形探测器,可以模拟系统在5 km外的功率接收效率。模拟结果表明,在理想环境下,优化后的天线系统能够达到87%的功率接收效率,证明了系统设计的可行性和实用性。

综上所述,本设计采用卡塞格伦望远镜式的光学天线。口径较大,不产生色差且可用波段范围较宽;系统主镜和次镜均采用非球面镜,具有良好的消像差能力;光学系统结构简单,像质优良,不仅满足了初步设计要求,而且在实际应用中具有很高的实用价值。