空间光通信光学系统设计

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1、空间光通信光学系统设计【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。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。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

2、需求。对各个光学元件的材料进行了分析和选择。【关键词】空间光通信;光学系统设计;光学天线;增益;偏轴0.引言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,7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。相对于传统的通信方式相比，空间光通信的主要优

3、点是：(1)具有微米级的波束发散角。(2)高数据传输率。(3)体积小、重量轻。(4)架设灵活方便。(5)保密性强。(6)无需申请频率。(7)经济性适用性强。1.空间光通信中光学天线系统设计1.1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

4、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。7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

5、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。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，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。1.2光学系统设计概述过程(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

6、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。1.3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。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。7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双曲线的实轴，b0为双曲线的虚

7、轴，2c0为双曲线焦距。并运用先进的光学设计软件Zemax对结构进行优化。1.4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(StrehlRatio)大于0.8。(3)天线主、次镜反射率大于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。2.卡塞格伦天线子系统的设计2.1卡

8、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。2.2卡塞格伦天线子系统的成像质量分析7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。3.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