自由空间光通信光学天线系统设计

自由空间光通信光学天线系统设计作者：陈志康陈姝君吴骏一包祖超魏恒杰
来源：《无线互联科技》2024年第08期
摘要：文章专注于光学天线发射系统的理论研究与实际设计，通过缩放法来计算光学系统的初始结构。

选择卡塞格伦系统作为研究对象，该系统由一个抛物面主镜和一个双曲面副镜构成。

通过使用Zemax软件进行模拟，文章构建了一款卡塞格伦发射系统，其特点为体积小型化且像质优良。

通过对系统结构进行优化，使得光斑弥散值为2.157 μm，波前差为0.0166个波长，像质优良。

模拟结果显示，该系统在5 km的距离上，发射功率可达174 MW，发射效率达到了87%。

文章不仅提供了一种有效的光学天线设计方法，还对光学天线的实际应用有一定的指导意义。

关键词：仪器科学与技术；自由空间光通信；光学天线技术；卡塞格伦天线结构；缩放法
中图分类号： TN929.11 文献标志码： A
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點。

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］。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

参考文献
［1］张玉侠，艾勇.基于空间光通信卡塞格伦天线弊端的探讨［J］.红外与激光工程，2005（5）：60-63.
［2］曹彪.光通信中光学天线空心光束-光纤高效耦合关键技术研究［D］.成都：电子科技大学，2022.
［3］冉英华.空间光通信中光学天线系统的设计及性能分析［D］.成都：电子科技大学，2009.
［4］张华.末敏弹激光测高仪光学天线设计与仿真［D］.成都：电子科技大学，2008.
［5］张洋，刘春桐，吴国俊，等.较大视场的全自动经纬仪望远物镜设计研究［J］.科学技术与工程，2013（33）：9922-9926.
［6］王宇，牟达，李静芳，等.长焦距航空相机光学系统设计［J］.光電技术应用，2014（6）：1-6，76.
（编辑王永超编辑）
Design of optical antenna system for free space optical communication
Chen Zhikang， Chen Shujun*， Wu Junyi， Bao Zuchao， Wei Hengjie
（School of Electronic Engineering and Optoelectronic Technology， Zijin College of Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210023， China）
Abstract： This study focuses on the theoretical research and practical design of optical antenna transmission systems， and calculates the initial structure of the optical system using the scaling method. The Cassegrain system is selected as the research object， which consists of a parabolic primary mirror and a hyperbolic secondary mirror. By using Zemax software for simulation， a Cassegrain transmission system is constructed， which is characterized by small size and excellent image quality. By optimizing the system structure，the spot size is 2.157μm and the wavefront error is 0.0166 wavelengths， resulting in excellent image quality. The simulative results show that the system can achieve a transmission power of 174 mW and a transmission efficiency of 87% at a distance of 5 kilometers. This study not only provides an effective optical antenna design method，but also has certain guiding significance for the practical application of optical antennas.
Key words： free space optical communication; optical antenna technology; Cassegrain antenna structure; zooming method。