本发明专利技术公开了一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，包括步骤如下：确定光学天线物镜初始结构；光学天线整体初始结构计算与选择；进行像差校正；光学天线误差分析；隔离度分析。本发明专利技术在保证光学天线口径、视场和放大倍率的情况下，分析计算光学天线的焦距、波像差、结构形式和误差分配等。本发明专利技术可准确评估激光通信光学天线像质、隔离度和传输效率，提升光学天线在激光通信领域的相关技术指标。
【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术公开了一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，包括步骤如下：确定光学天线物镜初始结构；光学天线整体初始结构计算与选择；进行像差校正；光学天线误差分析；隔离度分析。本专利技术在保证光学天线口径、视场和放大倍率的情况下，分析计算光学天线的焦距、波像差、结构形式和误差分配等。本专利技术可准确评估激光通信光学天线像质、隔离度和传输效率，提升光学天线在激光通信领域的相关技术指标。【专利说明】
本专利技术涉及一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，可以定量 确定离轴反射式光学天线，属于激光通信
。
技术介绍
激光通信是高速数据传输重要技术途径，单载荷数据传输的速率从几Gbps到 30Gbps。高分对地观测系统的遥感数据传输速率要求高、速率范围大，并且数据传输设备还 将搭载于各类不同的卫星平台、运行于不同的轨道、应用于星间和星地链路，因此高分系统 的星载数据传输设备需要选择与超高速传输相匹配的调制解调方式，并具有系列化、通用 化和模块化的特点，以尽量低的量产成本，为高分对地观测系统提供各种平台、各种速率和 各种链路应用的激光通信数据传输终端。 激光通信终端以激光作为信号的载体，通过对激光幅度、相位的调制来传输信息， 实现信息交换。与微波（Ka、EHF等频段）相比，由于激光的波长在微米量级或更短，因此具 有很宽的通信带宽，可提供极高的信息传输速率；激光用于通信的波束发散角很小，具有很 好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的安全性；同时，在传输同样高码率条 件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。 在空间光通信系统中，光学天线实现激光终端发射和接收时的光束传输。发射时 光学天线完成光束准直、压缩光束发散角，接收时会聚光束，使信号光束经后续光路到达探 测器表面。目前国内外所有激光通信终端均是采用卡赛格伦结构形式（同轴二反）的光学 天线，这种天线的优点是成本低，工艺成熟，光学系统结构简单，易于装调等。不足之处是视 场小，后向散射大，传输效率低。卡赛格伦结构形式光学天线的收发隔离度约50dB左右，同 时具有中心遮挡，由于发射光束为高斯光束，中心较大部分能量无法利用，卡式光学天线中 心遮挡20%，光束分布按高斯光束计算，造成的发射效率损失约I. 5dB，能量损失达30%左 右，所以现在急需一种能够实现高像质、高隔离度和高传输效率的光学天线。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于空间激光通信 的离轴反射式光学天线设计方法，本专利技术通过波像差，点列图，象散，场曲，畸变等因素进行 分析，得出可用于空间激光通信终端的无遮挡高隔离度及高像质的光学天线提高了光学天 线的像质、隔离度和传输效率。 本专利技术的技术解决方案是： -种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，包括步骤如下： (1)确定光学天线物镜的初始结构参数；所述物镜包括主镜、次镜和三镜；所述初 始结构参数包括主镜的偏心率ei、次镜的偏心率e2、三镜的偏心率e3，主镜与次镜间距Cl1、次 镜与三镜的间距d2、三镜与主镜的间距d3以及主镜、次镜、三镜的半径ri、r2、r3 ; 具体确定方式如下： (1&)利用下式得到三级像差系数为31、311、3 111、31￥和5^ S! =Σh·P+Σh4 ·K (I) Sπ =Σy·P-JΣW+Σh3 ·y·K (2) Sm=ΣP·y2/h-2JΣW·y/h+J2ΣΦ+Σh2 ·y2 ·K (3) Sw=EΠ/h (4) Sv =EP·y3/h2-3JΣW·y2/h2+J2Σ(y/h) · (3Φ+ΠΛ)-ΓΣ(1/h2) ·Λ· (1/ η2) +Σh·y3 ·K(5) 其中J为贝赛尔函数，h为物镜口径的半径，P= (Λι^α/Λη))2 · (Au/n)，W= Δu/ (1/Δη) · (Δu/n)，Π=Δ(u·η) / (nn'），Φ= 1/h· (Δ(u/n)),K= - (e2/R3) ·Δη， y2 = 2Rx-(Ι-e2)χ2,e为二次曲面的偏心率，R为顶点曲率半径，u为物方数值孔径，u'为像 方数值孔径，η为物方折射率，Y为像方折射率，△表示微分，X为非球面的旋转对称轴，y 为入射光线在非球面上的高度； (Ib)对于反射式光学天线，n=n' = 1，$!^ =l，u/ =U2 =β，u2' = 1，J= 1，R= 2〇/(^+1);其中Ill为主镜口径的半径，h2为次镜口径的半径，V为主镜像方孔 径角，U2为次镜物方孔径角，U2'为次镜像方孔径角；ai=Vh1，表示次镜对主镜的遮挡 t匕，βi为次镜的放大倍率； 将上述参数代入到公式⑴_(5)中得到Si、Sn、Sm解析式，并另Si= 0、Sπ= 0、 Sm= 0,通过公式（6)-⑶计算得出主镜、次镜和三镜的偏心率ei、e2、e3 : S[ = A1e12+B1e22+C1e32+D1 ； (6) Sjj= Α2θ12+Β2θ22+〇2θ32+〇2 ； (7) S111=AgeJ+BgeJ+Cgeg2+D3 ; (8) 其中 A1 = 1/4 ·β!3β23 B1 = -1/4 ·αJβ23 (1+βJ) C1 = 1/4 ·α丄α2(1+β2)3 D1 = 1/4 · (_β丄3β23+α丄β23 (1+β) (1-β丄）2-α丄α2 (1+β2) (1-β2)2) A2 = 0 B2 = - (α「1)β23 (1+βJ3/4β!β2 C2 = (α2 ( α「1) +βJ(1-α2)) (1+β2) 3/4 β!β2 D2 = (α「1)β23 (1+30(1-30 2/4βιβ2-(α2(α「1) +βι(1_α2)) (1+β2) (1-β2)2/ (4β1β2) -1/2 A3 = O B3 = -β2 ( α「1)2 (1-βD3/4αiβ工2 C3 = (α2 ( α「1) +β丄（1-α2))2 (1-β2) 3/4α丄α2β丄2β22 D3 =β2(α「1)2(1+βD(1_β 』^-(aja「1) +β^1-(10)2(1 + β2) (1_β2)2/4αια23?2β2[?^2(α 1_1) (1+3 1) (1_3 1) /α 1旦1^2+^2(1+3 1)/ (!「(Ι+β)/αια2-(α2(α「1) +βι(1_α2)) (1+β) (U1)/αι<ι2βιβ2 其中a1为次镜对主镜的遮挡比，a2为三镜对次镜的遮挡比，β1为次镜的放大 率，β2为三镜的放大率； (Ic)利用下式并根据主镜与次镜间距Cl1、次镜与三镜的间距d2、三镜与主镜的间 距d3确定主镜、次镜和三镜的半径1^、r2、r3: Sw=l/r1+l/r2+l/r〇j (9) 1/f=(T1T2^r2A1) /(2r1-4d1-2r2)-d2 (10) d3/f= (2 (r1r3-2r3d1-r2r3)+1)/2r1r2 (11) (Id)确定物镜的初始结构参数确定后，将主镜孔径离轴，使本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，其特征在于步骤如下：(1)确定光学天线物镜的初始结构参数；所述物镜包括主镜、次镜和三镜；所述初始结构参数包括主镜的偏心率e1、次镜的偏心率e2、三镜的偏心率e3，主镜与次镜间距d1、次镜与三镜的间距d2、三镜与主镜的间距d3以及主镜、次镜、三镜的半径r1、r2、r3；具体确定方式如下：(1a)利用下式得到三级像差系数为SⅠ、SⅡ、SⅢ、SⅣ和SⅤ：SⅠ＝∑h·P+∑h4·K (1)SⅡ＝∑y·P‑J∑W+∑h3·y·K (2)SⅢ＝∑P·y2/h‑2J∑W·y/h+J2∑Φ+∑h2·y2·K (3)SⅣ＝∑Π/h (4)SⅤ＝∑P·y3/h2‑3J∑W·y2/h2+J2∑(y/h)·(3Φ+Π/h)‑J3∑(1/h2)·Δ·(1/n2)+∑h·y3·K(5)其中：J为贝赛尔函数，h为物镜口径的半径，P＝(Δu/(1/Δn))2·(Δu/n)，W＝Δu/(1/Δn)·(Δu/n)，Π＝Δ(u·n)/(nn′)，Φ＝1/h·(Δ(u/n))，K＝‑(e2/R3)·Δn，y2＝2Rx‑(1‑e2)x2，e为二次曲面的偏心率，R为顶点曲率半径，u为物方数值孔径，u′为像方数值孔径，n为物方折射率，n′为像方折射率，Δ表示微分，x为非球面的旋转对称轴，y为入射光线在非球面上的高度；(1b)对于反射式光学天线，n＝n′＝1，令h1＝1，u1′＝u2＝β，u2′＝1，J＝1，R＝2α1/(β1+1)；其中h1为主镜口径的半径，h2为次镜口径的半径，u1′为主镜像方孔径角，u2为次镜物方孔径角，u2′为次镜像方孔径角；α1＝h2/h1，表示次镜对主镜的遮挡比，β1为次镜的放大倍率；将上述参数代入到公式(1)‑(5)中得到SⅠ、SⅡ、SⅢ解析式，并另SⅠ＝0、SⅡ＝0、SⅢ＝0，通过公式(6)‑(8)计算得出主镜、次镜和三镜的偏心率e1、e2、e3：SⅠ＝A1e12+B1e22+C1e32+D1； (6)SⅡ＝A2e12+B2e22+C2e32+D2； (7)SⅢ＝A3e12+B3e22+C3e32+D3； (8)其中A1＝1/4·β13β23B1＝‑1/4·α13β23(1+β13)C1＝1/4·α1α2(1+β2)3D1＝1/4·(‑β13β23+α1β23(1+β1)(1‑β1)2‑α1α2(1+β2)(1‑β2)2)A2＝0B2＝‑(α1‑1)β23(1+β1)3/4β1β2C2＝(α2(α1‑1)+β1(1‑α2))(1+β2)3/4β1β2D2＝(α1‑1)β23(1+β1)(1‑β1)2/4β1β2‑(α2(α1‑1)+β1(1‑α2))(1+β2)(1‑β2)2/(4β1β2)‑1/2A3＝0B3＝‑β2(α1‑1)2(1‑β1)3/4α1β12C3＝(α2(α1‑1)+β1(1‑α2))2(1‑β2)3/4α1α2β12β22D3＝β2(α1‑1)2(1+β1)(1‑β1)2/4α1β12‑(α2(α1‑1)+β1(1‑α2))2(1+β2)(1‑β2)2/4α1α2β12β22‑β2(α1‑1)(1+β1)(1‑β1)/α1β1‑β1β2+β2(1+β1)/α1‑(1+β1)/α1α2‑(α2(α1‑1)+β1(1‑α2))(1+β1)(1‑β1)/α1α2β1β2其中α1为次镜对主镜的遮挡比，α2为三镜对次镜的遮挡比，β1为次镜的放大率，β2为三镜的放大率；(1c)利用下式并根据主镜与次镜间距d1、次镜与三镜的间距d2、三镜与主镜的间距d3确定主镜、次镜和三镜的半径r1、r2、r3：SⅣ＝1/r1+1/r2+1/r3 (9)1/f＝(r1r2‑2r2d1)/(2r1‑4d1‑2r2)‑d2 (10)d3/f＝(2(r1r3‑2r3d1‑r2r3)+1)/2r1r2 (11)(1d)确定物镜的初始结构参数确定后，将主镜孔径离轴，使主光束无遮挡即可，离轴量为主镜的有效口径，最终得到物镜离轴后的初始结构；(2)光学天线的整体初始结构；(2a)根据光学天线放大倍率和物镜焦距确定目镜焦距；f目镜＝f物镜/Γ，其中f...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：李帅，陈祥，付灵丽，夏方园，李向阳，薛婧婧，黄健，
申请(专利权)人：西安空间无线电技术研究所，
类型：发明
国别省市：陕西;61
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