楊成龍, 顏昌翔, 楊宇飛

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

星間激光通信終端光學(xué)天線的隔離度

楊成龍1,2, 顏昌翔1*, 楊宇飛1,2

(1.中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所,吉林 長(zhǎng)春 130033; 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué),北京 100049)

為滿足星間激光通信對(duì)高隔離水平光學(xué)天線的要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)光學(xué)天線隔離度的仿真分析和優(yōu)化，提出了一種將紅外系統(tǒng)冷反射的特征控制量YNI值作為衡量光學(xué)元件表面后向反射能量強(qiáng)度，并控制光學(xué)天線優(yōu)化以提高隔離度水平的方法。在LightTools軟件中為某激光通信終端的卡塞格林天線創(chuàng)建了實(shí)體模型，通過(guò)仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX軟件中以增大各元件表面的YNI值為目標(biāo)優(yōu)化天線結(jié)構(gòu)。對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)果，系統(tǒng)的后向反射率從3.068 8×10-4減小到1.075 5×10-5，隔離度從-35.13 dB減小到-49.68 dB。優(yōu)化后的卡塞格林天線具備較高的隔離度水平，可用于星間激光通信。

激光通信;隔離度;后向反射;YNI值

1 引 言

星間激光通信終端是一種弱能量探測(cè)系統(tǒng)，由于通信接收到的信號(hào)光強(qiáng)度非常微弱，而發(fā)射光束的能量很強(qiáng)，因此發(fā)射和接收之間必須進(jìn)行高度隔離，否則發(fā)射光經(jīng)過(guò)光學(xué)元件的后向反射或者散射后會(huì)到達(dá)通信或捕獲接收器上，對(duì)信號(hào)產(chǎn)生嚴(yán)重影響，甚至?xí)苯愉螞](méi)接收信號(hào)，導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常工作[1]。為了提高通信終端的隔離度水平，可以進(jìn)行時(shí)域分光或空間分光，時(shí)域分光是在時(shí)域上將通信的發(fā)射和接收過(guò)程分開(kāi)，而空間分光則是采用不同的光學(xué)天線將通信的發(fā)射和接收過(guò)程在空間上分開(kāi)。這兩種方式雖然均能提高通信終端的隔離度水平，但卻降低了效率，增加了成本，并不適合于星間激光通信。星間激光通信終端多采用收發(fā)一體的雙工通信模式，即通信的發(fā)射和接收過(guò)程共用光學(xué)天線，常用光譜分光、偏振分光等方法進(jìn)行收發(fā)光束的隔離[2-5]，但這些方法對(duì)相關(guān)光學(xué)器件的要求較高，并且當(dāng)光學(xué)天線后向反射的能量較大時(shí)，分光難度將進(jìn)一步增大，導(dǎo)致終端的總隔離度無(wú)法達(dá)到較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此必須提高光學(xué)天線的隔離度水平，保證發(fā)射光束在經(jīng)過(guò)光學(xué)天線時(shí)，產(chǎn)生的后向反射能量足夠小，以減弱對(duì)接收光束的影響。

目前國(guó)內(nèi)的星間激光通信尚處于實(shí)驗(yàn)室研究階段，在未來(lái)應(yīng)用于實(shí)際時(shí)，通信終端必將對(duì)光學(xué)天線提出較高的隔離度要求，但國(guó)內(nèi)外關(guān)于如何采用軟件實(shí)現(xiàn)天線隔離度的仿真計(jì)算，以及如何控制光學(xué)天線的優(yōu)化以提高隔離度水平方面的研究還未見(jiàn)報(bào)道。因此對(duì)天線隔離度的仿真分析、檢測(cè)研究具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義[6-9]。

本文從提高光學(xué)天線的隔離度水平出發(fā)，引入后向反射率，提出了一種將紅外系統(tǒng)冷反射的特征控制量YNI(入射高度、介質(zhì)折射率和入射角乘積)作為衡量光學(xué)天線元件表面后向反射能量強(qiáng)度的方法，并以增大光學(xué)元件表面的YNI值作為目標(biāo)，對(duì)光學(xué)天線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)LightTools軟件對(duì)優(yōu)化前后的光學(xué)天線進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明，采用YNI值控制光學(xué)天線的優(yōu)化可以有效提高隔離度水平。

2 光學(xué)天線隔離度

星間激光通信終端的光學(xué)天線常采用卡塞格林結(jié)構(gòu)，其由物鏡和目鏡組成。物鏡包括1個(gè)主鏡和1個(gè)次鏡，目鏡包括若干透鏡，當(dāng)發(fā)射激光經(jīng)過(guò)天線各光學(xué)元件表面時(shí)，產(chǎn)生的后向反射能量就會(huì)進(jìn)入接收器。后向反射能量的相對(duì)強(qiáng)度用后向反射率R描述：

圖1 后向反射率的定義Fig. 1 Definition of back-reflection ratio

如圖1所示[10]，EE為終端發(fā)射并充滿天線出瞳的準(zhǔn)直激光能量，ER是發(fā)射激光經(jīng)過(guò)天線各光學(xué)元件表面后向反射回來(lái)且入射角小于出瞳視場(chǎng)角的能量。得到后向反射率R后，再通過(guò)式(2)計(jì)算天線的隔離度YI：

3 基于冷反射理論的后向反射評(píng)價(jià)方法

3.1 冷反射理論

在制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)中，冷反射是必須要考慮的現(xiàn)象。由于探測(cè)器光敏面的溫度為80～100 K，它與系統(tǒng)的工作溫度相差很大，是非常強(qiáng)的冷輻射源[11]。當(dāng)探測(cè)器發(fā)出的冷光線聚焦或正入射到透鏡表面時(shí)，將經(jīng)表面反射后再度聚焦到焦平面上，從而在圖像中心形成一個(gè)冷斑，即探測(cè)器經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)表面而觀察到自身形成的冷像[12]。冷反射的存在會(huì)影響紅外光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因此在進(jìn)行紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，必須盡量抑制冷反射現(xiàn)象的產(chǎn)生。

冷反射現(xiàn)象中的冷光斑能量與光學(xué)構(gòu)型、鏡片形狀、鍍膜等因素密切相關(guān)。在使用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)制冷型紅外光學(xué)系統(tǒng)時(shí)，為抑制冷反射現(xiàn)象，通常將YNI和I/Ibar這2個(gè)參數(shù)作為光學(xué)系統(tǒng)中各表面產(chǎn)生冷反射強(qiáng)度的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：

式中，YNI反映的是光學(xué)系統(tǒng)中心視場(chǎng)處后向反射能量的強(qiáng)度，它是近軸邊緣光線在光學(xué)表面上的入射高度y、介質(zhì)折射率n和入射角i的乘積。YNI的值越接近于0時(shí)，光學(xué)元件表面產(chǎn)生的冷反射就越嚴(yán)重；當(dāng)YNI的值大于1時(shí)，一般可以認(rèn)為該光學(xué)表面產(chǎn)生的冷反射很小。I/Ibar反映的是光學(xué)元件表面后向反射能量隨視場(chǎng)的變化，I和iz分別為軸上視場(chǎng)的邊緣光線和邊緣視場(chǎng)的主光線在光學(xué)表面的入射角，若I/Ibar大于1，則可認(rèn)為冷反射強(qiáng)度不隨視場(chǎng)變化[13-16]。

3.2 光學(xué)天線后向反射強(qiáng)度的評(píng)價(jià)方法

對(duì)于激光通信過(guò)程，終端發(fā)射的激光光束經(jīng)過(guò)光學(xué)天線各元件表面后，產(chǎn)生的后向反射能量會(huì)進(jìn)入到接收探測(cè)器中，影響通信質(zhì)量。這類(lèi)似于紅外系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象，二者都是內(nèi)部光束經(jīng)過(guò)系統(tǒng)各元件表面后產(chǎn)生后向反射能量。不同的是，冷反射現(xiàn)象中的冷光線是因探測(cè)器與環(huán)境溫差較大而產(chǎn)生的紅外輻射，不是單一波長(zhǎng)；而激光通信的后向反射光束則來(lái)源于終端發(fā)射支路激光器發(fā)出的單一波長(zhǎng)的激光。

由于激光通信系統(tǒng)元件表面的后向反射類(lèi)似于紅外系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象，因此本文提出了一種控制光學(xué)天線后向反射能量的新方法，即：將紅外系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)評(píng)價(jià)冷反射強(qiáng)度的特征參數(shù)YNI和I/Ibar應(yīng)用于激光通信終端光學(xué)天線的優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程。星間激光通信的信號(hào)光視場(chǎng)很小，所以在評(píng)價(jià)光學(xué)天線各表面的后向反射強(qiáng)度時(shí)，僅需考慮YNI，而不用考慮I/Ibar。

圖2 入射角為0°時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)Fig. 2 Schematic diagram of optical system when incident angle is zero

圖3 入射高度為0時(shí)的光學(xué)系統(tǒng)Fig. 3 Schematic diagram of optical system when incident height is zero

當(dāng)發(fā)射光線被某一表面反射而原路返回時(shí)，根據(jù)光路可逆原理，必定會(huì)進(jìn)入原發(fā)射單元，這時(shí)該表面產(chǎn)生的后向反射能量最大。例如，光線垂直入射到光學(xué)元件表面時(shí)，即入射角為0°；光線入射在某表面的頂點(diǎn)時(shí)，即在該表面的入射高度為0。由YNI的定義可知，圖2中表面2和圖3中表面4的YNI值都為0，此時(shí)產(chǎn)生的后向反射能量最強(qiáng)[11]。因此光學(xué)元件表面的YNI值越接近于0，其產(chǎn)生的后向反射能量越強(qiáng)；而當(dāng)YNI值大于1時(shí)，則可認(rèn)為該光學(xué)表面產(chǎn)生的后向反射能量很小，返回到后繼光學(xué)系統(tǒng)中的光能很弱，對(duì)接收光束的影響較小。

根據(jù)以上理論，在對(duì)激光通信終端光學(xué)天線系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過(guò)約束YNI值(盡量使每個(gè)表面的YNI值都大于1)，來(lái)對(duì)中心視場(chǎng)的后向反射進(jìn)行分析和控制；同時(shí)，通過(guò)改變光學(xué)表面的曲率來(lái)增加光線在該表面的入射角i，或改變間隔來(lái)增加入射高度h，進(jìn)而達(dá)到提高各光學(xué)表面YNI值的目的，使后向反射的光線散焦，入射角度超過(guò)像方視場(chǎng)角范圍，從而無(wú)法進(jìn)入后繼光學(xué)系統(tǒng)影響接收光束。如此，在保證光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)良的情況下，達(dá)到了減小后向反射能量的目的。

4 實(shí)例分析

4.1 卡塞格林天線光學(xué)設(shè)計(jì)

該實(shí)例系統(tǒng)應(yīng)用于某在研的星間激光通信終端，卡塞格林天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)指標(biāo)，選取合理的初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在ZEMAX軟件中完成了如圖4所示的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。從如圖5所示的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可以看出，最終系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好，各個(gè)視場(chǎng)都在衍射極限以?xún)?nèi)。

表1 卡塞格林天線的設(shè)計(jì)指標(biāo)Tab. 1 Design specifications of Cassegrain antenna

圖4 卡塞格林天線結(jié)構(gòu)Fig. 4 Structure of Cassegrain antenna

圖5 卡塞格林天線的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig. 5 MTF curves of Cassegrain antenna

4.2 系統(tǒng)的建模與仿真

根據(jù)光學(xué)設(shè)計(jì)結(jié)果，在照明分析軟件LightTools中對(duì)設(shè)計(jì)好的卡塞格林天線進(jìn)行建模。首先定義各光學(xué)元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)的表面屬性，主、次鏡表面鍍銀膜后的反射率及透鏡鍍?cè)鐾改ず蟮耐高^(guò)率按ZEMAX中的數(shù)據(jù)進(jìn)行賦值，機(jī)械結(jié)構(gòu)表面為朗伯散射，吸收率設(shè)置為99%。在天線出瞳位置處建立和出瞳大小(即半徑為10 mm)相同的圓形接收器，用來(lái)接收后向反射光。在透鏡3與接收器之間定義一個(gè)激光光源，發(fā)射充滿透鏡3的準(zhǔn)直激光，輻射功率為1 W。在接收器上，為每個(gè)待測(cè)表面定義一個(gè)濾片組，用來(lái)獲取仿真分析時(shí)各表面的后向反射能量數(shù)據(jù)，并通過(guò)角度濾片限制接收的后向反射光的入射角小于像方視場(chǎng)角±0.087 5°，以保證接收到的后向反射光能夠進(jìn)入后繼光學(xué)系統(tǒng)。

圖6 卡塞格林天線的光線追跡Fig. 6 Ray tracing of Cassegrain antenna

在LightTools軟件中，采用蒙特卡洛法進(jìn)行光線追跡，如圖6所示，設(shè)置追跡的光線總數(shù)為200萬(wàn)，相對(duì)光線功率閾值為10-10，啟用正向模擬。仿真結(jié)果如表2所示。表2中給的透鏡編號(hào)和圖4保持一致。

表2 各元件的后向反射率及YNI值Tab. 2 Back-reflection ratio and YNI value of each element

天線系統(tǒng)整體的后向反射率為3.068 8×10-4，代入到隔離度計(jì)算公式中，得到卡塞格林光學(xué)天線的隔離度為-35.13 dB，隔離度水平不高。在所有的光學(xué)元件和機(jī)械結(jié)構(gòu)中，3塊透鏡和次鏡的后向反射能量較高，因?yàn)檫@些元件表面可以直接將發(fā)射激光反射到接收器上。各級(jí)遮光罩、支撐結(jié)構(gòu)、主鏡等因目鏡筒上的機(jī)械結(jié)構(gòu)擋住了從主鏡中心開(kāi)孔處散射回來(lái)的光線，因此后向反射能量為0。在3塊透鏡中，透鏡1前后2個(gè)表面的后向反射能量最強(qiáng)，遠(yuǎn)高于另外2塊透鏡表面的反射能量。從ZEMAX中得到的各表面的YNI數(shù)據(jù)也完全符合這個(gè)規(guī)律，即透鏡1前后2個(gè)表面的YNI值非常小，尤其是透鏡1后表面的YNI值僅為0.051 99，而該表面對(duì)應(yīng)的后向反射能量占總能量的87.8%，是天線后向反射能量的最主要來(lái)源，嚴(yán)重降低了系統(tǒng)的隔離度水平。仿真結(jié)果表明，光學(xué)元件表面的YNI值越接近0，其后向反射能量越強(qiáng)，證明上面提到的用YNI值來(lái)評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)中各表面后向反射強(qiáng)度的方法是正確的。

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)及結(jié)果

為減弱天線的后向反射能量，提高隔離度水平，在ZEMAX軟件中對(duì)光學(xué)天線進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化過(guò)程中使用YNIP操作數(shù)來(lái)控制各表面YNI值的變化。在保證系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)良且不增加透鏡數(shù)量的條件下，通過(guò)改變3塊透鏡的表面曲率及透鏡間隔，增大透鏡1前后2個(gè)表面的YNI值，并盡量保持其他元件表面的YNI值仍大于1。優(yōu)化后的系統(tǒng)如圖7所示，主、次鏡的口徑和位置保持不變，但3塊透鏡的表面曲率及相對(duì)位置發(fā)生了改變。從圖8所示的優(yōu)化后系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的像質(zhì)和優(yōu)化前的像質(zhì)相同，各視場(chǎng)都在衍射極限內(nèi)。對(duì)比表2和表3可知，在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，透鏡1前后表面的YNI值分別從優(yōu)化前的0.138 37和0.051 99增大到0.525 68和0.500 21，雖然優(yōu)化后的YNI值仍小于1，但與優(yōu)化前相比，前后2個(gè)表面的后向反射能量得以大幅減弱。此外，其他元件表面的YNI值均大于1，相比于優(yōu)化前變化不大，后向反射能量仍保持在優(yōu)化前的數(shù)量級(jí)水平。

圖7 優(yōu)化后的天線結(jié)構(gòu)Fig. 7 Structure of optimized antenna

圖8 優(yōu)化后系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig. 8 MTF curves of optimized system

依據(jù)優(yōu)化后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，在LightTools軟件中對(duì)卡塞格林天線模型進(jìn)行修改，仍然設(shè)置追跡的光線總數(shù)為200萬(wàn)，相對(duì)光線功率閾值為10-10，啟用正向模擬，得到表3數(shù)據(jù)。

表3 優(yōu)化后各元件的后向反射率及YNI值Tab. 3 Back-reflection ratio and YNI value of each element after optimization

天線系統(tǒng)整體的后向反射率為1.075 5×10-5。優(yōu)化后的仿真結(jié)果顯示，卡塞格林天線的后向反射率減小了1個(gè)數(shù)量級(jí)，系統(tǒng)的隔離度減小到-49.68 dB，光學(xué)天線的隔離度水平提高了14.55 dB。透鏡1前表面的后向反射率從3.378 9×10-5減小到4.124 9×10-6，占系統(tǒng)總后向反射能量的38.35%；透鏡1后表面的后向反射率從2.694 5×10-4減小到2.672 7×10-6，占系統(tǒng)總后向反射能量的24.85%。與優(yōu)化前相比，透鏡1前后2個(gè)表面的后向反射能量大幅減弱。在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，透鏡1前后2個(gè)表面及次鏡的后向反射率都在10-6數(shù)量級(jí)，是系統(tǒng)中對(duì)后向反射貢獻(xiàn)最大的表面，但與優(yōu)化前相比，各表面對(duì)后向反射能量的貢獻(xiàn)趨于平均，實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化后系統(tǒng)各表面的YNI值與后向反射率R的變化趨勢(shì)相反，仍然保持了YNI值越接近于0，后向反射率R越大的規(guī)律。因此在激光通信光學(xué)天線的設(shè)計(jì)過(guò)程中，不僅要保證系統(tǒng)的像質(zhì)良好，而且要保證各元件表面的YNI值不能太小，盡量大于1，以保證天線的隔離度水平滿足通信要求。

5 結(jié) 論

本文從理論上給出了卡塞格林天線后向反射率和隔離度的定義及分析方法，提出了一種以YNI值控制天線后向反射能量的優(yōu)化方法，通過(guò)對(duì)某激光通信終端卡塞格林天線進(jìn)行建模并仿真分析，驗(yàn)證了元件表面YNI值越接近于0時(shí)，其后向反射能量越大的規(guī)律。因此在設(shè)計(jì)激光通信終端光學(xué)天線時(shí)，應(yīng)合理選擇結(jié)構(gòu)的形式，在確保像質(zhì)優(yōu)良的同時(shí)對(duì)光學(xué)表面的YNI值進(jìn)行分析、控制，使各表面的YNI值越大越好，減少能夠進(jìn)入后繼光學(xué)系統(tǒng)中的后向反射能量， 提高激光通信中光學(xué)天線的隔離度水平，使整個(gè)系統(tǒng)的總隔離度滿足高指標(biāo)設(shè)計(jì)要求。

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Isolation of optical antenna of inter-satellites lasercommunication terminals

YANG Cheng-long1,2, YAN Chang-xiang1*, YANG Yu-fei1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)*Corresponding author, E-mail:yancx@ciomp.ac.cn

To meet the requirement of inter-satellites laser communication for higher isolation level of optical antenna and achieve the simulation analysis and optimization of optical antenna′s isolation level, a method using theYNIvalue (characteristic value of narcissus in infrared optical system) as the evaluation of back-reflection energy intensity of optical element surfaces and increasing the isolation level of optical antenna by controlling its optimization is presented. An entity model of Cassegrain antenna in an inter-satellites laser communication terminal is established by LightTools software, and back-reflection ratio of each element surface is obtained through simulation and analysis. Optical antenna′s structure is optimized by increasing theYNIvalue of each element surface by ZEMAX software. Comparing the results before and after optimization, the optical antenna′s back-reflection ratio decreases from 3.068 8×10-4to 1.075 5×10-5and the isolation level decreases from -35.13 dB to -49.68 dB. The optimized Cassegrain antenna has a high isolation level, which can be used for inter-satellites laser communication.

laser communication;isolation;back-reflection;YNIvalue

2017-02-05；

2017-03-28

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(No. 2011AA12A103) Supported by National High Technology Research and Development Program of China(No. 2011AA12A103)

2095-1531(2017)04-0462-07

TN929.13

A

10.3788/CO.20171001. 0462

楊成龍(1991—),男,吉林省吉林市人,碩士研究生,2014年于天津大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事星間激光通信光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)及雜散光方面的研究。E-mail:yangcl_1991@163.com

顏昌翔(1973—),男,湖北洪湖人,研究員,2001年于中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所獲得博士學(xué)位,主要從事空間光學(xué)遙感技術(shù)方面的研究。E-mail:yancx@ciomp.ac.cn