基于雙反射面的紫外光通信光學(xué)天線(xiàn)的研究＊

李曉明，華文深，吳先權(quán)

（軍械工程學(xué)院 光學(xué)與電子工程系，河北 石家莊 050003）

引 言

自由空間紫外光通信是一種新型的局域通信技術(shù)，它是將信號(hào)加載到200～300nm的日盲區(qū)紫外光中，利用大氣的光散射效應(yīng)進(jìn)行傳輸，接收端通過(guò)光學(xué)天線(xiàn)收集后采用光電探測(cè)器件接收，經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和放大解調(diào)等電路處理還原出初始信號(hào)［1］。整個(gè)系統(tǒng)中，光學(xué)天線(xiàn)具有收集大氣中微弱的散射信號(hào)并進(jìn)行放大和頻譜濾波的作用。實(shí)際應(yīng)用中，進(jìn)行通信的發(fā)射端和接收端相對(duì)位置不斷地發(fā)生變化，因此設(shè)計(jì)一種具有大視場(chǎng)的光學(xué)天線(xiàn)具有重要意義［2］。文中旨在探索一種大視場(chǎng)光學(xué)天線(xiàn)的設(shè)計(jì)方法，利用TracePro軟件仿真了一種基于雙反射面的大視場(chǎng)光學(xué)接收天線(xiàn)，并對(duì)其視場(chǎng)和照度特性等進(jìn)行分析。

1 理論與分析

基于雙反射面的紫外光通信光學(xué)天線(xiàn)的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理如圖1所示［3］，其中R1和R2面是反射式窄帶濾光片，通過(guò)其對(duì)不同波段光反射率的差異能夠有效地濾除背景噪聲，提高性噪比；F為日盲區(qū)紫外濾光片。光經(jīng)過(guò)具有低通反射濾波功能的R1和R2反射面的兩次反射濾波后，再通過(guò)透射濾波片F(xiàn)，進(jìn)入CPC，利用CPC進(jìn)行聚光后入射到光電探測(cè)器完成光電轉(zhuǎn)換，這就是雙反射光學(xué)天線(xiàn)的基本原理。

1.1 CPC的計(jì)算

CPC全稱(chēng)為復(fù)合拋物面聚光器，它是利用邊緣光學(xué)原理制成的，并廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能聚光器中［4］。圖2為CPC的截面示意圖。CPC將光能量采集到焦平面FF′上，并通過(guò)焦平面處的光電探測(cè)器變成電信號(hào)，再進(jìn)行后續(xù)處理。如圖2所示，將入射光線(xiàn)與Y軸的夾角定義為θi，F(xiàn)S′和F′S的夾角為2θmax。當(dāng)θi＞θmax時(shí)，入射光線(xiàn)經(jīng)CPC反射從入射口射出；而當(dāng)θi＜θmax時(shí)，入射光線(xiàn)經(jīng)反射能夠全部匯聚在焦平面FF′上，由此把θi＜θmax的光能量全部收集到焦面處的探測(cè)器上，這就是CPC的聚光原理，其視場(chǎng)角即為2θmax［5］。

對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)的CPC，它的焦距f、長(zhǎng)度l、入射孔徑2r和出射孔徑2a之間滿(mǎn)足以下關(guān)系［5－7］

式（3）中，Cmax為CPC（二維）的聚光比。

1.2 雙反射面的計(jì)算

在圖1所示的光學(xué)天線(xiàn)系統(tǒng)中，雙反射面R1和R2擔(dān)負(fù)著接收光信號(hào)進(jìn)行濾波并將其反射到CPC中的作用，對(duì)它的設(shè)計(jì)要求具有全視角和較高的效率。為方便計(jì)算，現(xiàn)將反射面R2近似看作錐面，R1為平面，入射光線(xiàn)經(jīng)過(guò)兩次反射后進(jìn)入CPC系統(tǒng)中，圖3為其結(jié)構(gòu)框圖。光線(xiàn)1、2為兩條入射光線(xiàn)，設(shè)光線(xiàn)1沿水平方向入射到反射面R2，交R2于A點(diǎn)，經(jīng)過(guò)R2反射后以最大接收角入射到CPC中；光線(xiàn)2以入射角φ入射到反射面R1上，交R1于D點(diǎn)，經(jīng)R1平面反射后垂直入射到R2反射面上，入射光線(xiàn)2′垂直于AC，交R2于A點(diǎn)，光線(xiàn)1、2的夾角為α。

圖3 雙反射面的剖面圖Fig.3 The profile of the two－surface reflection

由反射定律易知α＋β＝90°，且∠BAC＝β，則根據(jù)幾何關(guān)系易求得：

下面還需要考慮反射面R2的底面半徑r2、反射面R1的環(huán)徑r1以及反射面R2與CPC距離s的關(guān)系。

由幾何關(guān)系可得：

綜合式（4）～式（9），可求得：

2 視場(chǎng)角與照度分析

為了保證增益，現(xiàn)設(shè)定CPC的增益為2，探測(cè)器采用日本濱松光子技術(shù)有限公司生產(chǎn)的R212型光電倍增管，其陰極尺寸為24mm×8mm，故可設(shè)定CPC出射焦平面的半徑a為13mm，由式（1）～式（3）可求得最大入射角θmax為30°，出射面半徑r為26mm，焦距f為19.5mm，l為67.896mm。利用TracePro建模如圖4所示。

圖4 CPC和雙反射面的三維框架圖Fig.4 The wireframe of the CPC and two－surface reflection

2.1 視場(chǎng)角分析

設(shè)定CPC的最大視場(chǎng)角為30°，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，入射光線(xiàn)角度以從左上方入射為正、左下方入射為負(fù)，對(duì)雙反射面的實(shí)體模型進(jìn)行光線(xiàn)追跡如圖5所示?？梢钥闯鲭p反射面存在兩個(gè)有效的視場(chǎng)區(qū)：－30°～0°和30°～60°，故有效地增加了視場(chǎng)。在實(shí)際應(yīng)用中，紫外通信終端的位置不斷變化，標(biāo)準(zhǔn)CPC光學(xué)天線(xiàn)具有較強(qiáng)的指向性，而雙反射面能夠接受周?chē)?60°的較大視場(chǎng)的光，無(wú)需改變位置，更符合實(shí)際要求。

圖5 不同入射角入射雙反射面Fig.5 Two－surface reflection in different incident angle

2.2 照度分析

在非視線(xiàn)紫外光通信系統(tǒng)中，以光學(xué)天線(xiàn)和光電探測(cè)器為核心的接收機(jī)將接收來(lái)自半球空域的信號(hào)，將帶有光學(xué)天線(xiàn)的接收機(jī)置于地表附近，接收來(lái)自半球空域的光信號(hào)。

利用半徑為300mm半球空域的隨機(jī)光線(xiàn)，采用Lambert角分布的表面光源發(fā)射光線(xiàn)，功率為100W，設(shè)置CPC的出射面為接收平面。單獨(dú)CPC的照度圖如圖6所示，s為55mm時(shí)帶雙反射面時(shí)CPC得到的照度圖如圖7所示，當(dāng)s取不同值時(shí)，R1和R2發(fā)生變化，即雙反射面接收器的口徑得到接收面的輻射通量如表1和圖8所示。

雙反射面光學(xué)天線(xiàn)的聚光效率隨著兩反射面的距離成正相關(guān)變化，這主要是因?yàn)榘凑赵O(shè)計(jì)要求，隨著距離s的增加，導(dǎo)致雙反射面尺寸加大、即光學(xué)天線(xiàn)孔徑增加，導(dǎo)致進(jìn)入CPC的光線(xiàn)數(shù)量的增多。實(shí)際應(yīng)用中，光學(xué)元件太大會(huì)增大加工的難度，因此需要綜合考慮雙反射面大小和聚光比的值。

表1 出射面的輻射通量值ΦTab.1 Total flux（Φ）in the plane of light incidence

圖8 不同距離的輻射通量值Fig.8 Total flux in different distance

3 結(jié) 論

現(xiàn)設(shè)計(jì)的一種雙反射面大視場(chǎng)的光學(xué)天線(xiàn)對(duì)紫外通信系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用具有重要意義。文中對(duì)該光學(xué)天線(xiàn)的CPC和雙反射鏡進(jìn)行了設(shè)計(jì)計(jì)算，對(duì)雙反射面的視場(chǎng)和輻照度進(jìn)行了仿真分析，并與標(biāo)準(zhǔn)的CPC進(jìn)行了對(duì)比。文中設(shè)計(jì)的雙反射光學(xué)天線(xiàn)能夠有效地增大探測(cè)器的視場(chǎng)，并有較大的聚光比。下一步的研究工作是通過(guò)對(duì)反射面的優(yōu)化，進(jìn)一步提升其性能。

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