寬視角光學接收天線研究與進展

孫文昌 袁 丹

（電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054）

寬視角光學接收天線研究與進展

孫文昌 袁 丹

（電子科技大學物理電子學院，四川 成都 610054）

目前的寬視角的接收一般采用視角分割，以使用多探測器或者復雜接收系統(tǒng)（如光纖陣列）等方式獲得，但以上方式主要用于光電對抗的方位探測，在空間激光通信等場合難以適用?；诳臻g激光通信領域，結合目前寬視角光學接收天線的研究和進展情況，比較分析了現(xiàn)有的技術后，綜合考慮視角、光學增益及像差大小,提出一種系統(tǒng)的新思路，針對寬視角、大口徑接收面積的指標需求，以小接收面積光電探測器、陣列化天線為約束前提，力爭結構簡單、經(jīng)濟合理，為后續(xù)的深入研究打下良好的基礎。

寬視角；大增益；接收天線；空間光通信；相控陣天線；衍射光學元件

1 引言

光學系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到通信的可靠性[1]。光學天線相當于一個物鏡系統(tǒng)，通常有折射式、反射式、折反式三種類型[2]。折射式光學天線系統(tǒng)適用于可見光和近紅外，反射系統(tǒng)適用于全波段。發(fā)射光學系統(tǒng)的主要功能是壓縮光束發(fā)散角，對光束進行準直和擴束；接收光學系統(tǒng)的作用是接收微弱光信號并會聚至探測器表面，增大探測器的有效接收面積。當通信距離比較遠時，在背景光比較強的情況下，信號的捕獲和跟蹤就是一個重要的問題[3]，特別是在空間激光通信中，背景光產(chǎn)生很強的干擾，大大增加了信號接收的難度。

2 寬視角光學接收天線研究現(xiàn)狀

寬視角光學系統(tǒng)的主要特點是視角大、像面照度均勻、工作焦距長、像點彌散斑小、結構緊湊、重量輕。當前應用中主要是通過光學天線的機械運動來掃描光束，比如使用二維或三維萬向架型的機械 APT（捕獲、瞄準、跟蹤）光學天線系統(tǒng)，通過步進電機控制萬向架轉動從而實現(xiàn)光束的掃描[4]。其缺點是速度和響應度慢、機械振動影響對準精度，實時性較差。與傳統(tǒng)的機械式光學天線系統(tǒng)相比，相控陣光學天線靈敏、小巧、重量輕，無慣性、低功耗、可獲得納秒級的掃描速度，對不同方位信號光束，采用寬視角的接收方式予以實時采集，以期克服機械控制的諸多缺點并顯著增強光學系統(tǒng)的性能[5]。

2.1 ATP系統(tǒng)介紹

一個典型ATP系統(tǒng)的簡單環(huán)路如圖1所示，系統(tǒng)使用了大口徑反射式卡塞格倫光學天線接收信標和信號的合束光，經(jīng)過分光鏡后，一部分光經(jīng)過濾光鏡濾除信標光，信號光到達信號探測器，另一部分光照射在CCD探測面上，形成光斑。為盡可能降低探測器的光能損失，該系統(tǒng)采用了分光鏡設計，該分光鏡對信標光有高透射率，而對信號光有高反射率。經(jīng)由數(shù)字信號處理電路以特定算法計算出光斑質心位置后，CCD探測器發(fā)出相應的糾正信號給步進電機驅動電路，由驅動電路控制萬向支架傳動裝置上的步進電機，對光學天線的接收視角進行調整，引導天線視軸與接收光束到達方向一致[4]。

圖1 ATP粗跟蹤環(huán)路

2.2 相控陣天線

陣列天線指在相位上相干的多個輻射單元(陣元)按一定陣列方式組成的天線系統(tǒng)。其陣元可以是終端開口波導、小型面元、偶極子等，陣列有平面陣、線陣及三維陣三種，其中平面陣應用最多。常見的平面陣列柵格有周期方形柵格和周期正三角形柵格兩種，如圖2所示，其中(a)為方形柵格陣列天線，該天線由(2M+1)(2N-1)個圓口面陣元構成，陣元按方形柵格排列，間距為d；(b)為正三角形柵格排列，間距也為 d。有研究表明，結合光纖束和光纖編碼的技術，接收光信號通過光學系統(tǒng)后，聚集在由許多探測器組成的探測器陣列上。通過隨后的計算電路和一一對應的探測器，可以精確確定入射光的方向。同時對各探測器的電荷求和，也可檢測入射輻射的強度。通過適當?shù)陌才牛热绮捎霉饫w延遲技術，也可同時測量入射輻射的波長[6]。

圖2 陣列天線示意圖

所謂相控陣天線就是對陣列天線各陣元的相位進行控制從而獲得特定的波束指向。圖3所示為相控陣天線的功能框圖,圖中,饋源送出的信號被分成若干路,各路信號均有獨立的相移器對其相位進行控制,經(jīng)移相的信號分別被放大(加權)后送入對應的陣元輻射,所有的陣元輻射相干疊加之后即可形成特定的波束指向和形狀，從而實現(xiàn)波束高速、高精度的近似實時掃描[7]。

圖3 相控陣天線功能框圖

2.3 寬視角光學接收天線的一些典型應用

在激光告警等離目標較近的較高激光能量場合，已有多種光學結構設計，通常是使用復雜的多透鏡系統(tǒng)來實現(xiàn)寬視角光學系統(tǒng)[8]，使光學系統(tǒng)具有一定的光學增益從而解決寬視角和小光敏面匹配的矛盾。

在激光探測告警設備研究中，其中用于寬視角有增益光學系統(tǒng)的部分，相關的研究證實：用于紅外的光學系統(tǒng)有反射式和透射式光學系統(tǒng)兩大類，雖然反射鏡在紅外波段具有高反射率，且無色差，但隨著視角的增大，反射系統(tǒng)的中心遮攔增大，將嚴重影響輻射能量利用率[9]。因此，對于寬視角系統(tǒng)，一般不宜使用反射光學系統(tǒng)；同樣，折射反射系統(tǒng)也不合適[10]。

光學天線需要同時具有寬視角和較高光增益兩個方面的性能，才能適用于相控陣相干接收，而傳統(tǒng)光學結構往往只能達到一個方面的需求。如圖4所示的魚眼鏡頭，全視角170°，理論光學增益僅0.037。2003年國內(nèi)利用紅外非制冷焦平面探測器、廣角鏡頭光學系統(tǒng)、窄帶濾波片和信號處理系統(tǒng)，研制成的凝視成像激光探測與告警系統(tǒng)，能在 127°視角范圍內(nèi)對多波長激光進行告警，根據(jù)其光學系統(tǒng)結構參數(shù)計算理論光學增益只有0.496[11]。

圖4 魚眼透鏡

在寬視角有增益光學系統(tǒng)用于激光探測告警器的相關研究中，如圖5的光學系統(tǒng)由物鏡A、浸沒透鏡B 和探測器C組成。為減少能量損失，物鏡采用單透鏡結構,浸沒透鏡采用超半球結構，可利用其產(chǎn)生的球差來平衡物鏡所產(chǎn)生的球差。為了保證系統(tǒng)有較高增益，浸沒透鏡應選擇折射率比較高的光學材料,故考慮使用紅外光學(晶體)材料。重點要考慮材料的紅外透過波段、折射率、色散、材料受熱時的自輻射特性等要素。該系統(tǒng)的主要技術指標如下：系統(tǒng)視角2ω=30°，光學增益G≥10；通光口徑Φ0=10mm；采用r3=5mm的超半球浸沒透鏡；PIN光電探測器光敏面尺寸Φ=2mm，工作波段1.06～1.54μm。

圖5 光學系統(tǒng)光路圖

激光輻射探測光學系統(tǒng)是激光對抗系統(tǒng)中的關鍵技術之一[12]，通常要求具有探測距離遠，接收空域大，精確定位輻射源等特點。由于激光的高度方向性和單色性，所以，系統(tǒng)在多數(shù)情況下只要求滿足正弦條件和消球差即可。此類光學系統(tǒng)由于對象質要求不高，而要求有高的靈敏度，所以，大多數(shù)激光輻射探測光學系統(tǒng)為大相對口徑系統(tǒng)。

輻射探測光學系統(tǒng)宜采用反射式或折反射式以適應寬光譜范圍，并有盡可能簡單的光學結構，在實際應用中，激光輻射探測光學系統(tǒng)需要靈敏的截獲警戒區(qū)域內(nèi)激光輻射能，并將其均勻的會聚在光電探測器的光敏面上，完成光電信號轉換，并且精確確定輻射源的位置、光束特性(包括強度特性、頻譜特性、偏振特性等)、編碼特性、時間特性。同時，消除環(huán)境及其光學系統(tǒng)本身的干擾，提高其信噪比[13]。因此，激光輻射探測光學系統(tǒng)主要以靈敏度和信噪比作為評價依據(jù)，而不是分辨率。

3 基于相控陣系統(tǒng)待解決的關鍵問題分析

3.1 系統(tǒng)遠距離接收問題分析

相控陣天線需要針對較遠距離的目標，此時其返回光信號相當微弱，接收天線需要足夠大的口徑以獲得充分高的光學增益。然而大口徑的光學天線的相對孔徑有限，系統(tǒng)口徑與探測器光敏面的大小將對天線系統(tǒng)進一步制約[4]。因此，目前大口徑光學天線用于寬視角接收尚沒有良好的系統(tǒng)方案予以解決。

目前的光學接收天線一般使用多探測器或者復雜接收系統(tǒng)（如光纖陣列）進行視角分割以達到寬視場接收的效果。同時為了獲得高增益，解決寬視角和小光敏面匹配的矛盾，系統(tǒng)常常采用場鏡、光錐、浸沒透鏡等輔助光學元件或光闌移動的方法。如圖6是一種采用超半球浸沒透鏡的寬視角有增益光學天線系統(tǒng)，其視角30°，光學增益可達20倍以上。但考慮相控陣天線系統(tǒng)對探測目標距離的需求，上述的增益仍然不足。

圖6 采用超半球浸沒透鏡的寬視角有增益光學系統(tǒng)光路圖

用于寬視角的折射式光學系統(tǒng)主要有雙高斯結構和反遠結構[14]，雙高斯物鏡是一種常被用作寬視角，大孔徑的光學系統(tǒng)。雙高斯物鏡其典型特點是采用對稱型結構，視角可達40°，相對孔徑為 1/2。根據(jù)像差理論，對稱結構可校正如畸變、彗差、倍率色差等垂軸像差,像散可通過選擇合適的光闌位置進行校正。有研究表明，為了達到大相對孔徑寬視角的目的，選用如圖7的復雜化雙高斯型光學結構，光學鏡頭

由七組八片組成，并且在一片雙膠合透鏡加入了石英窗口以提高抗空間輻射能力。然而上述系統(tǒng)光斑面積較大，主要用于對星觀測成像等領域[15,16]。雙高斯鏡頭具有相對對稱的結構，利于校正像差，但其主光線的出射角與入射角基本相同，隨著視角增大，像面的輻照度會迅速下降，即使用像差漸暈和幾何漸暈的方法，也只能減緩像面輻照度的下降。邊緣像點和軸上像點的輻照度之比基本上等于視角余弦的二次方。例如，半視角為60°時，邊緣像點的輻照度約是軸上像點的八分之一。由此可見，雙高斯結構不適合于寬視角有增益光學系統(tǒng)鏡頭。

圖7 一個復雜化的雙高斯物鏡光學系統(tǒng)結構

從上述幾組光學天線可以看出，雖然上述光學系統(tǒng)可以達到大的相對孔徑和寬視角，但其并不適用于相控陣型的應用范圍。特別是由窄帶干涉濾波片需求的光束平行化以及接收面上的光斑面積仍然較大等問題，嚴重制約了與相控陣匹配使用的光學接收天線系統(tǒng)的實用價值。

3.2 系統(tǒng)實時響應問題分析

在解決基于相控陣系統(tǒng)的響應速度方面，目前的一種發(fā)展趨勢是使用自適應光學技術，如使用液晶產(chǎn)生實時光柵，以得到實時的衍射指向。通常典型的自適應光學(AO)系統(tǒng)主要由波前復原、波前重構和波前校正三部分組成。其中，波前探測器應用比較廣泛的是哈特曼波前傳感器，波前復原最常用的算法是直接斜率法，而變形鏡(DM)則是最常用的波前校正器件。這類系統(tǒng)的共同特點是需要選擇適當?shù)膬?yōu)化算法去搜尋系統(tǒng)目標指標的最優(yōu)值。

但是自適應光學技術需要解決兩個問題，一是系統(tǒng)的響應時間和響應性能，包括光束的衍射效率問題；二是考慮到光電探測器的動態(tài)范圍，必須盡量消除接收激光信號的太陽背景光。因此以激光波長為中心的窄帶干涉濾波片需要加入到系統(tǒng)中，而其對光束入射角度有嚴格的限制，一般要求光束正入射。所以在自適應光學系統(tǒng)中，入射光束必須轉為固定角度的平行光束，否則窄帶干涉濾波片的濾波效率將受到極大影響。

4 系統(tǒng)設計未來發(fā)展前景分析

衍射光學元件是一種與傳統(tǒng)折反射元件不同，基于光的衍射原理發(fā)展起來的新型光學元件。衍射光學元件具有極高的衍射效率（理論上可達100%），可充分利用光能并有效的控制光波波前，且體積小和重量輕，可復制等優(yōu)點，具有傳統(tǒng)光學器件無法比擬的優(yōu)越性，越來越多的研究者開始進行衍射光學元件在光學成像、激光直寫、光束整形等領域的應用研究。

針對寬視角有增益系統(tǒng)的需要，可結合幾何光學器件和衍射光學器件的優(yōu)勢進行設計。利用幾何光學器件對波長的通用性好，可以實現(xiàn)寬視角、大口徑聚光的特點，以及衍射光學器件易于實現(xiàn)光束的波前變換的特點，綜合構成全適應的寬視角、大口徑天線系統(tǒng)。與此同時，考慮實用需求的天線陣列化、精密角度判知、窄帶干涉濾波片入射角度需求等用來因素，達成對整個天線系統(tǒng)的的實用設計。

二元光學是基于光波衍射理論發(fā)展起來的，屬于微光學的主要分支之一，是光學與微電子技術相互滲透、交叉而形成的前沿學科。隨著微光學技術發(fā)展，傳統(tǒng)的棱鏡、透鏡，反射鏡等光學原件的尺寸開始微型化，其制造工藝越來越成熟，因而產(chǎn)生了微透鏡陣列，由于其體積小、質量輕、易于陣列化與集成化等優(yōu)點已然成為又一新的科研發(fā)展方向，并被廣泛應用于光束整形、光學器件互連、三維成像等領域?；谏鲜隹紤]，可將衍射微透鏡陣列加入到系統(tǒng)中，完成對相控陣掃描光束的實時接收和處理，這樣既避免了復雜昂貴的多鏡頭系統(tǒng)，并可以輕松實現(xiàn)無需輔助的電子控制設備的天線陣列化，達到擴展接收面積、增大接收距離的效果。

當應用到寬視角的光學接收天線系統(tǒng)中時，微透鏡陣列最大的問題是有限的入射光束角度采樣記錄與連續(xù)變化的入射光束角度是否能夠匹配，并有可能出現(xiàn)串擾。有文獻表明，以菲涅爾數(shù)作為微透鏡列陣成像光刻系統(tǒng)中投影微透鏡列陣設計的參考依據(jù)，判斷微透鏡列陣衍射光斑是否了發(fā)生串擾，此標準比較有效。進而可減小微透鏡列陣優(yōu)化設計的復雜性，提高微透鏡列陣優(yōu)化設計的效率。

5 結束語

微透鏡陣列作為陣列衍射光學元件的重要器件，正朝著微型化、多單元數(shù)的方向發(fā)展，再加上其自身衍射效率高、變換光束的靈活性、功能的集成性以及工作波段寬等優(yōu)點而在波前傳感、光聚能和光整形等光學系統(tǒng)中得到廣泛應用。在寬視角有增益的陣列化光學接收天線的進一步研究中，微透鏡陣列將得到更深入的應用。

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The Research and Progress on Optical Receiving Antenna of Wide Viewing Angle

The viewing angle division is generally used in optical receiving antenna of wide viewing angle, using more detectors or complex access system (such as fiber array), but it is mainly used for the orientation detection in optoelectronic countermeasures, not suitable for laser communication. Based on the field of space laser telecommunication and research progress on the optical antenna of wide viewing angle, the existing technology has been compared and analyzed. Considering the viewing angle, optical gain and aberration, this paper has put forward a new idea about this new system and set up a good foundation for the further research, focusing on the index demand of wide viewing angle and large aperture receiving area, which is based on the antenna array and a small receiving area for photoelectric detector to simple the structure and reduce the cost.

wide viewing angle；big gain；optical receiving antennas；space optical communication；phased array antenna；diffractive optical elements

O438

A

1008-1151(2012)06-0054-04

2012-04-23

孫文昌（1986－），男，山東青島人，電子科技大學物理電子學院在讀碩士研究生，研究方向為光信息處理。