鏡體熱變形對(duì)卡塞格倫光學(xué)天線的影響研究

黃凱++劉海峰

摘 要：基于空間光通信中的卡塞格倫光學(xué)天線的重要性，文中利用ANSYS仿真軟件對(duì)卡塞格倫光學(xué)天線鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：卡塞格倫光學(xué)天線 光束 熱變形

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（c）-0028-02

空間光通信的快速發(fā)展，帶動(dòng)了光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。光學(xué)天線系統(tǒng)作為空間光通信設(shè)備，具有自身的優(yōu)勢(shì)：體積小，重量輕、功耗低、頻帶寬、通信容量大，等等?？ㄈ駛惞鈱W(xué)天線作為光學(xué)發(fā)射和接收天線，其突出的優(yōu)點(diǎn)有[1]：（1）口徑可以做得較大，不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬；（2）采用非球面鏡后，有較大的消像差能力；（3）可以做到收發(fā)合一。但環(huán)境的變化對(duì)天線系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文對(duì)一種典型的卡塞格倫光學(xué)天線的鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用了光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

1 天線鏡體的熱變形對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?/p>

1.1 鏡體的熱變形分析

我們知道，當(dāng)鏡子的表面和內(nèi)部存在溫差時(shí)，由于玻璃的導(dǎo)熱率低，內(nèi)外部溫差產(chǎn)生的應(yīng)力能使鏡體變形并改變其表面的曲率半徑，尤其是靠近外部的區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)所謂的“塌邊”或“翹邊”的現(xiàn)象，這一溫度效應(yīng)稱為“邊緣效應(yīng)”[2]。根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，鏡體由于溫度的改變而產(chǎn)生的形變，主要由三部分組成：鏡體材料溫度升高而產(chǎn)生的自由熱膨脹、邊界固定后不能自由膨脹而引起的和材料的泊松比有關(guān)的形變、熱應(yīng)力而產(chǎn)生的形變[3]。

為了形象地描述鏡體的熱形變，該文利用ANSYS軟件仿真圖[4]，以常溫（20 oC）為起始溫度、壓圈法固定鏡體為例，分析了鏡體隨溫度的升高而發(fā)生的形變。圖1、圖2、圖3分別表示溫度為100 oC時(shí)鏡體在X、Y、Z方向的位移。從圖中可以看出，升溫時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向外鼓起。鏡體在軸向方向（Z方向）的變化，對(duì)光束的傳輸影響最大，當(dāng)溫度變化為100 oC時(shí)，軸向方向（Z方向）的變形量為0.6 ?m。而當(dāng)溫度降低時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向內(nèi)凹陷。由此表明，溫度的變化對(duì)鏡體的形變影響還是比較大的。

1.2 鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束的影響

圖4，圖5分別描述了鏡體變形前后天線的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。圖6、圖7分別描述了鏡體變形前后天線系統(tǒng)的MTF圖。圖4、圖5表明鏡體變形前，光束通過設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線，光束能量集中，發(fā)射光束發(fā)散角小，光線分布均勻，實(shí)現(xiàn)了卡塞格倫光學(xué)天線收發(fā)合一的功能。圖6、圖7表明，鏡體變形后，光束在卡塞格倫光學(xué)天線中傳輸時(shí)，天線系統(tǒng)的傳輸特性變差。相應(yīng)地，卡塞格倫光學(xué)天線的效率發(fā)生了明顯的變化，光束的傳輸達(dá)不到鏡體溫度變化前的理想值。這種反射鏡面的熱變形對(duì)傳輸光束會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、傳輸光束中心移位及光束發(fā)散等影響[5]。在空間光通信中，傳輸光束的偏轉(zhuǎn)、中心移位及光束發(fā)散會(huì)造成目標(biāo)圖像畸變、存在嚴(yán)重的像差以及圖像不清晰等等。本文設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線采用了大量的反射鏡面，所以鏡面的熱變形對(duì)光束的傳輸影響很大。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要在鏡面材料選擇、鏡體應(yīng)力釋放方式、鏡體大小選擇等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量減小由于溫度變化對(duì)鏡體產(chǎn)生的應(yīng)力，以避免出現(xiàn)像差增大和天線鏡面破裂等現(xiàn)象。

2 結(jié)語

該論文研究了卡塞格倫光學(xué)天線鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。光學(xué)天線的設(shè)計(jì)是空間光通信的重要發(fā)展部分，光學(xué)天線傳輸?shù)馁|(zhì)量高低直接影響到信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該考慮環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] Cho Y M，Kong H J and Lee S S.OPTICAL ENGINEERING[M]. Bellingham，1994：33-100.

[2] 馮樹龍，張新，翁志成，等.溫度對(duì)大口徑主鏡面形變形的影響分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005，31（1）：41.

[3] 彭玉峰，程祖海.熱變形諧振腔的激光模式理論分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2000（B11）.

[4] 張百雷.星載激光通信光學(xué)天線設(shè)計(jì)及鏡面熱變形有限元分析[D].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006：47-48.

[5] 張華，李曉峰，楊文淑.星載激光通信光學(xué)反射鏡鏡面熱變形及其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的研究[J].紅外，2005，2（4）：34.endprint

摘 要：基于空間光通信中的卡塞格倫光學(xué)天線的重要性，文中利用ANSYS仿真軟件對(duì)卡塞格倫光學(xué)天線鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：卡塞格倫光學(xué)天線 光束 熱變形

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（c）-0028-02

空間光通信的快速發(fā)展，帶動(dòng)了光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。光學(xué)天線系統(tǒng)作為空間光通信設(shè)備，具有自身的優(yōu)勢(shì)：體積小，重量輕、功耗低、頻帶寬、通信容量大，等等?？ㄈ駛惞鈱W(xué)天線作為光學(xué)發(fā)射和接收天線，其突出的優(yōu)點(diǎn)有[1]：（1）口徑可以做得較大，不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬；（2）采用非球面鏡后，有較大的消像差能力；（3）可以做到收發(fā)合一。但環(huán)境的變化對(duì)天線系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文對(duì)一種典型的卡塞格倫光學(xué)天線的鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用了光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

1 天線鏡體的熱變形對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?/p>

1.1 鏡體的熱變形分析

我們知道，當(dāng)鏡子的表面和內(nèi)部存在溫差時(shí)，由于玻璃的導(dǎo)熱率低，內(nèi)外部溫差產(chǎn)生的應(yīng)力能使鏡體變形并改變其表面的曲率半徑，尤其是靠近外部的區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)所謂的“塌邊”或“翹邊”的現(xiàn)象，這一溫度效應(yīng)稱為“邊緣效應(yīng)”[2]。根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，鏡體由于溫度的改變而產(chǎn)生的形變，主要由三部分組成：鏡體材料溫度升高而產(chǎn)生的自由熱膨脹、邊界固定后不能自由膨脹而引起的和材料的泊松比有關(guān)的形變、熱應(yīng)力而產(chǎn)生的形變[3]。

為了形象地描述鏡體的熱形變，該文利用ANSYS軟件仿真圖[4]，以常溫（20 oC）為起始溫度、壓圈法固定鏡體為例，分析了鏡體隨溫度的升高而發(fā)生的形變。圖1、圖2、圖3分別表示溫度為100 oC時(shí)鏡體在X、Y、Z方向的位移。從圖中可以看出，升溫時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向外鼓起。鏡體在軸向方向（Z方向）的變化，對(duì)光束的傳輸影響最大，當(dāng)溫度變化為100 oC時(shí)，軸向方向（Z方向）的變形量為0.6 ?m。而當(dāng)溫度降低時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向內(nèi)凹陷。由此表明，溫度的變化對(duì)鏡體的形變影響還是比較大的。

1.2 鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束的影響

圖4，圖5分別描述了鏡體變形前后天線的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。圖6、圖7分別描述了鏡體變形前后天線系統(tǒng)的MTF圖。圖4、圖5表明鏡體變形前，光束通過設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線，光束能量集中，發(fā)射光束發(fā)散角小，光線分布均勻，實(shí)現(xiàn)了卡塞格倫光學(xué)天線收發(fā)合一的功能。圖6、圖7表明，鏡體變形后，光束在卡塞格倫光學(xué)天線中傳輸時(shí)，天線系統(tǒng)的傳輸特性變差。相應(yīng)地，卡塞格倫光學(xué)天線的效率發(fā)生了明顯的變化，光束的傳輸達(dá)不到鏡體溫度變化前的理想值。這種反射鏡面的熱變形對(duì)傳輸光束會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、傳輸光束中心移位及光束發(fā)散等影響[5]。在空間光通信中，傳輸光束的偏轉(zhuǎn)、中心移位及光束發(fā)散會(huì)造成目標(biāo)圖像畸變、存在嚴(yán)重的像差以及圖像不清晰等等。本文設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線采用了大量的反射鏡面，所以鏡面的熱變形對(duì)光束的傳輸影響很大。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要在鏡面材料選擇、鏡體應(yīng)力釋放方式、鏡體大小選擇等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量減小由于溫度變化對(duì)鏡體產(chǎn)生的應(yīng)力，以避免出現(xiàn)像差增大和天線鏡面破裂等現(xiàn)象。

2 結(jié)語

該論文研究了卡塞格倫光學(xué)天線鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。光學(xué)天線的設(shè)計(jì)是空間光通信的重要發(fā)展部分，光學(xué)天線傳輸?shù)馁|(zhì)量高低直接影響到信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該考慮環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] Cho Y M，Kong H J and Lee S S.OPTICAL ENGINEERING[M]. Bellingham，1994：33-100.

[2] 馮樹龍，張新，翁志成，等.溫度對(duì)大口徑主鏡面形變形的影響分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005，31（1）：41.

[3] 彭玉峰，程祖海.熱變形諧振腔的激光模式理論分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2000（B11）.

[4] 張百雷.星載激光通信光學(xué)天線設(shè)計(jì)及鏡面熱變形有限元分析[D].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006：47-48.

[5] 張華，李曉峰，楊文淑.星載激光通信光學(xué)反射鏡鏡面熱變形及其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的研究[J].紅外，2005，2（4）：34.endprint

摘 要：基于空間光通信中的卡塞格倫光學(xué)天線的重要性，文中利用ANSYS仿真軟件對(duì)卡塞格倫光學(xué)天線鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

關(guān)鍵詞：卡塞格倫光學(xué)天線 光束 熱變形

中圖分類號(hào)：TN820 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（c）-0028-02

空間光通信的快速發(fā)展，帶動(dòng)了光學(xué)天線系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)的進(jìn)步。光學(xué)天線系統(tǒng)作為空間光通信設(shè)備，具有自身的優(yōu)勢(shì)：體積小，重量輕、功耗低、頻帶寬、通信容量大，等等?？ㄈ駛惞鈱W(xué)天線作為光學(xué)發(fā)射和接收天線，其突出的優(yōu)點(diǎn)有[1]：（1）口徑可以做得較大，不產(chǎn)生色差且可用波段范圍較寬；（2）采用非球面鏡后，有較大的消像差能力；（3）可以做到收發(fā)合一。但環(huán)境的變化對(duì)天線系統(tǒng)的性能會(huì)產(chǎn)生較大的影響。本文對(duì)一種典型的卡塞格倫光學(xué)天線的鏡體進(jìn)行了熱變形仿真，并利用了光學(xué)仿真軟件CODE-V分析了熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。

1 天線鏡體的熱變形對(duì)光束傳輸?shù)挠绊?/p>

1.1 鏡體的熱變形分析

我們知道，當(dāng)鏡子的表面和內(nèi)部存在溫差時(shí)，由于玻璃的導(dǎo)熱率低，內(nèi)外部溫差產(chǎn)生的應(yīng)力能使鏡體變形并改變其表面的曲率半徑，尤其是靠近外部的區(qū)域，會(huì)出現(xiàn)所謂的“塌邊”或“翹邊”的現(xiàn)象，這一溫度效應(yīng)稱為“邊緣效應(yīng)”[2]。根據(jù)熱彈性力學(xué)理論，鏡體由于溫度的改變而產(chǎn)生的形變，主要由三部分組成：鏡體材料溫度升高而產(chǎn)生的自由熱膨脹、邊界固定后不能自由膨脹而引起的和材料的泊松比有關(guān)的形變、熱應(yīng)力而產(chǎn)生的形變[3]。

為了形象地描述鏡體的熱形變，該文利用ANSYS軟件仿真圖[4]，以常溫（20 oC）為起始溫度、壓圈法固定鏡體為例，分析了鏡體隨溫度的升高而發(fā)生的形變。圖1、圖2、圖3分別表示溫度為100 oC時(shí)鏡體在X、Y、Z方向的位移。從圖中可以看出，升溫時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向外鼓起。鏡體在軸向方向（Z方向）的變化，對(duì)光束的傳輸影響最大，當(dāng)溫度變化為100 oC時(shí)，軸向方向（Z方向）的變形量為0.6 ?m。而當(dāng)溫度降低時(shí)，天線系統(tǒng)的反射鏡面向內(nèi)凹陷。由此表明，溫度的變化對(duì)鏡體的形變影響還是比較大的。

1.2 鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束的影響

圖4，圖5分別描述了鏡體變形前后天線的點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)圖。圖6、圖7分別描述了鏡體變形前后天線系統(tǒng)的MTF圖。圖4、圖5表明鏡體變形前，光束通過設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線，光束能量集中，發(fā)射光束發(fā)散角小，光線分布均勻，實(shí)現(xiàn)了卡塞格倫光學(xué)天線收發(fā)合一的功能。圖6、圖7表明，鏡體變形后，光束在卡塞格倫光學(xué)天線中傳輸時(shí)，天線系統(tǒng)的傳輸特性變差。相應(yīng)地，卡塞格倫光學(xué)天線的效率發(fā)生了明顯的變化，光束的傳輸達(dá)不到鏡體溫度變化前的理想值。這種反射鏡面的熱變形對(duì)傳輸光束會(huì)產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)、傳輸光束中心移位及光束發(fā)散等影響[5]。在空間光通信中，傳輸光束的偏轉(zhuǎn)、中心移位及光束發(fā)散會(huì)造成目標(biāo)圖像畸變、存在嚴(yán)重的像差以及圖像不清晰等等。本文設(shè)計(jì)的卡塞格倫光學(xué)天線采用了大量的反射鏡面，所以鏡面的熱變形對(duì)光束的傳輸影響很大。由此可見，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要在鏡面材料選擇、鏡體應(yīng)力釋放方式、鏡體大小選擇等方面進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，盡量減小由于溫度變化對(duì)鏡體產(chǎn)生的應(yīng)力，以避免出現(xiàn)像差增大和天線鏡面破裂等現(xiàn)象。

2 結(jié)語

該論文研究了卡塞格倫光學(xué)天線鏡體的熱變形對(duì)傳輸光束傳輸質(zhì)量的影響。光學(xué)天線的設(shè)計(jì)是空間光通信的重要發(fā)展部分，光學(xué)天線傳輸?shù)馁|(zhì)量高低直接影響到信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該考慮環(huán)境變化對(duì)系統(tǒng)的影響。

參考文獻(xiàn)

[1] Cho Y M，Kong H J and Lee S S.OPTICAL ENGINEERING[M]. Bellingham，1994：33-100.

[2] 馮樹龍，張新，翁志成，等.溫度對(duì)大口徑主鏡面形變形的影響分析[J].光學(xué)技術(shù)，2005，31（1）：41.

[3] 彭玉峰，程祖海.熱變形諧振腔的激光模式理論分析[J].強(qiáng)激光與粒子束，2000（B11）.

[4] 張百雷.星載激光通信光學(xué)天線設(shè)計(jì)及鏡面熱變形有限元分析[D].電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文，2006：47-48.

[5] 張華，李曉峰，楊文淑.星載激光通信光學(xué)反射鏡鏡面熱變形及其對(duì)光學(xué)系統(tǒng)影響的研究[J].紅外，2005，2（4）：34.endprint