星間激光通信信標(biāo)跟蹤無焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田永明， 王永志， 姜義君， 梅 坤

(激光探測(cè)技術(shù)研發(fā)中心， 上海200090)

星間激光通信信標(biāo)跟蹤無焦光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

田永明， 王永志， 姜義君， 梅 坤

(激光探測(cè)技術(shù)研發(fā)中心， 上海200090)

針對(duì)星間激光通信的特點(diǎn)，通過無焦光學(xué)系統(tǒng)的入瞳、出瞳比例的設(shè)計(jì)，有效控制四象限探測(cè)器光斑尺寸，研制了小型粗精信標(biāo)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)。對(duì)畸變、點(diǎn)列圖、足跡圖、能量集中度等系統(tǒng)性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)，表明無焦光學(xué)系統(tǒng)可用于信標(biāo)跟蹤探測(cè)。

光學(xué)系統(tǒng)； 探測(cè)器； 激光通信

0 引言

捕獲、對(duì)準(zhǔn)和跟蹤(APT)子系統(tǒng)是星間激光通信系統(tǒng)的重要組成部分。為實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的星間通信，要求捕獲概率優(yōu)于95%，跟蹤精度2 μrad～3 μrad[1]。四象限探測(cè)器(QD)位置分辨率高、響應(yīng)速度快，是激光光束偏轉(zhuǎn)角測(cè)量的主要手段[2-3]。

利用聚焦光路的離焦量實(shí)現(xiàn)探測(cè)器光斑大小控制是APT系統(tǒng)的一種常用的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。由于星間激光通信的工作距離通常在100 km以上，且精跟蹤視場(chǎng)范圍達(dá)毫弧度至微弧度量級(jí)，采用聚焦光路存在光學(xué)系統(tǒng)體積過大，粗、精跟蹤系統(tǒng)光學(xué)元件難以共用等問題。

本文依據(jù)四象限探測(cè)器的探測(cè)原理，利用星間通信距離遠(yuǎn)，平行光入射的特點(diǎn)，使用無焦光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)信標(biāo)跟蹤。給出了設(shè)計(jì)原理和方法，對(duì)入瞳160 mm，粗跟蹤視場(chǎng)角±2 mrad，精跟蹤視場(chǎng)角±100 μrad，四象限探測(cè)器(QD)光敏面直徑4 mm的信標(biāo)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)仿真，分析了該設(shè)計(jì)的畸變、點(diǎn)列圖、足跡圖、能量集中度等光學(xué)性能。

1 設(shè)計(jì)原理與方法

根據(jù)四象限探測(cè)器探測(cè)原理[4-5]，在探測(cè)器上的最佳光斑半徑為

(1)

式中：R為四象限探測(cè)器探測(cè)光敏面半徑。

無焦望遠(yuǎn)系統(tǒng)的角放大率為

式中：θi為入射光視場(chǎng)角；θo為出射光視場(chǎng)角Di為入瞳直徑；Do為出瞳直徑。

對(duì)于望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，出射光斑的直徑即為Do。設(shè)四象限探測(cè)器距離望遠(yuǎn)鏡出瞳距離為d，在滿足Do=2r時(shí)，由無焦系統(tǒng)與四象限探測(cè)器構(gòu)成的測(cè)角系統(tǒng)的測(cè)角公式為

(3)

式中：θx為入射光x方向角分量；θy為入射光y方向角分量；k為比例常數(shù)；x、y為四象限探測(cè)器測(cè)得的光斑中心位置坐標(biāo)。

利用平行光入射的特點(diǎn)，通過無焦系統(tǒng)的入瞳Di和出瞳Do的比例關(guān)系設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)對(duì)探測(cè)器光敏面的光斑尺寸r的控制。粗、精信標(biāo)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)采用共物鏡光路設(shè)計(jì)，減少光學(xué)元件數(shù)量，降低系統(tǒng)復(fù)雜度。通過調(diào)節(jié)視場(chǎng)光闌，以及探測(cè)器與出瞳間距d控制探測(cè)器跟蹤視場(chǎng)角θo的范圍。無焦光學(xué)系統(tǒng)與四象限探測(cè)器結(jié)合，實(shí)現(xiàn)激光光束偏轉(zhuǎn)角度測(cè)量。根據(jù)以上關(guān)系，可確定光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。

2 光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

天線孔徑160mm，四象限探測(cè)器光敏面直徑為4mm，可導(dǎo)出無焦系統(tǒng)的放大率Γ為80倍。天線選用通用的無焦雙反R-C結(jié)構(gòu)。該天線具有其口徑大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，無色差，可兼容信號(hào)接收等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)該天線放大率為8倍，則后端信標(biāo)跟蹤系統(tǒng)放大率為10倍。為了控制視場(chǎng)外雜光影響，后端信標(biāo)跟蹤系統(tǒng)選用具有中間像的開普勒結(jié)構(gòu)。

利用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件Code V優(yōu)化后的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。圖中：a—次鏡；b—主鏡；c—濾波片；d—跟蹤物鏡；e—分光棱鏡；f1、f2—跟蹤目鏡；g1、g2—視場(chǎng)光闌；h1、h2—四象限探測(cè)器(標(biāo)號(hào)1為精跟蹤光路，標(biāo)號(hào)2為粗跟蹤光路)。

入瞳光欄設(shè)置在主鏡面上，次鏡與主鏡組成反射望遠(yuǎn)式接收天線，壓縮入射光斑尺寸，以減小后端光學(xué)元件的尺寸。窄帶濾波片濾除信標(biāo)外光波的干擾。跟蹤物鏡與跟蹤目鏡分別構(gòu)成精跟蹤望遠(yuǎn)鏡和粗跟蹤望遠(yuǎn)鏡，兩者共用物鏡，通過分光棱鏡分為兩路。在物鏡的像面處設(shè)置視場(chǎng)光闌。出瞳位于目鏡后2.5 mm，精跟蹤探測(cè)器距離出瞳127.5 mm，粗跟蹤探測(cè)器距離出瞳13 mm。次鏡到精跟蹤探測(cè)器系統(tǒng)總長(zhǎng)530 mm，有效減小了系統(tǒng)總長(zhǎng)度。設(shè)計(jì)中，粗、精跟蹤兩路光學(xué)系統(tǒng)相同，且粗跟蹤的視場(chǎng)完全覆蓋精跟蹤的范圍，只需對(duì)粗跟蹤的光學(xué)性能進(jìn)行分析，其結(jié)果包含了精跟蹤系統(tǒng)的性能。

利用傳統(tǒng)的聚焦光路的離焦量實(shí)現(xiàn)光斑大小的控制，若視場(chǎng)角為±100 μrad，QD光敏面大小為Φ4 mm，則精跟蹤焦距需要約為20 m。若口徑為160 mm，波長(zhǎng)為905 nm，則艾里斑半徑為0.14 mm。由三角關(guān)系得出離焦量為250 mm，即使天線尺寸壓縮10倍，后端系統(tǒng)長(zhǎng)度也在1 m以上。可見，使用無焦系統(tǒng)可以有效減小系統(tǒng)體積。

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)果分析

為了分析系統(tǒng)出射光束的發(fā)散程度，如圖2所示給出了光學(xué)系統(tǒng)信標(biāo)光點(diǎn)列圖。由圖可知信標(biāo)光經(jīng)過該系統(tǒng)的目鏡出射后，光束平行度優(yōu)于1 mrad，能夠確保后端探測(cè)器接收的光斑形狀的一致性。

圖2 信標(biāo)光跟蹤系統(tǒng)點(diǎn)列圖

圖3為信標(biāo)光跟蹤系統(tǒng)的光學(xué)傳函(MTF)圖。光學(xué)系統(tǒng)像方的角分辨在0.8 mrad時(shí)，對(duì)比度優(yōu)于0.3，則物方的空間分辨率優(yōu)于10 μrad。由于四象限探測(cè)器對(duì)于能量中心的微小變化的靈敏度高，可以到達(dá)探測(cè)視場(chǎng)的1/60，精跟蹤的測(cè)量精度可達(dá)到10 μrad以內(nèi)。

圖3 信標(biāo)光跟蹤系統(tǒng)MTF圖

圖4為信標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的畸變。在粗跟蹤視場(chǎng)內(nèi)，畸變小于2%，對(duì)于逐步中心收斂的跟蹤系統(tǒng)該畸變不影響跟蹤特性。對(duì)于精跟蹤視場(chǎng)，畸變小于0.1%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于探測(cè)器的測(cè)角分辨率，可以忽略其影響。精跟蹤視場(chǎng)角為0.03°，從圖2、3可以看出信標(biāo)光平行度優(yōu)于0.2 mrad，分辨率接近衍射極限。

圖4 信標(biāo)光跟蹤系統(tǒng)畸變

探測(cè)器上的光斑的形狀和能量，會(huì)影響四象限探測(cè)器對(duì)光斑能量中心的檢測(cè)，光斑直徑為2 mm時(shí)，且需滿足能量分布對(duì)稱時(shí)，探測(cè)器上不同視場(chǎng)的光斑與探測(cè)器處的能量直徑分別如圖5和圖6所示。

圖5 探測(cè)器上不同視場(chǎng)的光斑

圖6 探測(cè)器處100%能量直徑

在探測(cè)器上的光斑分布如圖5所示，光斑直徑在2.07 mm到2.2 mm以內(nèi)，屬于探測(cè)要求的光斑尺寸，RMS直徑約為1.5 mm，體現(xiàn)了中心能量集中。圖6為光斑直徑對(duì)應(yīng)的能量比例曲線，可以看出全能量直徑在2.07 mm到2.25 mm之間，曲線平滑，系統(tǒng)的能量中心對(duì)稱，該無焦系統(tǒng)能量分布滿足四象限探測(cè)器檢測(cè)要求。由以上分析可見，設(shè)計(jì)結(jié)果與傳統(tǒng)的聚焦光路的性能一致，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)術(shù)語

通過對(duì)無焦系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)星間激光通信信標(biāo)跟蹤測(cè)角原理和設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，說明利用星間通信平行光入射的特點(diǎn)，改變無焦系統(tǒng)的入瞳、出瞳的比例關(guān)系控制探測(cè)器光斑的大小，可以實(shí)現(xiàn)基于四象限探測(cè)器的跟瞄系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用粗精物鏡共光路設(shè)計(jì)，使用視場(chǎng)光闌控制精

跟蹤視場(chǎng)，調(diào)節(jié)探測(cè)與出瞳的間距的方法實(shí)現(xiàn)粗精信標(biāo)跟蹤范圍。系統(tǒng)具有相對(duì)長(zhǎng)度小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，可作遠(yuǎn)距激光跟瞄領(lǐng)域的一種有效跟蹤光學(xué)方案。

[1] 趙馨，宋延嵩，佟首峰，等. 空間激光通信捕獲、對(duì)準(zhǔn)、跟蹤系統(tǒng)動(dòng)態(tài)演示實(shí)驗(yàn)[J]. 中國(guó)激光， 2014， 41(3)：0305005-1-6.

[2] 尚韜，李曦，劉增基，等. 新型四象限設(shè)計(jì)及其光斑參數(shù)測(cè)量方法[J]. 紅外與激光工程， 2012， 41(4)：1034-1040.

[3] 母一寧，王賀，李平，等. 光斑尺寸對(duì)光軸檢測(cè)的約束分析及驗(yàn)證試驗(yàn)[J]. 紅外與激光工程， 2015， 44(3)：1061-1067.

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The Design of Afocal Optical System of Beacon Tracking System in Inter-satellite Laser Communication

TIANYong-ming,WANGYong-zhi,JIANGYi-jun,MEIKun

(Laser R&D Center of Detection Technology , Shanghai 200090, China)

A kind of designing method of the beacon optical system is presented. It is according to feature of the inter-satellite laser communication, and by adjusting the ratio between the entrance and exit pupils of the afocal system, and controlling spot size on the four-quadrant detector to be obtained. The optical distortion, spot diagram and encircled energy are analyzed and evaluated, it is demonstrated that the afocal system can be applied in the beacon systems for tracking detection.

optical system; detector; laser communication

1671-0576(2016)04-0054-04

2016-09-23

田永明(1974-)，男，工程師，碩士，主要從事光學(xué)遙感方面研究；王永志(1987-)，男，工程師，博士，主要從事激光雷達(dá)及非線性光學(xué)等方面研究。

O437.1

A