一種大氣激光通信變f 數(shù)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

［陳進(jìn)慧 馬擁華 蔣相 楊乾遠(yuǎn)］

1 引言

大氣激光通信是以大氣作為信道的一種通信方式，其主要由光學(xué)單元，掃描捕獲跟蹤PAT 單元和通信單元組成[1～3]。四象限探測(cè)器QD（Quadrant Detector）作為一種跟蹤探測(cè)器，其當(dāng)目標(biāo)成像不在光軸上時(shí)，四個(gè)象限上探測(cè)器輸出的光電信號(hào)幅度不相同，比較四個(gè)光電信號(hào)的幅度大小就可以知道目標(biāo)成像在哪個(gè)象限上。為保證通信的可靠性通常使用多個(gè)QD 來(lái)實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和長(zhǎng)焦距[4～6]。另一方面CMOS 探測(cè)器雖然可以通過(guò)開窗和像元細(xì)分實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)和高分辨率[7～8]，但1 550 nm 波段COMS 相機(jī)價(jià)格昂貴，體積相對(duì)較大[9～10]。

變焦系統(tǒng)通過(guò)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的焦距變化，同時(shí)像面不產(chǎn)生移動(dòng)[11～12]。變焦系統(tǒng)在可見光和紅外成像方面[13～14]，紅外測(cè)溫系統(tǒng)中[15～16]。這些系統(tǒng)中均為固定f 數(shù)，不同焦距下的入瞳直徑也不相同。在大氣激光通信系統(tǒng)中，孔徑光闌通常為系統(tǒng)第一片透鏡，即入瞳為系統(tǒng)第一片透鏡，而探測(cè)器接收光功率隨入瞳直徑增加而增加，為了保證接收光功率不變，需要在改變系統(tǒng)焦距的同時(shí)保持入瞳直徑不變。對(duì)使用QD 進(jìn)行跟蹤的大氣激光通信系統(tǒng)而言,固定入瞳直徑，改變f 數(shù)是一種更為理想的選擇。

本文設(shè)計(jì)變f 數(shù)跟蹤光學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)在焦距連續(xù)變化時(shí)，保持通光孔徑不變，在小焦距時(shí)完成大視場(chǎng)范圍的跟蹤目標(biāo)，在大焦距時(shí)完成小視場(chǎng)范圍、高分辨率的快速跟蹤。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

變焦光學(xué)系統(tǒng)要改變焦距，但是每個(gè)透鏡一經(jīng)完成之后，單透鏡焦距是固定不變的，要變焦只能改變各透鏡之間的間隔。如圖1 所示為一個(gè)變焦系統(tǒng)，其中第1、4 透鏡組在焦距變化過(guò)程中固定不動(dòng)，第1 組叫前固定組，第4 組叫后固定組；通過(guò)第2、3 透鏡組移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)焦距變化，第2 和3 組分別按照自己的運(yùn)動(dòng)規(guī)律移動(dòng)，移動(dòng)量通過(guò)凸輪設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，第2 組叫變倍組，第3 組叫補(bǔ)償組，變倍組沿光軸作微小移動(dòng)時(shí)，補(bǔ)償組相應(yīng)移動(dòng)一段距離來(lái)補(bǔ)償，從而實(shí)現(xiàn)像面穩(wěn)定[17]。

圖1 偏振隔離光學(xué)系統(tǒng)示意

變焦系統(tǒng)有多種類型，但基本形式就兩種，補(bǔ)償組具有正的光焦度的正組補(bǔ)償系統(tǒng)和補(bǔ)償組具有負(fù)的光焦度的負(fù)組補(bǔ)償系統(tǒng)。變焦系統(tǒng)設(shè)計(jì)必須要滿足如下面基本要求：1、均勻改變焦距；2、變焦過(guò)程像面保持穩(wěn)定；3、像質(zhì)符合要求[17]。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例分析

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

在本次大氣激光通信變f 數(shù)光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，使用直徑1.5 mm 的QD[18～19]，光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)如表1 所示。

表1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

大氣激光通信系統(tǒng)平臺(tái)通常搭載的GPS/北斗定位系統(tǒng)、慣導(dǎo)系統(tǒng)和通信終端來(lái)輔助激光通信的初始對(duì)準(zhǔn)，先通過(guò)GPS/北斗定位系統(tǒng)獲取本端的位置信息，再將位置信息通過(guò)平臺(tái)通信傳輸?shù)綄?duì)端，根據(jù)位置和慣導(dǎo)探測(cè)的姿態(tài)信息進(jìn)行初始指向，通過(guò)一端的粗跟蹤相機(jī)探測(cè)器凝視另一端信標(biāo)光掃描的方式實(shí)現(xiàn)激光束的掃描捕獲[20]。因此系統(tǒng)探測(cè)器尺寸及視場(chǎng)都較小，以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤，保證接收功率的穩(wěn)定性。

3.2 仿真結(jié)果

跟蹤光學(xué)系統(tǒng)仿真結(jié)果如圖2 所示。

圖2 光路示意圖

系統(tǒng)由4 部分組成，前固定組，后固定組均為3 片球面透鏡組成，變倍組與補(bǔ)償組亦由3 片球面鏡組成，焦距分別具有負(fù)光焦度和正的光焦度，本系統(tǒng)為一個(gè)正組補(bǔ)償系統(tǒng)。

3.3 像質(zhì)評(píng)價(jià)

3.3.1 傳遞函數(shù)MTF

傳遞函數(shù)是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)的主要指標(biāo)之一，其反映光學(xué)系統(tǒng)將物空間細(xì)節(jié)傳遞到像空間的能力，系統(tǒng)不同焦距下的MTF 曲線如圖3 所示。圖中在焦距75 mm 和650 mm 兩個(gè)位置的傳遞函數(shù)曲線均在衍射極限，各軸外視場(chǎng)也在接近衍射極限，表明系統(tǒng)具有較好的成像質(zhì)量。

圖3 光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)曲線

3.3.2 點(diǎn)列圖

點(diǎn)列圖是評(píng)價(jià)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量的另一重要手段，它反映光束在探測(cè)器上能量集中程度，同時(shí)根據(jù)光斑形狀還能可視化系統(tǒng)像差。如圖4 所示系統(tǒng)在長(zhǎng)短兩個(gè)焦距位置，均方根半徑均在7 μm 以內(nèi)，具有較好的能量集中度。

圖4 光學(xué)系統(tǒng)點(diǎn)列圖

3.3.3 畸變

對(duì)于跟蹤光學(xué)系統(tǒng)，光斑畸變會(huì)影響跟蹤精度，最終導(dǎo)致跟蹤時(shí)間的增加，甚至通信質(zhì)量的下降。如圖5 所示，給出了長(zhǎng)、短焦距時(shí)的畸變曲線，結(jié)果顯示，光學(xué)系統(tǒng)的最大畸變?cè)诙探刮恢?，與理想系統(tǒng)（注：理想系統(tǒng)認(rèn)為沒有畸變）對(duì)比最大畸變?yōu)?%，滿足系統(tǒng)對(duì)畸變的要求。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)畸變

3.4 凸輪曲線繪制

本文利用Zemax 宏程序?qū)ψ儽督M和補(bǔ)償組的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)優(yōu)化，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Matlab 進(jìn)行繪制曲線，如圖6所示。變倍組從短焦位置移動(dòng)到長(zhǎng)焦位置軌跡如圖中紅實(shí)線所示，補(bǔ)償組隨其相應(yīng)的移動(dòng)，軌跡如圖中綠色虛線所示?？梢钥闯?，各組運(yùn)動(dòng)曲線平滑，滿足系統(tǒng)使用要求，為光軸同軸性提供了保障。

圖6 系統(tǒng)凸輪曲線

4 結(jié)束語(yǔ)應(yīng)用

本文提出了一種連續(xù)變焦跟蹤光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，解決了大氣激光通信中使用單個(gè)四象限探測(cè)器無(wú)法實(shí)現(xiàn)大掃描范圍及高跟蹤精度的問題。變f 數(shù)系統(tǒng)在系統(tǒng)通光口徑不變的情況下改變焦距，可以保證探測(cè)接受光功率值，使系統(tǒng)信噪比始終保持在要求誤碼率范圍內(nèi)。通過(guò)改變f 數(shù)大小可以進(jìn)行大視場(chǎng)捕獲和小視場(chǎng)快速跟蹤的轉(zhuǎn)換，提高在大視場(chǎng)捕獲時(shí)通光口徑的利用率，提高跟蹤穩(wěn)定性。該系統(tǒng)工作波段為1 550 nm 波段，變倍比為8.7 倍，各焦距位置MTF 均接近衍射極限，彌散斑在7 μm 以內(nèi)，畸變小于1%，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良且穩(wěn)定。系統(tǒng)凸輪曲線平滑連續(xù)，結(jié)構(gòu)緊湊，易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)類似應(yīng)用系統(tǒng)具有一定參考價(jià)值。