[发明专利]一种应用空间激光通信离轴反射式光学天线设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，可以定量确定离轴反射式光学天线，属于激光通信技术领域。

背景技术

激光通信是高速数据传输重要技术途径，单载荷数据传输的速率从几Gbps到30Gbps。高分对地观测系统的遥感数据传输速率要求高、速率范围大，并且数据传输设备还将搭载于各类不同的卫星平台、运行于不同的轨道、应用于星间和星地链路，因此高分系统的星载数据传输设备需要选择与超高速传输相匹配的调制解调方式，并具有系列化、通用化和模块化的特点，以尽量低的量产成本，为高分对地观测系统提供各种平台、各种速率和各种链路应用的激光通信数据传输终端。

激光通信终端以激光作为信号的载体，通过对激光幅度、相位的调制来传输信息，实现信息交换。与微波(Ka、EHF等频段)相比，由于激光的波长在微米量级或更短，因此具有很宽的通信带宽，可提供极高的信息传输速率；激光用于通信的波束发散角很小，具有很好的抗干扰和抗截获性能，可以极大地提高通信系统的安全性；同时，在传输同样高码率条件下，它还具有体积小、重量轻、功耗低的优势。

在空间光通信系统中，光学天线实现激光终端发射和接收时的光束传输。发射时光学天线完成光束准直、压缩光束发散角，接收时会聚光束，使信号光束经后续光路到达探测器表面。目前国内外所有激光通信终端均是采用卡赛格伦结构形式(同轴二反)的光学天线，这种天线的优点是成本低，工艺成熟，光学系统结构简单，易于装调等。不足之处是视场小，后向散射大，传输效率低。卡赛格伦结构形式光学天线的收发隔离度约50dB左右，同时具有中心遮挡，由于发射光束为高斯光束，中心较大部分能量无法利用，卡式光学天线中心遮挡20％，光束分布按高斯光束计算，造成的发射效率损失约1.5dB，能量损失达30％左右，所以现在急需一种能够实现高像质、高隔离度和高传输效率的光学天线。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，本发明通过波像差，点列图，象散，场曲，畸变等因素进行分析，得出可用于空间激光通信终端的无遮挡高隔离度及高像质的光学天线提高了光学天线的像质、隔离度和传输效率。

本发明的技术解决方案是：

一种应用于空间激光通信的离轴反射式光学天线设计方法，包括步骤如下：

(1)确定光学天线物镜的初始结构参数；所述物镜包括主镜、次镜和三镜；所述初始结构参数包括主镜的偏心率e₁、次镜的偏心率e₂、三镜的偏心率e₃，主镜与次镜间距d₁、次镜与三镜的间距d₂、三镜与主镜的间距d₃以及主镜、次镜、三镜的半径r₁、r₂、r₃；

具体确定方式如下：

(1a)利用下式得到三级像差系数为S_Ⅰ、S_Ⅱ、S_Ⅲ、S_Ⅳ和S_Ⅴ：

S_Ⅰ＝∑h·P+∑h⁴·K                                   (1)

S_Ⅱ＝∑y·P-J∑W+∑h³·y·K                           (2)

S_Ⅲ＝∑P·y²/h-2J∑W·y/h+J²∑Φ+∑h²·y²·K           (3)

S_Ⅳ＝∑Π/h                                          (4)

S_Ⅴ＝∑P·y³/h²-3J∑W·y²/h²+J²∑(y/h)·(3Φ+Π/h)-J³∑(1/h²)·Δ·(1/n²)+∑h·y³·K(5)