星間激光通信終端光學天線的隔離度

楊成龍, 顏昌翔, 楊宇飛

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

星間激光通信終端光學天線的隔離度

楊成龍1,2, 顏昌翔1*, 楊宇飛1,2

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所,吉林 長春 130033; 2.中國科學院大學,北京 100049)

為滿足星間激光通信對高隔離水平光學天線的要求，實現(xiàn)對光學天線隔離度的仿真分析和優(yōu)化，提出了一種將紅外系統(tǒng)冷反射的特征控制量YNI值作為衡量光學元件表面后向反射能量強度，并控制光學天線優(yōu)化以提高隔離度水平的方法。在LightTools軟件中為某激光通信終端的卡塞格林天線創(chuàng)建了實體模型，通過仿真分析得出了各元件表面的后向反射率。在ZEMAX軟件中以增大各元件表面的YNI值為目標優(yōu)化天線結構。對比優(yōu)化前后的結果，系統(tǒng)的后向反射率從3.068 8×10-4減小到1.075 5×10-5，隔離度從-35.13 dB減小到-49.68 dB。優(yōu)化后的卡塞格林天線具備較高的隔離度水平，可用于星間激光通信。

激光通信;隔離度;后向反射;YNI值

1 引 言

星間激光通信終端是一種弱能量探測系統(tǒng)，由于通信接收到的信號光強度非常微弱，而發(fā)射光束的能量很強，因此發(fā)射和接收之間必須進行高度隔離，否則發(fā)射光經(jīng)過光學元件的后向反射或者散射后會到達通信或捕獲接收器上，對信號產(chǎn)生嚴重影響，甚至會直接湮沒接收信號，導致系統(tǒng)不能正常工作[1]。為了提高通信終端的隔離度水平，可以進行時域分光或空間分光，時域分光是在時域上將通信的發(fā)射和接收過程分開，而空間分光則是采用不同的光學天線將通信的發(fā)射和接收過程在空間上分開。這兩種方式雖然均能提高通信終端的隔離度水平，但卻降低了效率，增加了成本，并不適合于星間激光通信。星間激光通信終端多采用收發(fā)一體的雙工通信模式，即通信的發(fā)射和接收過程共用光學天線，常用光譜分光、偏振分光等方法進行收發(fā)光束的隔離[2-5]，但這些方法對相關光學器件的要求較高，并且當光學天線后向反射的能量較大時，分光難度將進一步增大，導致終端的總隔離度無法達到較高的設計指標，因此必須提高光學天線的隔離度水平，保證發(fā)射光束在經(jīng)過光學天線時，產(chǎn)生的后向反射能量足夠小，以減弱對接收光束的影響。

目前國內(nèi)的星間激光通信尚處于實驗室研究階段，在未來應用于實際時，通信終端必將對光學天線提出較高的隔離度要求，但國內(nèi)外關于如何采用軟件實現(xiàn)天線隔離度的仿真計算，以及如何控制光學天線的優(yōu)化以提高隔離度水平方面的研究還未見報道。因此對天線隔離度的仿真分析、檢測研究具有重要的理論和現(xiàn)實意義[6-9]。

本文從提高光學天線的隔離度水平出發(fā)，引入后向反射率，提出了一種將紅外系統(tǒng)冷反射的特征控制量YNI(入射高度、介質(zhì)折射率和入射角乘積)作為衡量光學天線元件表面后向反射能量強度的方法，并以增大光學元件表面的YNI值作為目標，對光學天線進行優(yōu)化設計。通過LightTools軟件對優(yōu)化前后的光學天線進行仿真實驗，結果表明，采用YNI值控制光學天線的優(yōu)化可以有效提高隔離度水平。

2 光學天線隔離度

星間激光通信終端的光學天線常采用卡塞格林結構，其由物鏡和目鏡組成。物鏡包括1個主鏡和1個次鏡，目鏡包括若干透鏡，當發(fā)射激光經(jīng)過天線各光學元件表面時，產(chǎn)生的后向反射能量就會進入接收器。后向反射能量的相對強度用后向反射率R描述：

圖1 后向反射率的定義Fig. 1 Definition of back-reflection ratio

如圖1所示[10]，EE為終端發(fā)射并充滿天線出瞳的準直激光能量，ER是發(fā)射激光經(jīng)過天線各光學元件表面后向反射回來且入射角小于出瞳視場角的能量。得到后向反射率R后，再通過式(2)計算天線的隔離度YI：

3 基于冷反射理論的后向反射評價方法

3.1 冷反射理論

在制冷型紅外光學系統(tǒng)中，冷反射是必須要考慮的現(xiàn)象。由于探測器光敏面的溫度為80～100 K，它與系統(tǒng)的工作溫度相差很大，是非常強的冷輻射源[11]。當探測器發(fā)出的冷光線聚焦或正入射到透鏡表面時，將經(jīng)表面反射后再度聚焦到焦平面上，從而在圖像中心形成一個冷斑，即探測器經(jīng)光學系統(tǒng)表面而觀察到自身形成的冷像[12]。冷反射的存在會影響紅外光學系統(tǒng)的成像質(zhì)量，因此在進行紅外光學系統(tǒng)設計時，必須盡量抑制冷反射現(xiàn)象的產(chǎn)生。

冷反射現(xiàn)象中的冷光斑能量與光學構型、鏡片形狀、鍍膜等因素密切相關。在使用光學設計軟件設計制冷型紅外光學系統(tǒng)時，為抑制冷反射現(xiàn)象，通常將YNI和I/Ibar這2個參數(shù)作為光學系統(tǒng)中各表面產(chǎn)生冷反射強度的評價標準：

式中，YNI反映的是光學系統(tǒng)中心視場處后向反射能量的強度，它是近軸邊緣光線在光學表面上的入射高度y、介質(zhì)折射率n和入射角i的乘積。YNI的值越接近于0時，光學元件表面產(chǎn)生的冷反射就越嚴重；當YNI的值大于1時，一般可以認為該光學表面產(chǎn)生的冷反射很小。I/Ibar反映的是光學元件表面后向反射能量隨視場的變化，I和iz分別為軸上視場的邊緣光線和邊緣視場的主光線在光學表面的入射角，若I/Ibar大于1，則可認為冷反射強度不隨視場變化[13-16]。

3.2 光學天線后向反射強度的評價方法

對于激光通信過程，終端發(fā)射的激光光束經(jīng)過光學天線各元件表面后，產(chǎn)生的后向反射能量會進入到接收探測器中，影響通信質(zhì)量。這類似于紅外系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象，二者都是內(nèi)部光束經(jīng)過系統(tǒng)各元件表面后產(chǎn)生后向反射能量。不同的是，冷反射現(xiàn)象中的冷光線是因探測器與環(huán)境溫差較大而產(chǎn)生的紅外輻射，不是單一波長；而激光通信的后向反射光束則來源于終端發(fā)射支路激光器發(fā)出的單一波長的激光。

由于激光通信系統(tǒng)元件表面的后向反射類似于紅外系統(tǒng)的冷反射現(xiàn)象，因此本文提出了一種控制光學天線后向反射能量的新方法，即：將紅外系統(tǒng)設計時評價冷反射強度的特征參數(shù)YNI和I/Ibar應用于激光通信終端光學天線的優(yōu)化設計過程。星間激光通信的信號光視場很小，所以在評價光學天線各表面的后向反射強度時，僅需考慮YNI，而不用考慮I/Ibar。

圖2 入射角為0°時的光學系統(tǒng)Fig. 2 Schematic diagram of optical system when incident angle is zero

圖3 入射高度為0時的光學系統(tǒng)Fig. 3 Schematic diagram of optical system when incident height is zero

當發(fā)射光線被某一表面反射而原路返回時，根據(jù)光路可逆原理，必定會進入原發(fā)射單元，這時該表面產(chǎn)生的后向反射能量最大。例如，光線垂直入射到光學元件表面時，即入射角為0°；光線入射在某表面的頂點時，即在該表面的入射高度為0。由YNI的定義可知，圖2中表面2和圖3中表面4的YNI值都為0，此時產(chǎn)生的后向反射能量最強[11]。因此光學元件表面的YNI值越接近于0，其產(chǎn)生的后向反射能量越強；而當YNI值大于1時，則可認為該光學表面產(chǎn)生的后向反射能量很小，返回到后繼光學系統(tǒng)中的光能很弱，對接收光束的影響較小。

根據(jù)以上理論，在對激光通信終端光學天線系統(tǒng)進行設計時，可以通過約束YNI值(盡量使每個表面的YNI值都大于1)，來對中心視場的后向反射進行分析和控制；同時，通過改變光學表面的曲率來增加光線在該表面的入射角i，或改變間隔來增加入射高度h，進而達到提高各光學表面YNI值的目的，使后向反射的光線散焦，入射角度超過像方視場角范圍，從而無法進入后繼光學系統(tǒng)影響接收光束。如此，在保證光學系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)良的情況下，達到了減小后向反射能量的目的。

4 實例分析

4.1 卡塞格林天線光學設計

該實例系統(tǒng)應用于某在研的星間激光通信終端，卡塞格林天線的設計指標如表1所示。

根據(jù)以上參數(shù)指標，選取合理的初始結構進行優(yōu)化，在ZEMAX軟件中完成了如圖4所示的光學系統(tǒng)設計。從如圖5所示的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可以看出，最終系統(tǒng)的成像質(zhì)量良好，各個視場都在衍射極限以內(nèi)。

表1 卡塞格林天線的設計指標Tab. 1 Design specifications of Cassegrain antenna

圖4 卡塞格林天線結構Fig. 4 Structure of Cassegrain antenna

圖5 卡塞格林天線的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig. 5 MTF curves of Cassegrain antenna

4.2 系統(tǒng)的建模與仿真

根據(jù)光學設計結果，在照明分析軟件LightTools中對設計好的卡塞格林天線進行建模。首先定義各光學元件和機械結構的表面屬性，主、次鏡表面鍍銀膜后的反射率及透鏡鍍增透膜后的透過率按ZEMAX中的數(shù)據(jù)進行賦值，機械結構表面為朗伯散射，吸收率設置為99%。在天線出瞳位置處建立和出瞳大小(即半徑為10 mm)相同的圓形接收器，用來接收后向反射光。在透鏡3與接收器之間定義一個激光光源，發(fā)射充滿透鏡3的準直激光，輻射功率為1 W。在接收器上，為每個待測表面定義一個濾片組，用來獲取仿真分析時各表面的后向反射能量數(shù)據(jù)，并通過角度濾片限制接收的后向反射光的入射角小于像方視場角±0.087 5°，以保證接收到的后向反射光能夠進入后繼光學系統(tǒng)。

圖6 卡塞格林天線的光線追跡Fig. 6 Ray tracing of Cassegrain antenna

在LightTools軟件中，采用蒙特卡洛法進行光線追跡，如圖6所示，設置追跡的光線總數(shù)為200萬，相對光線功率閾值為10-10，啟用正向模擬。仿真結果如表2所示。表2中給的透鏡編號和圖4保持一致。

表2 各元件的后向反射率及YNI值Tab. 2 Back-reflection ratio and YNI value of each element

天線系統(tǒng)整體的后向反射率為3.068 8×10-4，代入到隔離度計算公式中，得到卡塞格林光學天線的隔離度為-35.13 dB，隔離度水平不高。在所有的光學元件和機械結構中，3塊透鏡和次鏡的后向反射能量較高，因為這些元件表面可以直接將發(fā)射激光反射到接收器上。各級遮光罩、支撐結構、主鏡等因目鏡筒上的機械結構擋住了從主鏡中心開孔處散射回來的光線，因此后向反射能量為0。在3塊透鏡中，透鏡1前后2個表面的后向反射能量最強，遠高于另外2塊透鏡表面的反射能量。從ZEMAX中得到的各表面的YNI數(shù)據(jù)也完全符合這個規(guī)律，即透鏡1前后2個表面的YNI值非常小，尤其是透鏡1后表面的YNI值僅為0.051 99，而該表面對應的后向反射能量占總能量的87.8%，是天線后向反射能量的最主要來源，嚴重降低了系統(tǒng)的隔離度水平。仿真結果表明，光學元件表面的YNI值越接近0，其后向反射能量越強，證明上面提到的用YNI值來評價光學系統(tǒng)中各表面后向反射強度的方法是正確的。

4.3 優(yōu)化設計及結果

為減弱天線的后向反射能量，提高隔離度水平，在ZEMAX軟件中對光學天線進行優(yōu)化，優(yōu)化過程中使用YNIP操作數(shù)來控制各表面YNI值的變化。在保證系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)良且不增加透鏡數(shù)量的條件下，通過改變3塊透鏡的表面曲率及透鏡間隔，增大透鏡1前后2個表面的YNI值，并盡量保持其他元件表面的YNI值仍大于1。優(yōu)化后的系統(tǒng)如圖7所示，主、次鏡的口徑和位置保持不變，但3塊透鏡的表面曲率及相對位置發(fā)生了改變。從圖8所示的優(yōu)化后系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線可以看出，優(yōu)化后系統(tǒng)的像質(zhì)和優(yōu)化前的像質(zhì)相同，各視場都在衍射極限內(nèi)。對比表2和表3可知，在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，透鏡1前后表面的YNI值分別從優(yōu)化前的0.138 37和0.051 99增大到0.525 68和0.500 21，雖然優(yōu)化后的YNI值仍小于1，但與優(yōu)化前相比，前后2個表面的后向反射能量得以大幅減弱。此外，其他元件表面的YNI值均大于1，相比于優(yōu)化前變化不大，后向反射能量仍保持在優(yōu)化前的數(shù)量級水平。

圖7 優(yōu)化后的天線結構Fig. 7 Structure of optimized antenna

圖8 優(yōu)化后系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線Fig. 8 MTF curves of optimized system

依據(jù)優(yōu)化后系統(tǒng)的結構參數(shù)，在LightTools軟件中對卡塞格林天線模型進行修改，仍然設置追跡的光線總數(shù)為200萬，相對光線功率閾值為10-10，啟用正向模擬，得到表3數(shù)據(jù)。

表3 優(yōu)化后各元件的后向反射率及YNI值Tab. 3 Back-reflection ratio and YNI value of each element after optimization

天線系統(tǒng)整體的后向反射率為1.075 5×10-5。優(yōu)化后的仿真結果顯示，卡塞格林天線的后向反射率減小了1個數(shù)量級，系統(tǒng)的隔離度減小到-49.68 dB，光學天線的隔離度水平提高了14.55 dB。透鏡1前表面的后向反射率從3.378 9×10-5減小到4.124 9×10-6，占系統(tǒng)總后向反射能量的38.35%；透鏡1后表面的后向反射率從2.694 5×10-4減小到2.672 7×10-6，占系統(tǒng)總后向反射能量的24.85%。與優(yōu)化前相比，透鏡1前后2個表面的后向反射能量大幅減弱。在優(yōu)化后的系統(tǒng)中，透鏡1前后2個表面及次鏡的后向反射率都在10-6數(shù)量級，是系統(tǒng)中對后向反射貢獻最大的表面，但與優(yōu)化前相比，各表面對后向反射能量的貢獻趨于平均，實現(xiàn)了優(yōu)化目標。優(yōu)化后系統(tǒng)各表面的YNI值與后向反射率R的變化趨勢相反，仍然保持了YNI值越接近于0，后向反射率R越大的規(guī)律。因此在激光通信光學天線的設計過程中，不僅要保證系統(tǒng)的像質(zhì)良好，而且要保證各元件表面的YNI值不能太小，盡量大于1，以保證天線的隔離度水平滿足通信要求。

5 結 論

本文從理論上給出了卡塞格林天線后向反射率和隔離度的定義及分析方法，提出了一種以YNI值控制天線后向反射能量的優(yōu)化方法，通過對某激光通信終端卡塞格林天線進行建模并仿真分析，驗證了元件表面YNI值越接近于0時，其后向反射能量越大的規(guī)律。因此在設計激光通信終端光學天線時，應合理選擇結構的形式，在確保像質(zhì)優(yōu)良的同時對光學表面的YNI值進行分析、控制，使各表面的YNI值越大越好，減少能夠進入后繼光學系統(tǒng)中的后向反射能量， 提高激光通信中光學天線的隔離度水平，使整個系統(tǒng)的總隔離度滿足高指標設計要求。

[1] 吳從均. 星間激光通信終端及其實驗室檢測平臺光學系統(tǒng)研究[D]. 長春:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所,2014. WU C J. Study of inter-satellites laser communication terminals and its laboratory testing platform′s optical system[D]. Changchun:Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,2014. (in Chinese)

[2] 程彥彥. 星載激光通信終端光學系統(tǒng)研究[D]. 西安:中國科學院西安光學精密機械研究所,2012. CHENG Y Y. Research on space laser communication optical system[D]. Xi′an:Xi′an Institute of Optics and Precision Mechanics,Chinese Academy of Sciences,2012. (in Chinese)

[3] HONG J,KOH H S. Backward reflection analysis of transmitting channel of active laser ranging optics[J].SPIE,2013:88410Q.

[4] 胥全春. 星地激光通信星上終端雜散光分析及抑制方法研究[D]. 哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學,2014. XU Q CH. Research and analysis on stray light and suppression methods of satellite terminal in satellite-to-ground laser communications[D]. Harbin:Harbin Institute of Technology,2014. (in Chinese)

[5] 金光,李艷杰,鐘興,等. 空間成像與激光通信共口徑光學系統(tǒng)設計[J]. 光學 精密工程,2014,22(8):2067-2074. JIN G,LI Y J,ZHONG X,etal.. Design of co-aperture optical system for space imaging and laser communication[J].OpticsandPrecisionEngineering,2014,22(8):2067-2074. (in Chinese)

[6] SODNIK Z,SMIT H,SANS M,etal.. LLCD operations using the lunar lasercom OGS terminal[J].SPIE,2014:89710W.

[7] 姜會林. HTSS空間激光通信技術與系統(tǒng)[M]. 北京:國防工業(yè)出版社,2010. JIANG H L.Thetechnologiesandsystemsofspacelasercommunication[M]. Beijing: National Defense Industry Press,2010. (in Chinese)

[8] 吳從均,顏昌翔,高志良. 空間激光通信發(fā)展概述[J]. 中國光學,2013,6(5):670-680. WU C J,YAN CH X,GAO ZH L. Overview of space laser communications[J].ChineseOptics,2013,6(5):670-680. (in Chinese)

[9] 姜會林,安巖,張雅琳,等. 空間激光通信現(xiàn)狀,發(fā)展趨勢及關鍵技術分析[J]. 飛行器測控學報,2015,34(3):207-217. JIANG H L,AN Y,ZHANG Y L,etal.. Analysis of the status quo,development trend and key technologies of space laser communication[J].JournalofSpacecraftTT&CTechnology,2015,34(3):207-217. (in Chinese) [10] BIRKL R A,MANHART S. Back-reflection measurements on the SILEX telescope[C].Munich′91 (Lasers′91),International Society for Optics and Photonics,Munich,Germany,June 10,1991.

[11] 劉欣,潘枝峰. 紅外光學系統(tǒng)冷反射分析和定量計算方法[J]. 紅外與激光工程,2012,41(7):1684-1688.

LIU X,PAN ZH F. Analysis and quantitative calculation methods for Narcissus of infrared optical system[J].InfraredandLaserEngineering,2012,41(7):1684-1688. (in Chinese)

[12] 劉濤,崔慶豐,楊亮亮,等. 紅外光學系統(tǒng)中衍射面冷反射的分析與評價[J]. 科學通報,2012,57(1):36-41.

LIU T,CUI Q F,YANG L L,etal.. Evaluation and control of narcissus for diffractive surfaces in IR systems[J].ChineseScienceBulletin,2012,57(1):36-41. (in Chinese)

[13] 楊正,屈恩世,曹劍中,等. 對凝視紅外熱成像冷反射現(xiàn)象的研究[J]. 激光與紅外,2008(1):35-38.

YANG ZH,QU E SH,CAO J ZH,etal.. The narcissus study in the optical system for the infrared staring arrays[J].Laser&Infrared,2008(1):35-38. (in Chinese)

[14] HOWARD J W,ABEL I R. Narcissus: reflections on retroreflections in thermal imaging systems[J].AppliedOptics,1982,21(18):3393-3397.

[15] 張鵬,羅長江,熊鐘秀. 制冷型紅外光學系統(tǒng)冷反射的逆光路分析[J]. 電光與控制,2013,20(6):66-69.

ZHANG P,LUO CH J,XIONG ZH X. Analysis of inverse path tracing rays of narcissus for cooled infrared optical system[J].ElectronicsOptics&Control,2013,20(6):66-69. (in Chinese)

[16] 張葆,崔恩坤,洪永豐. 紅外雙波段雙視場共光路光學系統(tǒng)[J]. 光學 精密工程,2015,23(2):395-401.

ZHANG B,CUI E K,HONG Y F. Infrared MWIR/LWIR dual-FOV common-path optical system[J].OpticsandPrecisionEngineering,2015,23(2):395-401. (in Chinese)

Isolation of optical antenna of inter-satellites lasercommunication terminals

YANG Cheng-long1,2, YAN Chang-xiang1*, YANG Yu-fei1,2

(1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)*Corresponding author, E-mail:yancx@ciomp.ac.cn

To meet the requirement of inter-satellites laser communication for higher isolation level of optical antenna and achieve the simulation analysis and optimization of optical antenna′s isolation level, a method using theYNIvalue (characteristic value of narcissus in infrared optical system) as the evaluation of back-reflection energy intensity of optical element surfaces and increasing the isolation level of optical antenna by controlling its optimization is presented. An entity model of Cassegrain antenna in an inter-satellites laser communication terminal is established by LightTools software, and back-reflection ratio of each element surface is obtained through simulation and analysis. Optical antenna′s structure is optimized by increasing theYNIvalue of each element surface by ZEMAX software. Comparing the results before and after optimization, the optical antenna′s back-reflection ratio decreases from 3.068 8×10-4to 1.075 5×10-5and the isolation level decreases from -35.13 dB to -49.68 dB. The optimized Cassegrain antenna has a high isolation level, which can be used for inter-satellites laser communication.

laser communication;isolation;back-reflection;YNIvalue

2017-02-05；

2017-03-28

國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(No. 2011AA12A103) Supported by National High Technology Research and Development Program of China(No. 2011AA12A103)

2095-1531(2017)04-0462-07

TN929.13

A

10.3788/CO.20171001. 0462

楊成龍(1991—),男,吉林省吉林市人,碩士研究生,2014年于天津大學獲得學士學位,主要從事星間激光通信光學系統(tǒng)設計及雜散光方面的研究。E-mail:yangcl_1991@163.com

顏昌翔(1973—),男,湖北洪湖人,研究員,2001年于中國科學院長春光學精密機械與物理研究所獲得博士學位,主要從事空間光學遙感技術方面的研究。E-mail:yancx@ciomp.ac.cn