空间光通信中光学天线系统的设计及性能分析

论文摘要

近年来,随着地面光纤通信的发展,特别是光放大器及波分复用技术的成熟,许多国家纷纷转向研究工作波段为1550nm波段的通信系统,1550nm波段的空间光通信将成为未来的高速卫星激光通信系统的发展趋势。就目前技术水平来看,仍然还有许多关键技术需要进一步完善,主要包括以下关键技术:(1)精密发射和接收光学天线技术;(2)高精度对准技术;(3)高能量转换效率的光放大器技术;(4)空间光到光纤的高效耦合技术;(5)空间环境适应性技术。针对上面提到的前两项关键技术,论文主要研究了光学天线系统的设计原理及方法,设计出一套中心波长为1550nm波段的光学天线系统,对设计的系统进行了加工实现、测试及性能分析。本论文的研究内容如下:1.介绍了光学系统的设计方法,对非球面光学零件应用和光学特性进行了分析。通过对各种常见光学天线的结构、成像质量进行对比分析,本论文确定在该光学天线系统的设计中采用卡塞格伦天线。2.通过对卡塞格伦天线结构的建模分析和光学设计软件Zemax的应用,优化设计出主镜和次镜均为非球面镜、中心波长为1550nm、视场角为1°的卡塞格伦光学天线,并对卡塞格伦天线离焦对天线发散角的影响、增益、准直特性、成像质量及传输效率进行了分析。3.利用Zemax优化设计了收发合一的光学天线系统,它包括发射通道、接收通道和实验通道。在系统中,利用分色镜和分束镜实现收发隔离及多光路需求。对各个光学元件的材料进行了分析,与加工单位协商,对材料进行了合理选择。4.利用Zygo干涉仪对加工的光学天线系统的波像差进行了测试,其波像差均方根(RMS)值为0.046λ,满足设计指标( <λ/20)要求。对系统的传输效率进行了测试,结果为71.4%。分析了系统的成像质量、光束发散损耗。通过对光学天线系统偏轴的建模,得出了功率衰减曲线。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 空间光通信的优势及发展动态
• 1.2.1 空间光通信的优势
• 1.2.2 空间光通信的发展动态
• 1.2.2.1 国外光通信的发展动态
• 1.2.2.2 国内光通信的发展动态
• 1.3 光学天线的发展动态
• 1.4 课题来源及研究内容
• 第二章 空间光通信中光学天线系统设计原理
• 2.1 光学系统设计概述
• 2.1.1 光学系统设计的发展概况
• 2.1.2 光学系统设计的过程
• 2.1.3 光学系统初始结构的确定方法
• 2.1.4 光学系统设计软件
• 2.2 非球面光学零件理论
• 2.2.1 非球面光学零件的应用
• 2.2.2 二次曲面的数学表达式及光学性质
• 2.3 光学天线
• 2.3.1 透射式光学天线
• 2.3.2 反射式光学天线
• 2.3.3 自由空间的传输损耗
• 2.3.4 光学天线的增益
• 2.3.5 光学天线类型选择
• 2.3.6 光学天线系统的设计要求
• 2.4 本章小结
• 第三章 卡塞格伦天线子系统的设计及性能分析
• 3.1 卡塞格伦天线子系统结构参数理论分析
• 3.1.1 卡塞格伦天线子系统的镜面组合
• 3.1.2 卡塞格伦天线子系统结构参数的确定
• 3.1.3 卡塞格伦天线子系统离焦对天线准直的影响
• 3.2 卡塞格伦天线子系统性能分析
• 3.2.1 卡塞格伦天线子系统增益分析
• 3.2.2 卡塞格伦天线子系统的准直特性
• 3.2.3 卡塞格伦天线子系统的成像质量分析
• 3.2.4 卡塞格伦天线子系统传输效率分析
• 3.3 本章小结
• 第四章 光学天线系统的设计
• 4.1 光学天线系统技术指标
• 4.2 光学材料的选择
• 4.2.1 增透膜选择
• 4.2.2 增反膜的选用
• 4.3 分色镜和分束镜设计
• 4.4 滤波片设计
• 4.5 光学天线小型化系统设计与仿真
• 4.6 光学天线系统装配结构设计
• 4.7 本章小结
• 第五章 光学天线系统的测试及性能分析
• 5.1 光学天线系统测试
• 5.1.1 光学天线系统波像差测试
• 5.1.2 光学系统放大倍数测试
• 5.1.3 光学天线系统效率测试
• 5.2 光学天线系统性能分析
• 5.2.1 光学天线系统成像质量分析
• 5.2.2 光束发散损耗
• 5.2.3 光学天线系统光轴偏离的理论建模与仿真
• 5.2.3.1 卡塞格伦光学天线系统光轴偏离的理论建模与仿真
• 5.2.3.2 偏轴下接收天线增益分析
• 5.3 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 主要工作及结论
• 6.2 工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻硕期间取得的研究成果