【摘　要】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。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。利用 Zemax 优化设计了收发合一的光学天线系统。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和选择。
　　【关键词】空间光通信;光学系统设计;光学天线;增益;偏轴
　　0.引言
　　随着航天技术的不断发展, 目前围绕地球轨道运行着数以千计的各种飞行器, 这些飞行器之间以及飞行器与地面站之间都需要进行通信。庞大的通信数据量给通信系统带来极大的挑战, 同时大量卫星通信地面站的建立也会带来庞大的地面运行、维护费用及大量的地面运行维护人员, 这些都会降低系统的效率、可靠性及保密性。因此, 建立卫星与卫星间的通信链路——中继星及中继链路变得势在必行。相对于传统的通信方式相比，空间光通信的主要优点是：
　　(1)具有微米级的波束发散角。(2)高数据传输率。(3)体积小、重量轻。(4)架设灵活方便。(5)保密性强。(6)无需申请频率。(7)经济性适用性强。
　　1.空间光通信中光学天线系统设计
　　1.1光学系统设计概述
　　随着科技的飞速发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。光学系统作为光学仪器的核心部分，其像质的优劣决定了光学仪器整体质量的好坏。然而，一个好的光学系统是靠好的光学设计去实现的。所以，光学系统设计是实现各种光学仪器的基础。所谓的光学系统设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来确定满足各种使用要求的数据，即设计出光学系统的外形体积、重量、性能参数和各光组的结构等。
　　光学系统设计是20世纪发展起来的一门学科，至今已经历了一个漫长的过程。最初生产的光学仪器是利用人们直接磨制的各种透镜，并把它们按不同情况进行组合，找出成像质量比较好的结构。但这需要花费很长的时间、人力和物力，而且未必能找到满意的结构。所以，后来便用计算的方法代替这过程，即利用“光路计算”或“像差计算”来确定光学系统的结构参数。与实际制作透镜相比，这当然是一个很大的进步，但这样的方法仍然不能满足光学仪器生产的需要。因为光学系统的结构参数与像差之间的关系相当复杂，要找到一个理想的结果，需要经过长期的计算过程。光学系统设计经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程序进行设计的巨大飞跃。
　　1.2光学系统设计概述过程
　　(1)根据使用要求制定合理的技术指标。从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光学系统合理的技术指标。
　　(2)光学系统总体设计。这过程的核心是确定光学原理方案和外形尺寸计算，一般都按理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
　　(3)光学部件的设计。一般包括选型、确定初始结构参数和像差校正三个阶段。
　　(4)长光路的拼接和统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼接和统算。若结果不合理，则应反复计算并调整各光组的位置和结构，直到达到预期目标为止。
　　1.3学系统设计软件
　　常用的光学设计软件有两类，一种用于设计照明系统，另一种用于设计成像系统。常用的照明设计软件有Lightools、Tracepro和ASAP，成像设计软件有 Codev、Zemax和Oslo。
　　收光学天线，它是空间光通信系统的重要组成部分。发射天线的作用是对光束进行双曲线的实轴，b0为双曲线的虚轴，2c0为双曲线焦距。并运用先进的光学设计软件Zemax对结构进行优化。
　　1.4光学天线系统的设计要求
　　光学天线系统的主要设计要求如下：
　　(1)光学天线有较大的入瞳直径，以便能最大限度地收集来自光源的信号。
　　(2)天线的成像质量高，斯特列尔比(Strehl Ratio)大于0.8。
　　(3)天线主、次镜反射率大于95%，透镜透射率大于90%。
　　(4)光学主天线(卡塞格伦天线)具有低的遮挡率，小于0.4。
　　(5)系统中所有的光学零件采用的材料质量轻，热膨胀系数小，稳定性高，使用寿命长。
　　2.卡塞格伦天线子系统的设计
　　2.1卡塞格伦天线子系统的镜面组合
　　本系统中的卡塞格伦光学天线采用抛物面镜作主镜，双曲面镜作次镜，且抛物面与双曲面共焦。下面将对抛物面镜和双曲面镜的方程及参数进行介绍。
　　2.2卡塞格伦天线子系统的成像质量分析
　　常用的评价方法有：点列图、瑞利判断、斯特列尔(Strehl)判断，点扩散函数(PSF)、光学传递函数(MTF)、波像差、场曲和畸变曲线等。
　　3.光学天线系统的设计
　　发射端光学天线的作用是将光源的发散角压缩后再通过发射望远镜进一步准直。接收端光学天线的作用是将接收到的空间激光信号收集并汇聚到光接收器件的有效接收表面光学系统设计的准则是：只要可以满足成像质量要求，设计的系统越简单越好。发射光与接收光利用分色镜隔离，本系统有三条通道：发射通道、实验通道和接收通道。下图为接收光学天线系统的三维仿真图，发射光学天线系统图与其类似。
　　在接收光学天线系统中，激光束先由接收卡塞格伦天线主、次镜反射后传到双分离透镜，经过双分离透镜准直整形和分色镜透射后的光束发将变窄，然后凹透镜再对光束进一步准直。为了隔离杂散光及背景光，在凹透镜前插入了一个滤波片。经滤波片和分束镜后出来的光束将分成两束光，此时的光束宽度约7.3mm。透射出的光经汇聚后进入实验通道。而为了实现耦合透镜对入射光的要求（光束宽度小于2mm）和提高系统的成像质量，经分束镜反射后的光束先经压缩透镜组整形后再进入耦合透镜。最后以FC/PC光纤引出，进入后面的模块。
　　4.光学天线系统的测试及性能分析
　　4.1光学天线系统成像质量分析
　　系统焦平面成像达到了衍射极限，与卡塞格伦天线子系统的像质比较，光源经过整个系统后的像质更优劣，这是因为经过相对较多的光学元件后，像差得到了更好的校正。
　　4.2光束发散损耗
　　随着通信距离、发散角的增加和接收天线主镜口径的减小，由于光束发散引起的损耗越来越大。但是我们从图5-4中可以看出，在相同传输距离下，当接收系统孔径超过10cm时，由接收孔径大小造成的损耗差别很小，并且随着传输距离的增加这种差别会更小。因此，综合损耗因素和系统体积因素，接收孔径一般在10cm～20cm左右。
　　5.结束语
　　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、测试和性能分析。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。对卡塞格伦天线离焦对天线发散角的影响、增益及准直特性进行了详细的分析，从高斯光学理论出发，对天线的效率进行了分析，效率高达82.74%，满足设计指标要求。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0.046?姿，满足设计指标（