一种大气激光通信变f 数跟踪光学系统设计

［陈进慧 马拥华 蒋相 杨乾远］

1 引言

大气激光通信是以大气作为信道的一种通信方式，其主要由光学单元，扫描捕获跟踪PAT 单元和通信单元组成[1～3]。四象限探测器QD（Quadrant Detector）作为一种跟踪探测器，其当目标成像不在光轴上时，四个象限上探测器输出的光电信号幅度不相同，比较四个光电信号的幅度大小就可以知道目标成像在哪个象限上。为保证通信的可靠性通常使用多个QD 来实现大视场和长焦距[4～6]。另一方面CMOS 探测器虽然可以通过开窗和像元细分实现大视场和高分辨率[7～8]，但1 550 nm 波段COMS 相机价格昂贵，体积相对较大[9～10]。

变焦系统通过凸轮转动实现连续的焦距变化，同时像面不产生移动[11～12]。变焦系统在可见光和红外成像方面[13～14]，红外测温系统中[15～16]。这些系统中均为固定f 数，不同焦距下的入瞳直径也不相同。在大气激光通信系统中，孔径光阑通常为系统第一片透镜，即入瞳为系统第一片透镜，而探测器接收光功率随入瞳直径增加而增加，为了保证接收光功率不变，需要在改变系统焦距的同时保持入瞳直径不变。对使用QD 进行跟踪的大气激光通信系统而言,固定入瞳直径，改变f 数是一种更为理想的选择。

本文设计变f 数跟踪光学系统，可以实现在焦距连续变化时，保持通光孔径不变，在小焦距时完成大视场范围的跟踪目标，在大焦距时完成小视场范围、高分辨率的快速跟踪。

2 系统设计

变焦光学系统要改变焦距，但是每个透镜一经完成之后，单透镜焦距是固定不变的，要变焦只能改变各透镜之间的间隔。如图1 所示为一个变焦系统，其中第1、4 透镜组在焦距变化过程中固定不动，第1 组叫前固定组，第4 组叫后固定组；通过第2、3 透镜组移动来实现焦距变化，第2 和3 组分别按照自己的运动规律移动，移动量通过凸轮设计来实现，第2 组叫变倍组，第3 组叫补偿组，变倍组沿光轴作微小移动时，补偿组相应移动一段距离来补偿，从而实现像面稳定[17]。

图1 偏振隔离光学系统示意

变焦系统有多种类型，但基本形式就两种，补偿组具有正的光焦度的正组补偿系统和补偿组具有负的光焦度的负组补偿系统。变焦系统设计必须要满足如下面基本要求：1、均匀改变焦距；2、变焦过程像面保持稳定；3、像质符合要求[17]。

3 设计实例分析

3.1 设计指标

在本次大气激光通信变f 数光学系统设计中，使用直径1.5 mm 的QD[18～19]，光学系统指标如表1 所示。

表1 设计指标

大气激光通信系统平台通常搭载的GPS/北斗定位系统、惯导系统和通信终端来辅助激光通信的初始对准，先通过GPS/北斗定位系统获取本端的位置信息，再将位置信息通过平台通信传输到对端，根据位置和惯导探测的姿态信息进行初始指向，通过一端的粗跟踪相机探测器凝视另一端信标光扫描的方式实现激光束的扫描捕获[20]。因此系统探测器尺寸及视场都较小，以实现快速跟踪，保证接收功率的稳定性。

3.2 仿真结果

跟踪光学系统仿真结果如图2 所示。

图2 光路示意图

系统由4 部分组成，前固定组，后固定组均为3 片球面透镜组成，变倍组与补偿组亦由3 片球面镜组成，焦距分别具有负光焦度和正的光焦度，本系统为一个正组补偿系统。

3.3 像质评价

3.3.1 传递函数MTF

传递函数是评价光学系统的主要指标之一，其反映光学系统将物空间细节传递到像空间的能力，系统不同焦距下的MTF 曲线如图3 所示。图中在焦距75 mm 和650 mm 两个位置的传递函数曲线均在衍射极限，各轴外视场也在接近衍射极限，表明系统具有较好的成像质量。

图3 光学系统传递函数曲线

3.3.2 点列图

点列图是评价光学系统成像质量的另一重要手段，它反映光束在探测器上能量集中程度，同时根据光斑形状还能可视化系统像差。如图4 所示系统在长短两个焦距位置，均方根半径均在7 μm 以内，具有较好的能量集中度。

图4 光学系统点列图

3.3.3 畸变

对于跟踪光学系统，光斑畸变会影响跟踪精度，最终导致跟踪时间的增加，甚至通信质量的下降。如图5 所示，给出了长、短焦距时的畸变曲线，结果显示，光学系统的最大畸变在短焦位置，与理想系统（注：理想系统认为没有畸变）对比最大畸变为1%，满足系统对畸变的要求。

图5 光学系统畸变

3.4 凸轮曲线绘制

本文利用Zemax 宏程序对变倍组和补偿组的运动进行自动优化，将数据导入Matlab 进行绘制曲线，如图6所示。变倍组从短焦位置移动到长焦位置轨迹如图中红实线所示，补偿组随其相应的移动，轨迹如图中绿色虚线所示。可以看出，各组运动曲线平滑，满足系统使用要求，为光轴同轴性提供了保障。

图6 系统凸轮曲线

4 结束语应用

本文提出了一种连续变焦跟踪光学系统设计方案，解决了大气激光通信中使用单个四象限探测器无法实现大扫描范围及高跟踪精度的问题。变f 数系统在系统通光口径不变的情况下改变焦距，可以保证探测接受光功率值，使系统信噪比始终保持在要求误码率范围内。通过改变f 数大小可以进行大视场捕获和小视场快速跟踪的转换，提高在大视场捕获时通光口径的利用率，提高跟踪稳定性。该系统工作波段为1 550 nm 波段，变倍比为8.7 倍，各焦距位置MTF 均接近衍射极限，弥散斑在7 μm 以内，畸变小于1%，成像质量优良且稳定。系统凸轮曲线平滑连续，结构紧凑，易于实现，对类似应用系统具有一定参考价值。