环形光束大气传输数值模拟与分析

为了研究大气湍流对环形光束激光工程应用的影响,采用多相位屏数值模拟的方法对环形光束在大气湍流中的传输进行了仿真模拟。通过改变大气湍流强度、传输距离等参数,定量计算了不同传输条件下质心漂移均方根、远场目标的焦平面平均功率密度,给出环形光束传输路径上特征距离解析式并分析了大气湍流对环形光束远场平均光强分布的影响。结果表明,环形光束在大气湍流中传输时光斑质心漂移随湍流效应（湍流强度或传播距离）增强而增大,远场光束质量随遮拦比增大而降低。遮拦比小于0.5时,大气湍流对光束质量的影响较为明显。环形光束大气传输数值模拟方法,可为高能激光武器等激光工程应用的理论分析和效能评估提供依据。     

环状光束沿斜程路径大气湍流传输的光束扩展

利用数值模拟方法,采用桶中功率为86.5%定义的环围功率束宽作为光束扩展的评价参数,研究了环状光束在大气湍流中沿斜程路径传输的光束扩展。研究结果表明,自由空间中遮拦比越大,远场光强旁瓣越明显。大气湍流造成光强旁瓣消失,且远场光强分布并不是高斯分布。光束扩展随着遮拦比和天顶角的增大而增大,大气湍流对光束扩展的影响也随天顶角的增大而增大。当遮拦比较大或较小时,湍流对光束扩展影响随遮拦比的增大而减小;当遮拦比中等大小时,湍流对光束扩展的影响几乎不随遮拦比而变化。与已有研究结果比较发现,按照桶中功率不同百分比定义的环状光束环围功率束宽受大气湍流影响规律是不同的,研究结果对实际应用具有意义。     

卡塞格伦天线光传输特性研究

本文对卡塞格伦光学天线系统的传输理论进行了分析,在此基础上对卡塞格伦光学天线的传输特性进行了仿真实验分析,通过实验发现偏轴将直接影响卡塞格伦天线的传输效率和藕合效率,期望本文的研究能够为卡塞格伦光学天线特性问题的研究提供可行的思路和方法。     

加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生与传输

通过对具有加载光学涡旋的圆形Airy光束传输性质的研究,理论分析了笛卡尔坐标系下,利用分区域法加载光学涡旋的多光束圆形Airy光束的产生,并通过傅里叶变换与角谱传输定理,理论模拟了该光束的传输特性,讨论了加载不同拓扑荷数光学涡旋对光束传输特性的影响。结果表明:拓扑荷数的大小对聚焦位置影响不大,但随着拓扑荷数的增加,焦平面上光束中心处的空心尺寸变大,并且光束的突然自聚焦强度降低。由于该研究具有同时产生并在多光束上加载不同拓扑荷数光学涡旋的优点,在光操控多微粒领域及激光治疗等领域具有潜在的应用价值。     

光纤脉冲相干激光测风雷达光学天线特性分析

为了提高光纤脉冲相干激光测风雷达性能,采用数学建模的方法来分析光学天线特性。利用后向传播本振原理,讨论光学天线口径对系统载噪比的影响,以及光瞳截断比对天线效率的影响; 提出光学接收耦合效率的定义,研究不同大气折射率结构常数条件对耦合效率和测程的影响;通过搭建实验平台,测量不同距离门内的载噪比和频谱强度等参数,验证了仿真结果。结果表明,当远场探测距离在7km~10km范围内变化时,天线最优口径为100mm,光瞳截断比最优值为0.8;相较弱湍流情况,强湍流会使同一系统测程下降近30%。此研究为光学天线的优化设计提供了理论依据。     

一种提高卫星光通信终端发射效率的新方法

在采用同轴反射式光学天线的卫星光通信终端中,发射光束受天线次镜的遮挡,将损失部分能量.为消除次镜遮挡,提高光通信终端的发射效率,提出一种基于衍射光学元件的新方法.该方法利用衍射原理将光束整形为圆环光束,以规避次镜遮挡.按照遮挡比和切断比固定和变化这两类情况进行了仿真设计,前一类仿真结果表明:当遮挡比为15,切断比为1.5时,远场强度峰值提高了40%.后一类情况的仿真结果则表明:遮挡比越大,系统透过率和远场峰值强度越高,远场光束的主瓣宽度和强度峰值相对增量则分别变窄和变低;切断比越大,强度峰值的相对增量也越大.该方法提高了卫星光通信系统发射端的发射效率,同时也改善了接收端的光束质量.     

卡塞格伦光学天线系统的光传输特性分析

对激光束经卡塞格伦光学天线系统后光传输特性进行了理论分析和仿真,研究了影响它的一些因素。建立了卡塞格伦光学天线系统的测试平台,对天线的偏轴、热变形和像差等因素对天线的传输效率的影响进行了实验测试,并提出了改进措施。     

三维平顶高斯光束通过环形光阑的传输特性

利用Collins衍射积分公式对三维平顶高斯光束通过有中心遮拦的矩形环状光阑的传输特性进行了详细研究。对菲涅耳衍射和夫琅和费衍射的数值计算结果表明,遮拦比e和截断参数δ对其光强分布和远场能量(功率)集中度有影响。     

圆环孔径衍射高斯光束远场发散角研究

基于夫琅禾费衍射理论,通过对衍射积分的核函数进行近似,推导并得出了简洁的经圆环形孔径衍射的高斯光束远场发散角的近似解析式。在不同衍射孔径外径和不同遮拦比的条件下,将该解析式与严格的夫琅禾费衍射积分进行比较,发现二者求出的远场发散角接近一致,最大误差不超过2.7%。与传统数值积分求取光束发散角相比,该近似解析式在避免繁琐的积分运算同时保持了较高的精度。该解析式成立条件为高斯光束的束腰直径大于等于3.5倍中心遮拦直径,且小于等于孔径直径;在实际工程应用中,特别是具有大口径、小遮拦比特点的空间激光通信光学天线这一应用场景,该条件一般能够被满足。     

相干激光测风雷达环行器参量对测程的影响

为了提高激光测风雷达性能,采用数学建模的方法,基于环行器工作原理,分析了环行器出射光束质量,讨论了光束发散角对目标距离处激光峰值光强的影响,提出了环行器光束接收效率定义,研究了发射和接收光轴偏轴度对探测距离的影响。并搭建实验平台,取得远场光斑参量,验证了仿真结果。结果表明,随着出射光束发散角增大,相同作用距离处的相对峰值光强减小;雷达探测距离主要受偏轴角度的影响,mrad量级的偏角会使探测距离减小89.7%。因此,应合理增大光学天线准直倍率,并且设计的角度调节结构精度应优于0.1mrad量级。     

空间光通信中发射天线像差对激光传输的影响

空间光通信中发射天线像差会引起远场轴上光强下降.首先分析了无像差的理想发射天线,假设发射光束为高斯光束,在给定发射功率、天线直径时,天线直径与高斯光束直径的最佳比值为1.12,此时远场轴上光强最大.在此基础上分析了像差对远场轴上光强的影响,通过倾斜及离焦补偿,并减小发射光束直径可降低像差的影响.在最优条件下,1/4波长的球差、彗差及像散引起的远场轴上光强的附加损失分别为0.06 dB,0.13 dB及0.31 dB.最后分析了单透镜的像差特性,对于较大直径的发射天线,像差引起的远场轴上光强下降可达10 dB以上.

Abstract：

Aberration of transmitting antenna will decrease the far-field on-axis intensity in space optical communication systems. Aberration-free antenna system is analyzed. By assuming transmitting beam to be Gaussian distribution, and under given optical power and diameter of transmitting antenna, it is proved that the far-field on-axis intensity reaches its maximum when the ratio of the antenna diameter to the Gaussian beam diameter is 1.12. Compared to this maximum intensity, the far-field on-axis intensity loss induced by aberration of transmitting antenna is analyzed. This loss can be reduced by using tilt or defocus adjustment, and decreasing the diameter of transmitted Gaussian beam can also increasing the far-field on-axis intensity. Under optimal conditions, the losses caused by quarter wavelength spherical aberration, coma and astigmatism are 0.06 dB, 0.13 dB and 0.31 dB respectively. Finally, the aberration characteristics of a single lens are analyzed. The decrease of on-axis intensity caused by aberration can reach 10 dB or more for transmitting antenna with a lager diameter.     

基于空间光通信卡塞格伦天线弊端的探讨

对于任何通信系统而言，天线能否正确发射和接收有效信号是人们最为关心的问题。对于点对点的激光通信系统而言，由于激光与电波迥然不同的特点，在天线系统的设计上更需严格要求。在空间光通信系统中，光学天线是一个物镜系统，通过折射、反射和折射一反射光学系统实现，目前应用比较广泛的是牛顿系统、格林系统以及卡塞格伦系统。讨论了卡塞格伦天线系统．该系统的结构（双反射式）决定了存在遮挡比造成光能量浪费的潜在问题，也就是所谓的渐晕现象。另一个问题是像差，也就是卡塞格伦天线系统要获得良好的像质必须以牺牲视场为代价。基于这两点提出了减小渐晕的几种新方案，并从减小像差上进行了理论分析。     

湍流大气中激光束经卡塞格伦天线后的传输

将卡塞格伦天线系统等效为一个环形光阑和括束器的组合,通过将环形光阑展开为复高斯函数的叠加,并利用广义的惠更斯-菲涅尔积分公式得到了准直的光束经卡塞格伦天线系统后衍射场的强度解析表达式。研究了湍流大气中光束经卡塞格伦天线衍射的传输特性及光强分布随折射率结构常数和天线遮挡比的影响。该研究工作将对大气激光通信中的端机性能的评估具有一定的意义。     

一种自由空间光通信光路的设计与分析

提出了一种用于自由空间光通信的光学系统的设计方法,在这种设计方法中通过卡塞格伦天线实现对激光束的准直,通过偏振分光镜和γ/2波片的巧妙使用来减少杂散光和反射光对信号光的干扰,通过对光学系统的自动跟踪控制消除了通信终端的失准问题。分析和实验表明,基于该光学系统的通信终端激光发散角达到0.4 mrad,对准误差小于6μrad,可实现2 km的自由空间光通信。     

空间激光通信离轴两镜反射望远镜自由曲面光学天线设计

同轴两反结构作为空间激光通信光学天线时常存在接收视场小、发射效率低等缺点。同时,因中心遮拦造成的能量损失,也会大大降低通信系统的瞄准和捕获概率。针对此缺陷,提出采用离轴两反天线结构并引入自由曲面设计以提高通信系统的性能。由初级像差理论推导得出离轴两反系统的初始结构,并采用Zernike多项式自由曲面面形,增加系统设计自由度,提高系统平衡像差的能力。给出入瞳口径与焦距相同的同轴两反和离轴两反系统的设计实例,并比较二者的光学传递函数MTF、点列图、衍射包围圆能量、波前误差等。结果表明:离轴两反自由曲面天线的像质明显优于同轴两反天线,因而该种天线结构的使用可提升空间激光通信系统的整体性能。     

自由空间光通信系统中弱大气湍流引起的相位波动和强度闪烁对DPSK调制系统的影响

大气湍流是自由空间光通信链路系统的主要限制因素。大气湍流造成光束的强度闪烁和相位起伏。因此,基于MZI-DPSK调制,考虑大、小湍流尺度引起的强度闪烁和相位噪声对误码率的影响且强度闪烁满足逆高斯分布和相位波动满足高斯分布。利用分布式天线阵接收技术,研究了大气湍流下自由空间光通信链路的误码率性能,推导了在内外尺度下,分布式天线阵接收的误码率关于相位误差的函数表达式。为了提高误码率的性能,天线阵接收采用了最大比合并技术。仿真结果得出相位误差对误码率的影响很大;内外尺度对误码率的影响可以忽略不计。采用天线阵接收可以降低系统的误码率,提高通信系统的性能,且得出天线阵接收的最佳子天线个数。     

激光通信与成像卡塞格林形式收发光学天线结构初解

在激光通信和成像系统中，卡塞格林形式的光学天线不论作为激光信号收发装置还是光学成像装置，像差的存在必然会降低其信号强度和成像质量等性能。通过分析三级像差理论和光学天线微扰理论，依据天线增益因子与遮挡比之间的关系，提出一种方便快捷求解卡塞格林式光学天线结构的方法。此方法在考虑光学天线效率的同时，也可以满足光学系统设计的体积尺寸、像差的要求，在仅知道光学系统焦距、主次镜间距和遮挡比的情况下，可以快捷求出光学天线结构参数。不但给出了四类卡塞格林式光学天线的光学结构参数计算公式，并且结合实际使用对不同的适用场合进行说明及优缺点对比。通过四种典型光学天线的实例计算结果和最优结果比对，表明此方法是一种方便快捷精准求解卡塞格林式的光学天线结构的方法，在工程上具实际指导意义。     

波束波导馈电的新型偏置近场卡塞格伦天线

提出一种新型偏置近场卡塞格伦天线,天线的主副镜均由具有圆口径的抛物面镜构成,给出了主副镜的几何参数和设计方程。采用非传统且适应高功率应用的波束波导进行馈电,天线系统（含波束波导）采用了几何光学和去极化的设计方法。根据照射锥削角和高斯束腰设计了方向图圆周对称的波纹喇叭馈源。在此馈源喇叭的基础上,根据高斯波束法得到波束波导各镜面尺寸。采用物理绕射理论对一个设计实例的方向图进行分析,证明该天线系统具有极低的交叉极化电平和旁瓣电平。     

星地激光通信中多光束发射的最优发送

在多光束发射系统中,发送天线获得信道状态信息能够提高信道增益,有效克服大气湍流对星地激光通信的影响,提高系统的误码率性能。文章提出一种基于信道互易理论让发送天线获得信道状态信息的方法,然后根据信道状态信息,对发送光束进行最优选择,提高发射功率的利用率,改善信噪比,降低误码率。仿真结果表明,在发送端对发送天线进行最优选择,能够降低星地激光通信的误码率,提高通信系统的性能。