CN103399407B - 一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法 - Google Patents

Abstract

一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法，本发明涉及非成像光学领域。本发明是要降低卫星光通信终端接收系统的装调复杂度，简化终端光学系统结构。（1）确定入射光束的直径D₀；（2）确定通信光束的口径D；（3）建立通信光束的一一对应关系；（4）计算通信光束的光线偏角；（5）确定复合功能元件通信部分的径向相位分布表达式；（6）确定复合功能元件通信部分的径向轮廓；（7）建立跟踪光束的一一对应关系；（8）计算通信光束的光线偏角；（9）确定复合功能元件跟踪部分的径向相位分布表达式；（10）确定复合功能元件跟踪部分的径向轮廓。本发明应用于成像光学领域。

Description

一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法

技术领域

本发明涉及非成像光学领域，尤其涉及一种用于将圆形光束整形为点环形光束的方法。

背景技术

卫星光通信终端的接收系统主要包括跟踪探测系统和通信系统。典型的卫星光通信终端光学系统主要由光学天线（1）、分光镜（2）、通信聚焦透镜组（3）、通信探测器（4）、跟踪聚焦透镜组（5）及跟踪探测器（6）组成，如图2所示。当该终端接收光信号时，入射光束经过无焦光学天线（1）的缩束后，入射光被分至跟踪光路和通信光路。前一部分光被分光镜（2）反射后经过跟踪聚焦透镜组（5）聚焦在跟踪探测器（6）上，用于瞄准、捕获和跟踪。另一部分直接透过分光镜（2）经通信聚焦透镜组（3）聚焦在通信探测器（4）上，用于通信。由图2可知，接收系统中有两条光路（跟踪部分和通信部分），导致终端光学系统结构过于复杂，增加了系统的装调复杂度，并且终端体积过大，不利于终端往小型化方向发展。

发明内容

本发明是要降低卫星光通信终端接收系统的装调复杂度，简化终端光学系统结构，而提供了一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法。

用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法按以下步骤实现：

（1）确定入射光束的直径D₀，环形光束的内外环直径D₁、D₂与复合功能元件与四象限探测器的间距L：若光学天线口径为d，其放大倍率为T，则D₀=d/T；

（2）确定通信光束的口径D：若通信光功率占入射光功率的η，则

$D=\sqrt{\mathrm{\η}}{D}_0$

（3）建立通信光束的一一对应关系：复合功能元件面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到探测面中心处，其中0≤r₁≤D；

（4）计算通信光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\β}=\frac{r_1}{L}$

（5）确定复合功能元件通信部分的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_1\left(r_1\right)}{{\mathrm{dr}}_1}=-\sin \mathrm{\β}$

对上式积分，得到复合功能元件通信部分的径向相位分布，式中0≤r₁≤D；

（6）确定复合功能元件通信部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件通信部分的径向轮廓

${\mathrm{\φ}}_1\left(r_1\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{{\mathrm{nz}}_1\left(r_1\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且0≤r₁≤D；

（7）建立跟踪光束的一一对应关系；

（8）计算通信光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\α}=\frac{r_3-r_2}{L}$

（9）确定复合功能元件跟踪部分的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_2\left(r_2\right)}{{\mathrm{dr}}_2}=\sin \mathrm{\α}$

对上式积分，得到复合功能元件跟踪部分的径向相位分布，式中D≤r₂≤D₀；

（10）确定复合功能元件跟踪部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件跟踪部分的径向轮廓

${\mathrm{\φ}}_2\left(r_2\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{{\mathrm{nz}}_2\left(r_2\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且D≤r₂≤D₀，

即完成了利用光线追迹法实现了复合功能元件的设计，实现了圆形光束整形为点环形光束。

发明效果：

本发明利用光线追迹法实现了复合功能元件的设计，复合功能元件能够实现将圆形光束整形为点环形光束，将跟踪探测器和信号探测器整合在同一光轴上，以此达到减小终端体积，提高跟踪稳定度等目的，这对卫星光通信终端小型化具有重要意义。

为降低光学子系统的装调复杂度，简化终端光学系统结构，可添加复合功能元件对系统进行优化。复合接收系统的光学系统主要由光学天线（1）、通信聚焦透镜组（3）、通信探测器（4）、复合功能元件（7）及四象限跟踪探测器（8）组成，如图3所示。当该终端接收光信号时，入射光束经过无焦光学天线（1）的缩束后，被复合功能元件（7）分为两部分（跟踪部分和通信部分）。前一部分光被复合功能元件整形后在四象限跟踪探测器（8）上呈环形分布，用于瞄准、捕获和跟踪。另一部分被复合功能元件（7）聚焦在四象限跟踪探测器（8）的中心开孔处，其不受探测器的遮挡，最后经通信聚焦透镜组（3）聚焦在通信探测器（4）上，用于通信。四象限探测器的中心区域为通孔，可允许聚焦光束自由通过，图4显示了点环状光斑在四象限探测器上的分布。

复合功能元件实现将圆形光束整形为点环形光束，将跟踪探测器和信号探测器整合在同一光轴上，以此达到减小终端体积，提高跟踪稳定度等目的，这对卫星光通信终端小型化具有重要意义。

附图说明

图1是本发明流程图；

图2是背景技术中典型的光学系统结构图；

图3是背景技术中复合接收系统的光学系统结构图；

图4是背景技术中复合接收系统左视图；其中，a为环，b为点，c为四项限探测器；

图5是具体实施方式一中高斯光束整形为点环形光束的结构图；

图6是具体实施方式四中高斯光束整形为点环形光束的原理图；

图7是具体实施方式一中的光程函数与光线偏角间的关系图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1～图7说明本实施方式，本实施方式的一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法按以下步骤实现：

用于将圆形光束整形为环形光束的设计方法具体步骤如下：

（1）如图5，确定入射光束的直径D₀，环形光束的内外环直径D₁、D₂，以及复合功能元件与四象限探测器的间距L：若光学天线口径分别为d，其放大倍率为T，则D₀=d/T；

（2）如图5，确定通信光束的口径D：若通信光功率占入射光功率的η，则

$D=\sqrt{\mathrm{\η}}{D}_0$

（3）建立通信光束的一一对应关系：如图6，复合功能元件面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到探测面中心处，其中0≤r₁≤D；

（4）计算通信光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\β}=\frac{r_1}{L}$

（5）确定复合功能元件通信部分的径向相位分布表达式：如图7，由光程函数与光线偏角间的关系并结合图6，可以得到

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_1\left(r_1\right)}{{\mathrm{dr}}_1}=-\sin \mathrm{\β}$

对上式积分，得到复合功能元件通信部分的径向相位分布，式中0≤r₁≤D；

（6）确定复合功能元件通信部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件通信部分的径向轮廓

${\mathrm{\φ}}_1\left(r_1\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{{\mathrm{nz}}_1\left(r_1\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且0≤r₁≤D；

（7）建立跟踪光束的一一对应关系；

（8）计算通信光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\α}=\frac{r_3-r_2}{L}$

（9）确定复合功能元件跟踪部分的径向相位分布表达式：如图7，由光程函数与光线偏角间的关系并结合图6，可以得到

$\frac{{\mathrm{d\φ}}_2\left(r_2\right)}{{\mathrm{dr}}_2}=\sin \mathrm{\α}$

对上式积分，得到复合功能元件跟踪部分的径向相位分布，式中D≤r₂≤D₀；

（10）确定复合功能元件跟踪部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件跟踪部分的径向轮廓

${\mathrm{\φ}}_2\left(r_2\right)=2\mathrm{\π}\·\frac{{\mathrm{nz}}_2\left(r_2\right)}{\mathrm{\λ}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且D≤r₂≤D₀。

本实施方式效果：

通过本实施方式中所描述的设计方法设计出的元件的表面为连续表面，有助于加工，增加了实用性。

本发明利用光线追迹法实现了复合功能元件的设计，复合功能元件能够实现将圆形光束整形为点环形光束，将跟踪探测器和信号探测器整合在同一光轴上，以此达到减小终端体积，提高跟踪稳定度等目的，这对卫星光通信终端小型化具有重要意义。

为降低光学子系统的装调复杂度，简化终端光学系统结构，可添加复合功能元件对系统进行优化。复合接收系统的光学系统主要由光学天线（1）、通信聚焦透镜组（3）、通信探测器（4）、复合功能元件（7）及四象限跟踪探测器（8）组成，如图3所示。当该终端接收光信号时，入射光束经过无焦光学天线（1）的缩束后，被复合功能元件（7）分为两部分（跟踪部分和通信部分）。前一部分光被复合功能元件整形后在四象限跟踪探测器（8）上呈环形分布，用于瞄准、捕获和跟踪。另一部分被复合功能元件（7）聚焦在四象限跟踪探测器（8）的中心开孔处，其不受探测器的遮挡，最后经通信聚焦透镜组（3）聚焦在通信探测器（4）上，用于通信。四象限探测器的中心区域为通孔，可允许聚焦光束自由通过，图4显示了点环状光斑在四象限探测器上的分布。

复合功能元件实现将圆形光束整形为点环形光束，将跟踪探测器和信号探测器整合在同一光轴上，以此达到减小终端体积，提高跟踪稳定度等目的，这对卫星光通信终端小型化具有重要意义。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤（1）中所述D₁和D₂主要与四象限探测器的尺寸有关，应保证它们均在探测器的探测范围内；取L≥2D₀。其它步骤及参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤（2）中0<η<1，它由入射光功率以及误码率等参数确定。其它步骤及参数与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：步骤（7）中建立跟踪光束的一一对应关系具体为：复合功能元件面上从距离光束中心r₂处发出的光线入射到探测面中心r₃处，其中D≤r₂≤D₀，D₁≤r₃≤D₂，且满足关系

其它步骤及参数与具体实施方式一至三之一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤（10）中复合功能元件包括通信跟踪两部分。其它步骤及参数与具体实施方式一至四之一相同。

Claims (4)

1.一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法，其特征在于用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法按以下步骤实现：

(1)确定入射光束的直径D₀，环形光束的内外环直径D₁、D₂与复合功能元件与四象限探测器的间距L：若光学天线口径为d，其放大倍率为T，则D₀＝d/T；

(2)确定通信光束的口径D：若通信光功率占入射光功率的η，则

$D=\sqrt{\mathrm{\&eta;}}{D}_0;$

(3)建立通信光束的一一对应关系：复合功能元件面上从距离光束中心r₁处发出的光线入射到探测面中心处，其中0≤r₁≤D；

(4)计算通信光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\&beta;}=\frac{r_1}{L};$

(5)确定复合功能元件通信部分的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{d{\mathrm{\&phi;}}_1\left(r_1\right)}{d{r}_1}=-\sin \mathrm{\&beta;}$

对上式积分，得到复合功能元件通信部分的径向相位分布，式中0≤r₁≤D；

(6)确定复合功能元件通信部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件通信部分的径向轮廓

${\mathrm{\&phi;}}_1\left(r_1\right)=2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{nz}}_1\left(r_1\right)}{\mathrm{\&lambda;}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且0≤r₁≤D；

(7)建立跟踪光束的一一对应关系：

复合功能元件面上从距离光束中心r₂处发出的光线入射到探测面中心r₃处，其中D≤r₂≤D₀，D₁≤r₃≤D₂，且满足关系

$r_3=D_1+\frac{D_2-D_1}{D_0-D}\&CenterDot;(r_2-D);$

(8)计算跟踪光束的光线偏角：由几何关系，可以确定

$\sin \mathrm{\&alpha;}=\frac{r_3-r_2}{L};$

(9)确定复合功能元件跟踪部分的径向相位分布表达式：由光程函数与光线偏角间的关系可以得到

$\frac{d{\mathrm{\&phi;}}_2\left(r_2\right)}{d{r}_2}=-\sin \mathrm{\&alpha;}$

对上式积分，得到复合功能元件跟踪部分的径向相位分布，式中D≤r₂≤D₀；

(10)确定复合功能元件跟踪部分的径向轮廓：由相位与元件厚度的关系可以得到复合功能元件跟踪部分的径向轮廓

${\mathrm{\&phi;}}_2\left(r_2\right)=2\mathrm{\&pi;}\&CenterDot;\frac{{\mathrm{nz}}_2\left(r_2\right)}{\mathrm{\&lambda;}}$

式中，n为复合功能元件的折射率，λ为光束波长，且D≤r₂≤D₀，

即完成了利用光线追迹法实现了复合功能元件的设计，实现了圆形光束整形为点环形光束。

2.根据权利要求1所述的一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法，其特征在于步骤(1)中所述D₁和D₂与四象限探测器的尺寸有关，应保证它们均在探测器的探测范围内；取L≥2D₀。

3.根据权利要求1所述的一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法，其特征在于步骤(2)中0<η<1，它由入射光功率以及误码率参数确定。

4.根据权利要求1所述的一种用于实现圆形光束整形为点环形光束的方法，其特征在于步骤(10)中复合功能元件包括通信和跟踪两部分。