鏡體熱變形對卡塞格倫光學天線的影響研究

摘 要：基于空間光通信中的卡塞格倫光學天線的重要性，文中利用ANSYS仿真軟件對卡塞格倫光學天線鏡體進行了熱變形仿真，并利用光學仿真軟件CODE-V分析了熱變形對傳輸光束傳輸質量的影響。

關鍵詞：卡塞格倫光學天線 光束 熱變形

中圖分類號：TN820文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（c）-0028-02

空間光通信的快速發展，帶動了光學天線系統設計技術的進步。光學天線系統作為空間光通信設備，具有自身的優勢：體積小，重量輕、功耗低、頻帶寬、通信容量大，等等。卡塞格倫光學天線作為光學發射和接收天線，其突出的優點有[1]：（1）口徑可以做得較大，不產生色差且可用波段范圍較寬；（2）采用非球面鏡后，有較大的消像差能力；（3）可以做到收發合一。但環境的變化對天線系統的性能會產生較大的影響。本文對一種典型的卡塞格倫光學天線的鏡體進行了熱變形仿真，并利用了光學仿真軟件CODE-V分析了熱變形對傳輸光束傳輸質量的影響。

1 天線鏡體的熱變形對光束傳輸的影響

1.1 鏡體的熱變形分析

我們知道，當鏡子的表面和內部存在溫差時，由于玻璃的導熱率低，內外部溫差產生的應力能使鏡體變形并改變其表面的曲率半徑，尤其是靠近外部的區域，會出現所謂的“塌邊”或“翹邊”的現象，這一溫度效應稱為“邊緣效應”[2]。根據熱彈性力學理論，鏡體由于溫度的改變而產生的形變，主要由三部分組成：鏡體材料溫度升高而產生的自由熱膨脹、邊界固定后不能自由膨脹而引起的和材料的泊松比有關的形變、熱應力而產生的形變[3]。

為了形象地描述鏡體的熱形變，該文利用ANSYS軟件仿真圖[4]，以常溫（20 oC）為起始溫度、壓圈法固定鏡體為例，分析了鏡體隨溫度的升高而發生的形變。圖1、圖2、圖3分別表示溫度為100 oC時鏡體在X、Y、Z方向的位移。從圖中可以看出，升溫時，天線系統的反射鏡面向外鼓起。鏡體在軸向方向（Z方向）的變化，對光束的傳輸影響最大，當溫度變化為100 oC時，軸向方向（Z方向）的變形量為0.6 μm。而當溫度降低時，天線系統的反射鏡面向內凹陷。由此表明，溫度的變化對鏡體的形變影響還是比較大的。

1.2 鏡體的熱變形對傳輸光束的影響

圖4，圖5分別描述了鏡體變形前后天線的點擴散函數圖。圖6、圖7分別描述了鏡體變形前后天線系統的MTF圖。圖4、圖5表明鏡體變形前，光束通過設計的卡塞格倫光學天線，光束能量集中，發射光束發散角小，光線分布均勻，實現了卡塞格倫光學天線收發合一的功能。圖6、圖7表明，鏡體變形后，光束在卡塞格倫光學天線中傳輸時，天線系統的傳輸特性變差。相應地，卡塞格倫光學天線的效率發生了明顯的變化，光束的傳輸達不到鏡體溫度變化前的理想值。這種反射鏡面的熱變形對傳輸光束會產生偏轉、傳輸光束中心移位及光束發散等影響[5]。在空間光通信中，傳輸光束的偏轉、中心移位及光束發散會造成目標圖像畸變、存在嚴重的像差以及圖像不清晰等等。本文設計的卡塞格倫光學天線采用了大量的反射鏡面，所以鏡面的熱變形對光束的傳輸影響很大。由此可見，在實際應用時，要在鏡面材料選擇、鏡體應力釋放方式、鏡體大小選擇等方面進行合理設計，盡量減小由于溫度變化對鏡體產生的應力，以避免出現像差增大和天線鏡面破裂等現象。

2 結語

該論文研究了卡塞格倫光學天線鏡體的熱變形對傳輸光束傳輸質量的影響。光學天線的設計是空間光通信的重要發展部分，光學天線傳輸的質量高低直接影響到信號傳輸的準確性，所以在系統設計過程中，應該考慮環境變化對系統的影響。

參考文獻

[1]Cho Y M，Kong H J and Lee S S.OPTICAL ENGINEERING[M]. Bellingham，1994：33-100.

[2]馮樹龍，張新，翁志成，等.溫度對大口徑主鏡面形變形的影響分析[J].光學技術，2005，31（1）：41.

[3]彭玉峰，程祖海.熱變形諧振腔的激光模式理論分析[J].強激光與粒子束，2000（B11）.

[4]張百雷.星載激光通信光學天線設計及鏡面熱變形有限元分析[D].電子科技大學碩士學位論文，2006：47-48.

[5]張華，李曉峰，楊文淑.星載激光通信光學反射鏡鏡面熱變形及其對光學系統影響的研究[J].紅外，2005，2（4）：34.