畢業(yè)設(shè)計(jì)--馬卡天線離軸發(fā)射仿真與實(shí)現(xiàn)

1、<p><b>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）</b></p><p>　　題 目馬卡天線離軸發(fā)射仿真與實(shí)現(xiàn) </p><p>　　專 業(yè) 通信工程 </p><p>　　班 級(jí) </p><p>　　學(xué) 生

2、 </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　2013 年 </p><p>　　馬卡天線離軸發(fā)射仿真與實(shí)現(xiàn) </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在空間激光通信系統(tǒng)中，光學(xué)天線是一個(gè)物鏡系統(tǒng)，通過折射、反射和折射

3、-反射光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，目前應(yīng)用比較廣泛的是牛頓系統(tǒng)、卡塞格林系統(tǒng)。卡塞格林天線系統(tǒng)因副鏡遮擋造成光能量浪費(fèi)，本論文就是針對(duì)此問題進(jìn)行了研究，研究的內(nèi)容如下：</p><p>　?。?）簡(jiǎn)單介紹了無線激光通信系統(tǒng)，對(duì)光學(xué)天線的應(yīng)用和發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，并討論了卡塞格林天線系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。</p><p>　?。?）分析卡塞格林天線的鏡面參數(shù)，說明馬卡望遠(yuǎn)鏡的基本設(shè)計(jì)原理。闡述各種常見的望遠(yuǎn)鏡

4、系統(tǒng)的發(fā)展史、結(jié)構(gòu)、功能等。</p><p>　?。?）介紹ZEMAX軟件的基本參數(shù)應(yīng)用和參數(shù)設(shè)置，利用ZEMAX軟件在序列模式下仿真出卡塞格林系統(tǒng)，分析說明馬卡望遠(yuǎn)鏡的各參數(shù)的具體意義。</p><p>　?。?）對(duì)馬卡天線系統(tǒng)離軸發(fā)射建模，分析激光器位置參數(shù)的變化對(duì)光斑的影響，找出激光器最佳安放位置，得出激光器發(fā)射功率。將發(fā)射功率與功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合，判斷出軸偏離程度，再調(diào)整系統(tǒng)，進(jìn)一

5、步提高光功率。</p><p>　　關(guān)鍵詞：激光通信，卡塞格林，天線，離軸，望遠(yuǎn)鏡</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Newton system and Cassegrain system are accepted commonly in optical antenna systems as field

6、lens which include refraction system,inflection system and refraction-and-inflection system.However,the potential problem of sheltering ratio in Cassegrain system leads to a loss of effective power of the optical system

7、,This paper is to solve this problem , the contents of the research are as follows:</p><p>　　(1) Briefly Introduced the wireless laser communication system, application and development of optical antenna is

8、 introduced briefly, and discussed the advantages and disadvantages of the Cassegrain antenna system.</p><p>　　(2) Analyze the mirror parameter of Cassegrain antenna, illustrated the basic principle of desig

9、n of Cassegrain telescope, the development history 、variety、structure of common telescope system .</p><p>　　(3) Introduce the basic parameters and parameter setting of ZEMAX software, simulated the Cassegrai

10、n system in the sequence mode with ZEMAX software, explain each parameter of the Cassegrain telescope.</p><p>　　(4) The off-axis emission of Marca antenna system is modeled. Analyze the effect of laser par

11、ameters on the change of position of the laser spot, find the best position, get the laser transmitting power. The transmit power and power test experiment combined, the axis deviation degree, and then adjust the system,

12、 further improve the optical power.</p><p>　　Keywords: Laser communication，Cassegrain，antenna，off-axis，telescope </p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　目 錄1

13、</b></p><p><b>　　第1章 緒論2</b></p><p>　　1.1 無線激光通信2</p><p>　　1.2 光學(xué)系統(tǒng)概述4</p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外光學(xué)天線的發(fā)展動(dòng)態(tài)5</p><p>　　1.4 卡塞格林天線優(yōu)缺點(diǎn)7</p>

14、<p>　　1.5 論文的目的及研究方法9</p><p>　　第2章 望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)及發(fā)展歷程9</p><p>　　2.1 望遠(yuǎn)鏡概述 9</p><p>　　2.2 望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史11</p><p>　　2.2 .1折射式望遠(yuǎn)鏡11</p><p>　　2.2 .2反射式望遠(yuǎn)鏡

15、13</p><p>　　2.2 .3 折反式望遠(yuǎn)鏡15</p><p>　　第3章 馬卡天線的基本設(shè)計(jì)理論15</p><p>　　3.1 基本光學(xué)理論15</p><p>　　3.2 卡塞格林天線鏡面參數(shù)16</p><p>　　3.3 馬卡望遠(yuǎn)鏡21</p><p>　　第4章

16、馬卡天線模擬仿真24</p><p>　　4.1 ZEMAX概述24</p><p>　　4.2 ZEMAX基本應(yīng)用25</p><p>　　4.2.1 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器25</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)菜單參數(shù)設(shè)置27</p><p>　　4.3 馬卡天線仿真29</p><p&

17、gt;　　4.3.1 光學(xué)天線設(shè)計(jì)流程及要求29</p><p>　　4.3.2 序列模式下仿真30</p><p>　　4.3.3 序列模式與非序列模式轉(zhuǎn)換32</p><p>　　4.3.4 非序列模式下仿真33</p><p>　　4.3.5 馬卡望遠(yuǎn)鏡實(shí)物驗(yàn)證41</p><p><b

18、>　　第5章 總結(jié)43</b></p><p><b>　　致 謝44</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)45</b></p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1 無線激光通信</p><

19、p>　　隨著信息時(shí)代的發(fā)展，人們對(duì)通信的要求也越來越高，因此，有著諸多優(yōu)點(diǎn)的激光通信就成為了科學(xué)家們研究的重點(diǎn)。無線激光通信又稱自由空間光通信或大氣激光通信,讓載波激光在大氣中傳輸有效信息的一種新型的通信技術(shù)。無線激光通信和無線電通信一樣，都是將信息加載到電磁波上傳送，只是激光是光頻的電磁波，具有了一些與無線電通信完全不同的特性。無線激光通信的基本構(gòu)成如圖1-1所示[1-4]。</p><p>　　圖1-1

20、 無線激光通信基本構(gòu)成 </p><p>　　相對(duì)于傳統(tǒng)的通信方式相比，無線激光通信的主要優(yōu)點(diǎn)[5-8]是：</p><p>　　(1)具有微米級(jí)的波束發(fā)散角。激光通信一般在微米量級(jí)或更小波段工作，而微波通信在數(shù)百米到亞厘米波段之間工作。又由于發(fā)散角與波長(zhǎng)成正比，所以，與微波通信相比，激光通信的光束發(fā)散角至少小3～4個(gè)數(shù)量級(jí)，大約在10微弧度左右。</p><p>

21、　　(2)高數(shù)據(jù)傳輸率。對(duì)激光脈沖進(jìn)行調(diào)制解調(diào)后，激光通信提供的數(shù)據(jù)傳輸率最高可達(dá)到10Gbps(每秒千兆位)量級(jí)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于目前微波通信的數(shù)據(jù)傳輸率。</p><p>　　(3)體積小、重量輕、功耗低。由衍射定律可知，波束可以達(dá)到的最小發(fā)散。其中是載波波長(zhǎng)，D是發(fā)射天線直徑，由公式可得通信中采用的波長(zhǎng)越短，所需的天線體積就越小。由于激光通信的波長(zhǎng)遠(yuǎn)小于微波通信的波長(zhǎng)，因此，在提供同樣功能的情況下，激光通信的天線尺

22、寸遠(yuǎn)小于微波通信的天線尺寸，激光通信系統(tǒng)的重量和體積相對(duì)就顯得非常輕小。所以，將會(huì)有越來越多的航天衛(wèi)星采用激光通信。</p><p>　　(4)架設(shè)靈活方便，無需鋪設(shè)電纜或光纜，安裝迅速、使用方便，成本低廉。在建立通信信道時(shí)，無需鋪設(shè)電纜或光纜，只需將光發(fā)射和接收天線對(duì)準(zhǔn)即可。在地勢(shì)奇特的地方（山腳和山頂之間要實(shí)現(xiàn)高速率通信）、建筑群之間，或不能立即在地下挖設(shè)管道鋪設(shè)光纖的地方，如街道、江河，無線光通信的優(yōu)勢(shì)無疑

23、是巨大的。由于采用這種通信方式可大大縮短施工周期，所以，對(duì)于通信運(yùn)營(yíng)商而言，這無疑是一種迅速搶占市場(chǎng)的最佳選擇。</p><p>　　(5)保密性強(qiáng)?？臻g光通信系統(tǒng)的激光束具有很好的方向性，使得信息載體的光束很窄，因此很難被發(fā)現(xiàn)和截取。即使被截取，用戶也會(huì)發(fā)現(xiàn)，因?yàn)殒溌繁恢袛嗔耍虼吮葻o線系統(tǒng)安全得多。尤其適用于軍事、金融、法律等保密要求高的部門。</p><p>　　(6)無需申請(qǐng)頻率。

24、由于光通信在無須管制的光波段工作，不占用擁擠的無線電頻率資源，設(shè)備間沒有信號(hào)的相互干擾，也不會(huì)與其他傳輸發(fā)生干擾，不會(huì)引起頻率許可問題，因此無需申請(qǐng)頻率許可證。線光通信具有非常強(qiáng)的抗電磁干擾性能，一般的無線電波對(duì)其不會(huì)形成干擾。</p><p>　　(7)經(jīng)濟(jì)性適用性強(qiáng)。與其他(光纜、電纜、短波、中波、衛(wèi)星站等)通信手段相比，采用光通信的通信手段，不會(huì)帶來任何設(shè)計(jì)、勘察、工程和線路費(fèi)等附加費(fèi)用，因此，起始投資和運(yùn)

25、營(yíng)費(fèi)用較低，易于被市場(chǎng)、通信運(yùn)營(yíng)商以及用戶接受。</p><p>　　表1-1 無線激光通信系統(tǒng)與微波系統(tǒng)的比較</p><p>　　當(dāng)然無線激光通信也有其不足的地方：由于無線激光通信以大氣為傳輸媒質(zhì)，其系統(tǒng)性能受限于大氣傳輸信道，而大氣傳輸信道受雨、雪、霧、云和湍流等的影響，使光衰減和光色散都很不穩(wěn)定，難于實(shí)現(xiàn)全天候通信。</p><p>　　1.2 光學(xué)系統(tǒng)概

26、述</p><p>　　光學(xué)天線是無線激光通信系統(tǒng)中的重要組成部分。從發(fā)射和接收兩個(gè)方面來考量，光學(xué)系統(tǒng)在無線激光通信中主要有以下功能[9]：</p><p>　?。?）在發(fā)射端，光學(xué)系統(tǒng)對(duì)信號(hào)光進(jìn)行準(zhǔn)直，改變光束波前的分布，壓縮發(fā)散角，對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，使得光信號(hào)經(jīng)過較遠(yuǎn)距離傳輸后具有較小的彌散斑。</p><p>　?。?）在接收端，光學(xué)系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)盡可能多

27、的收集信號(hào)光，將該光信號(hào)傳輸至光電轉(zhuǎn)化器件的中心，濾掉“噪音”，保留目標(biāo)信號(hào)光，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)化。</p><p>　　無線激光通信系統(tǒng)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)的要求[10]如下：</p><p>　　光學(xué)天線應(yīng)具有較大的入瞳直徑，最大限度的收集光信號(hào)。</p><p>　　光學(xué)天線應(yīng)設(shè)計(jì)消雜光光闌，消除雜散光對(duì)信號(hào)探測(cè)的影響。</p><p>　

28、?。?） 光學(xué)天線的分辨率與探測(cè)器的分辨率相匹配。</p><p>　　很顯然，只要光天線從自由空間接收到的光能輻射足夠的多，光耦合系統(tǒng)插入損耗少，濾波效果又比較理想，則探測(cè)器就能接收到所需的信息?？梢姽馓炀€是整個(gè)接收系統(tǒng)的“龍頭”與關(guān)鍵部件。光學(xué)天線系統(tǒng)性能優(yōu)劣直接影響到通信的距離和可靠性，因此對(duì)光學(xué)天線的研究非常重要。</p><p>　　無線激光通信系統(tǒng)中的光學(xué)天線，一般為望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)

29、。望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)是由物鏡和目鏡組成的，其中物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，即光學(xué)間隔，因此平行光入射望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)后，仍以平行光出射。</p><p>　　望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)由物鏡和目鏡組成。目前常見的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的構(gòu)成、優(yōu)缺點(diǎn)及應(yīng)用如表1-2所示。</p><p>　　表1-2 常用望遠(yuǎn)系統(tǒng)概述 </p><p>　　1.3 國(guó)內(nèi)外光學(xué)天線的發(fā)展動(dòng)態(tài)</p>

30、<p>　　近年來，空間激光通信的研究已成為熱點(diǎn)，光學(xué)系統(tǒng)是空間光通信系統(tǒng)中的重要組成部分，而光學(xué)天線又是光學(xué)系統(tǒng)的核心。國(guó)內(nèi)外很早就對(duì)光學(xué)天線展開了研究，近年來光學(xué)天線在衛(wèi)星通信中的應(yīng)用更是取得了令人矚目的進(jìn)展，從開始的理論研究和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)研究，到正在向工程化進(jìn)展。在這方面，美國(guó)、日本、歐洲走在了前面。它們之間既有合作也有競(jìng)爭(zhēng)，共同促進(jìn)了世界光通信的發(fā)展。</p><p><b>　　(1)

31、國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　1974年，美國(guó)國(guó)家航天局（NASA）飛行研究中心就對(duì)發(fā)射和接收光學(xué)天線的增益進(jìn)行了研究[11]。</p><p>　　2004年，日本東京大學(xué)電子工程系進(jìn)行了非球面光學(xué)天線研究；也在2004年，美國(guó)萊斯（Rice）大學(xué)電子與計(jì)算機(jī)工程系進(jìn)行了近場(chǎng)光學(xué)天線的傳輸研究[12]。</p><p>　　2006年日本東

32、京國(guó)家通信技術(shù)研究所進(jìn)行了高速光通信光學(xué)天線研究[13]。</p><p>　　2007年英國(guó)卡迪夫（Cardiff）大學(xué)對(duì)可見光范圍內(nèi)的光學(xué)天線陣列進(jìn)行了研究[14]。</p><p>　　2008年法國(guó)開展了新一代光子雷達(dá)天線研究，法國(guó)國(guó)防部對(duì)新一代天線即光予帶隙(PBG：photonic band gap)拋物狀的天線結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出極大的興趣，以PBG為基礎(chǔ)的第一批天線計(jì)劃于2007年一

33、2010年之內(nèi)研制出來[15]。</p><p><b>　　(2)國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀</b></p><p>　　與國(guó)外研究相比，國(guó)內(nèi)也取得了很多研究成果。</p><p>　　1998年，電子科技大學(xué)應(yīng)用物理所對(duì)自由空間光通信ATP地面模擬系統(tǒng)進(jìn)行了研制，對(duì)衛(wèi)星光通信關(guān)鍵技術(shù)與光學(xué)天線進(jìn)行了研究；浙江大學(xué)信息與電子工程系，對(duì)星間光通信系統(tǒng)的光發(fā)送

34、機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，計(jì)算給出了在OOK調(diào)制方式下光發(fā)送機(jī)天線口半徑的最優(yōu)范圍[16]。</p><p>　　2003年，西安電子科技大學(xué)電磁散射與天線研究所，利用物理光學(xué)方法設(shè)計(jì)多波束拋物面天線；南京郵電學(xué)院光纖通信研究所，對(duì)“自由空間光通信系統(tǒng)中的光學(xué)天線系統(tǒng)”進(jìn)行了報(bào)道。指出：光學(xué)天線系統(tǒng)是空間光通信系統(tǒng)的重要組成部分，并介紹了自由空間光通信系統(tǒng)的用途，對(duì)透射、反射式光學(xué)天線進(jìn)行了比較；武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，對(duì)一種

35、光通信光路進(jìn)行了設(shè)計(jì)；中電集團(tuán)54所，用幾何光學(xué)法計(jì)算特殊形狀的雙鏡天線，對(duì)多波束拋物環(huán)面天線也進(jìn)行了研究；解放軍理工大學(xué)光纖通信實(shí)驗(yàn)室，對(duì)光學(xué)天線中的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了研究[16]。</p><p>　　2005年，南京大學(xué)光通信工程研究中心對(duì)國(guó)內(nèi)外近年已研制出的多種捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)系統(tǒng)(ArP)的基本結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析研究，并圍繞基于焦面陣列FPA(CcD)探測(cè)器的ATP光路圖、ATP發(fā)射和捕獲協(xié)議，提出了一系列技術(shù)

36、實(shí)現(xiàn)方法，為進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)及產(chǎn)品研究提供了基礎(chǔ)；武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，激光通信實(shí)驗(yàn)室，對(duì)空間光通信卡塞格倫天線弊端進(jìn)行了探討[16]。</p><p>　　2006年，華中科大電子信息工程系進(jìn)行了地面激光通信光學(xué)天線設(shè)計(jì)；電子測(cè)試技術(shù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了脈沖激光測(cè)試光學(xué)天線研究；解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院光纖實(shí)驗(yàn)室，進(jìn)行了多波長(zhǎng)星間光通信中光學(xué)天線的效率分析[17]。</p><p>　　2008年

37、，解放軍理工大學(xué)通信工程學(xué)院電信工程系提出了一種相控陣光學(xué)天線設(shè)計(jì)方法，即通過增大陣列柵距大幅減少陣元數(shù)量，并通過設(shè)計(jì)陣元輻射特性抑制大柵距產(chǎn)生的柵瓣[17]。 </p><p>　　2009年，武漢大學(xué)電子信息學(xué)院對(duì)空間光通信精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了研究，提出了一套簡(jiǎn)單易行的空間光通信精跟蹤演示系統(tǒng)方案，對(duì)信標(biāo)光定位和精跟蹤算法進(jìn)行了研究[18]。 </p><p>　　1.4 卡塞格林天線優(yōu)

38、缺點(diǎn)</p><p>　　本課題中所涉及的卡塞格林天線（馬卡天線）是現(xiàn)有無線激光通信中廣泛應(yīng)用的天線，主要優(yōu)點(diǎn)[19-20]在于：</p><p>　　因?yàn)橛懈泵婧椭髅鎯蓚€(gè)反射鏡的先后反射，便于設(shè)計(jì)得使主面口徑場(chǎng)分布最佳化，以提高口徑利用系數(shù)，改善天線增益，銳波束；</p><p>　　由于激光器是放置在靠近主面鏡頂點(diǎn)處，可方便地從主面鏡后面伸出，大大縮短了饋線長(zhǎng)度

39、，不僅使得結(jié)構(gòu)緊湊，而且使高頻部分可以直接放在主面鏡后面成為可能，這在低噪聲系統(tǒng)中具有重要意義；</p><p>　　由于雙鏡面天線用短焦距拋物面實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)焦距拋物面的性能，所以卡賽格林天線能以縮短了的天線縱向尺寸，很好的解決了存在于單鏡面天線中的焦距大時(shí)性能好但結(jié)構(gòu)復(fù)雜的矛盾；</p><p>　　由于雙曲面反射是擴(kuò)散型的，所以，雙鏡面系統(tǒng)中，返回饋源的能量較單鏡面天線要小,從而減弱了對(duì)饋

40、源匹配的影響 。</p><p>　　盡管卡塞格林天線有點(diǎn)很多，但是也有不足之處，它的主要缺點(diǎn)是：</p><p>　?。?）小尺寸天線的副反射面的邊緣繞射效應(yīng)較大,容易引起主面口徑場(chǎng)的振幅起伏與相位畸變；</p><p>　　（2）副面鏡的遮當(dāng), 會(huì)使天線增益有所下降、旁瓣電平有所上升，從而使方向圖變形。</p><p>　　通過以上卡式天

41、線優(yōu)缺點(diǎn)的比較，我們知道，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)（雙反射式）決定了存在遮擋比造成光能量浪費(fèi)的潛在問題。也就是所謂的漸暈現(xiàn)象。另一個(gè)問題是像差，也就是卡塞格林天線系統(tǒng)要獲得良好的像質(zhì)必須以犧牲視場(chǎng)為代價(jià)。而且，一般入射到次鏡上的光斑為圓形(基模高斯光束)其強(qiáng)度成高斯分布，而實(shí)際上由于遮擋比的存在，使得激光束的中心部分能量無法利用。</p><p>　　圖1-2 卡塞格林天線</p><p>　　由

42、圖1-2可知，對(duì)于輸入口徑為的高斯光束，其中心口徑為的部分無法</p><p>　　得到利用。兩者的關(guān)系為：</p><p>　　（1-1） </p><p>　　式中為次鏡的口徑，為主鏡的口徑；為次鏡的焦距，為主鏡的焦距；a為遮擋比，即實(shí)際利用的光斑面積大小為整個(gè)光斑的，而無法利用的部分正好是高新光束中能量最集中的部分。</p>

43、<p>　　1.5 論文的目的及研究方法</p><p>　　通過本課題的設(shè)計(jì)，分析了無線激光通信中光學(xué)天線的作用及分類，分析卡塞格林系統(tǒng)中各參數(shù)涵義及其對(duì)馬卡天線性能的影響，能利用ZEMAX軟件對(duì)馬卡天線離軸發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，能夠運(yùn)用所學(xué)知識(shí)在相關(guān)領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行研究。</p><p><b>　　本文內(nèi)容如下：</b></p><p&

44、gt;　　第一章：對(duì)無線激光通信的概念及優(yōu)勢(shì)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，對(duì)光學(xué)天線的應(yīng)用和發(fā)展動(dòng)態(tài)進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，對(duì)各種常見的望遠(yuǎn)鏡就結(jié)構(gòu)、功能等方面進(jìn)行了對(duì)比分析。</p><p>　　第二章：對(duì)各種望遠(yuǎn)鏡類型、特點(diǎn)及發(fā)展歷程做了簡(jiǎn)要說明。</p><p>　　第三章：對(duì)卡塞格倫天線的主鏡、次鏡各自的參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行了分析，分析說明馬卡望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)原理。介紹了ZEMAX軟件的基本參數(shù)應(yīng)用和設(shè)置，利用

45、ZEMAX軟件在序列模式下仿真出卡塞格林系統(tǒng)，在非序列模式下模擬仿真出馬卡望遠(yuǎn)鏡。</p><p>　　第四章：對(duì)馬卡望遠(yuǎn)鏡的各參數(shù)進(jìn)行了分析，分析激光器位置參數(shù)的變化對(duì)光斑的影響。通過對(duì)馬卡天線系統(tǒng)偏軸的建模，得出了激光器發(fā)射功率。將發(fā)射功率與功率測(cè)試實(shí)驗(yàn)相結(jié)合就可判斷出軸偏離程度，再調(diào)整系統(tǒng)就可實(shí)現(xiàn)光軸的精確對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)一步提高光功率。</p><p>　　第2章 望遠(yuǎn)鏡的設(shè)計(jì)及發(fā)展歷程&

46、lt;/p><p>　　2.1 望遠(yuǎn)鏡概述 </p><p>　　望遠(yuǎn)鏡是一種利用凹透鏡和凸透鏡觀測(cè)遙遠(yuǎn)物體的光學(xué)儀器。利用通過透鏡的光線折射或光線被凹鏡反射使之進(jìn)入小孔并會(huì)聚成像，再經(jīng)過一個(gè)放大目鏡而被人眼看到,又稱“千里鏡”。望遠(yuǎn)鏡的第一個(gè)作用是放大遠(yuǎn)處物體的張角，使人眼能看清角距更小的細(xì)節(jié)。望遠(yuǎn)鏡第二個(gè)作用是把物鏡收集到的比瞳孔直徑（最大8毫米）粗得多的光束，送入人眼，使觀測(cè)者

47、能看到原來看不到的暗弱物體[21]。</p><p>　　天文望遠(yuǎn)鏡由物鏡和目鏡組成，物鏡的像方焦點(diǎn)與目鏡的物方焦點(diǎn)重合，光學(xué)間隔Δ=0，接近景物的凸形透鏡或凹形反射鏡叫做物鏡，靠近眼睛那塊叫做目鏡。遠(yuǎn)景物的光源視作平行光，根據(jù)光學(xué)原理，平行光經(jīng)過透鏡或球面凹形反射鏡便會(huì)聚焦在一點(diǎn)上，這就是焦點(diǎn)。焦點(diǎn)與物鏡距離就是焦距。再利用一塊比物鏡焦距短的凸透鏡或目鏡就可以把成像放大，這時(shí)觀察者覺得遠(yuǎn)處景物被拉近，看得特別清

48、楚。</p><p>　　望遠(yuǎn)鏡的放大倍數(shù)是物鏡和目鏡焦距之比。即物鏡焦距越長(zhǎng)，放大倍率越高；目鏡焦距越短，放大倍率越高。放大率亦可以量度入射瞳孔和出射瞳孔的直徑求得，入射瞳孔通常即望遠(yuǎn)鏡物鏡直徑。放大倍數(shù)越低，影像越清晰，最宜觀測(cè)暗星云。放大率高則可用來看行星表面的細(xì)微結(jié)構(gòu)，但光度很弱。每只望遠(yuǎn)鏡的最高有效放大倍數(shù)是物鏡直徑的50倍，例如六寸口徑望遠(yuǎn)鏡便可放大到300倍。雖然天文望遠(yuǎn)鏡的物鏡焦距是不能改變的，但

49、望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)則不是固定的，它可以通過變換目鏡焦距的方式而獲得不同的倍率。但目鏡制造困難，多數(shù)購(gòu)自光學(xué)商店，業(yè)余制鏡者只自制主鏡部份。即：放大倍數(shù)=物鏡焦距/目鏡口徑=入射瞳孔直徑/出射瞳孔直徑。也可以表示為增益與其口徑的平方成正比，與工作波長(zhǎng)的平方成反比，即得到天線增益：</p><p>　?。?-1） </p><p>　　單位為dB；D為光學(xué)天線的口徑，為

50、工作波長(zhǎng)，為天線效率。</p><p>　　望遠(yuǎn)鏡放大倍數(shù)不能無限制的增加，即目鏡不能太短，最短約四毫米，主鏡焦距亦不能太長(zhǎng)，通常焦距和物鏡直徑的比例不能超過一個(gè)數(shù)值，它們的比值稱為焦比，焦比是用來表示望遠(yuǎn)鏡的特性的指標(biāo)，焦比即照相機(jī)上的光圈，焦比值多數(shù)定于2.5和11之間。例如六英寸望遠(yuǎn)鏡焦距最長(zhǎng)可達(dá)66英寸，最短是15英寸。焦比的限制是和望遠(yuǎn)鏡的曲率有關(guān)，焦比大，球面和拋物面值相差不遠(yuǎn)，主鏡磨成球面便行。但焦

51、比太大，鏡筒便會(huì)很長(zhǎng)，搬運(yùn)不方便，腳架制作也不容易。焦比短，球面主鏡便不能把平行光聚于一點(diǎn)，形成球面差，那時(shí)要將球面修改成拋物面就頗費(fèi)功夫。另一方面，照相曝光時(shí)間和焦比的平方成正比，所以焦比值越小曝光時(shí)間越短，拍攝暗星體時(shí)便很有用，故多用作觀測(cè)或拍攝星云、星團(tuán)。焦比大，焦距長(zhǎng)度增加，放大倍率高，故此多用作觀測(cè)行星。即：焦比=焦距/物鏡直徑（通常會(huì)寫成F/或F值）。</p><p>　　2.2 望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展史<

52、;/p><p>　　天文望遠(yuǎn)鏡是觀測(cè)天體的重要手段，可以豪不夸大地說，沒有望遠(yuǎn)鏡的誕生和發(fā)展，就沒有現(xiàn)代天文學(xué)。隨著望遠(yuǎn)鏡在各方面性能的改進(jìn)和提高，天文學(xué)也正經(jīng)歷著巨大的飛躍，迅速推進(jìn)著人類對(duì)宇宙的認(rèn)識(shí)。</p><p>　　從第一架光學(xué)望遠(yuǎn)鏡到射電望遠(yuǎn)鏡誕生的三百多年中，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡一直是天文觀測(cè)最重要的工具，下面就對(duì)光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展作一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹。</p><p>

53、　　2.2 .1折射式望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　1608年，荷蘭眼鏡商人李波爾賽偶然發(fā)現(xiàn)用兩塊鏡片可以看清遠(yuǎn)處的景物，受此啟發(fā)，他制造了人類歷史上第一架望遠(yuǎn)鏡[22]。</p><p>　　1609年，伽利略用正光焦度的物鏡和負(fù)光焦度的目鏡組成伽利略式望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)樗枪蔡摻裹c(diǎn)，其軸向間距為正透鏡與負(fù)透鏡焦距絕對(duì)值之差，所以整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)軸向尺寸較小。其突出優(yōu)點(diǎn)是共有虛焦點(diǎn)，可避免采用正透鏡

54、匯聚而引起的強(qiáng)光效應(yīng)和對(duì)目鏡的破壞，從而提高了能量的利用率。伽利略用這架望遠(yuǎn)鏡指向天空，得到了一系列的重要發(fā)現(xiàn)，天文學(xué)從此進(jìn)入了望遠(yuǎn)鏡時(shí)代[22]。</p><p>　　圖2-1 伽利略式望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　1611年，德國(guó)天文學(xué)家開普勒用兩片雙凸透鏡分別作為物鏡和目鏡，中間有聚焦點(diǎn)，加小孔光闌，使光束的高斯型光強(qiáng)分布的峰值部分通過。使放大倍數(shù)有了明顯的提高，以后人們將這種光學(xué)

55、系統(tǒng)稱為開普勒式望遠(yuǎn)鏡?，F(xiàn)在人們用的折射式望遠(yuǎn)鏡還是這兩種形式，天文望遠(yuǎn)鏡是采用開普勒式結(jié)構(gòu)[22]。</p><p>　　圖 2-2 開普勒式望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　需要指出的是，由于當(dāng)時(shí)的望遠(yuǎn)鏡采用單個(gè)透鏡作為物鏡，存在嚴(yán)重的色差，為了獲得好的觀測(cè)效果，需要用曲率非常小的透鏡，這勢(shì)必會(huì)造成鏡身的加長(zhǎng)。所以在很長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，天文學(xué)家一直在夢(mèng)想制作更長(zhǎng)的望遠(yuǎn)鏡，許多嘗試均以失敗告終[

56、23]。</p><p>　　1757年，杜隆通過研究玻璃和水的折射和色散，建立了消色差透鏡的理論基礎(chǔ)，并用冕牌玻璃和火石玻璃制造了消色差透鏡。從此，消色差折射望遠(yuǎn)鏡完全取代了長(zhǎng)鏡身望遠(yuǎn)鏡。但是，由于技術(shù)方面的限制，很難鑄造較大的火石玻璃，在消色差望遠(yuǎn)鏡的初期，最多只能磨制出10厘米的透鏡。因此，這種方法還是沒有多大的實(shí)際意義[23]。</p><p>　　19世紀(jì)末，隨著制造技術(shù)的提高，

57、制造較大口徑的折射望遠(yuǎn)鏡成為可能，隨之就出現(xiàn)了一個(gè)制造大口徑折射望遠(yuǎn)鏡的高潮。世界上現(xiàn)有的8架70厘米以上的折射望遠(yuǎn)鏡有7架是在1885年到1897年期間建成的，其中最有代表性的是1897年建成的口徑102厘米的葉凱士望遠(yuǎn)鏡和1886年建成的口徑91厘米的里克望遠(yuǎn)鏡[23]。</p><p>　　折射望遠(yuǎn)鏡的優(yōu)點(diǎn)是焦距長(zhǎng)，底片比例尺大，對(duì)鏡筒彎曲不敏感，最適合于做天體測(cè)量方面的工作。但是它總是有殘余的色差，同時(shí)對(duì)

58、紫外、紅外波段的輻射吸收很厲害。而巨大的光學(xué)玻璃澆制也十分困難，到1897年葉凱士望遠(yuǎn)鏡建成，折射望遠(yuǎn)鏡的發(fā)展達(dá)到了頂點(diǎn)，此后的這一百年中再也沒有更大的折射望遠(yuǎn)鏡出現(xiàn)。這主要是因?yàn)閺募夹g(shù)上無法鑄造出大塊完美無缺的玻璃做透鏡，并且，由于重力使大尺寸透鏡的變形會(huì)非常明顯，因而喪失明銳的焦點(diǎn)。</p><p>　　2.2 .2反射式望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　第一架反射式望遠(yuǎn)鏡誕生于1668年。

59、牛頓經(jīng)過多次磨制非球面的透鏡均告失敗后，決定采用球面反射鏡作為主鏡。他用2.5厘米直徑的金屬，磨制成一塊凹面反射鏡，并在主鏡的焦點(diǎn)前面放置了一個(gè)與主鏡成45度角的反射鏡，使經(jīng)主鏡反射后的會(huì)聚光經(jīng)反射鏡以90度角反射出鏡筒后到達(dá)目鏡，這種系統(tǒng)稱為牛頓式反射望遠(yuǎn)鏡，如圖2-3所示。它的球面鏡雖然會(huì)產(chǎn)生一定的像差，但用反射鏡代替折射鏡卻是一個(gè)巨大的成功[24]。</p><p>　　詹姆斯·格雷戈里在1663

60、年提出另一種方案：利用一面主鏡，一面副鏡，它們均為凹面鏡，副鏡置于主鏡的焦點(diǎn)之外，并在主鏡的中央留有小孔，使光線經(jīng)主鏡和副鏡兩次反射后從小孔中射出，到達(dá)目鏡,如圖2-4所示。這種設(shè)計(jì)的目的是要同時(shí)消除球差和色差，這就需要一個(gè)拋物面的主鏡和一個(gè)橢球面的副鏡，這在理論上是正確的，但當(dāng)時(shí)的制造水平卻無法達(dá)到這種要求，所以格雷戈里無法得到這種特殊形狀的對(duì)他有用的鏡子。因此，他的設(shè)計(jì)在當(dāng)時(shí)也就無法實(shí)現(xiàn)[24]。</p><p&

61、gt;　　圖2-3 牛頓反射望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　圖2-4 格雷戈里反射望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　圖2-5 卡塞格林反射望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　1672年，法國(guó)人卡塞格林提出了反射式望遠(yuǎn)鏡的第三種設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)與格雷戈里望遠(yuǎn)鏡相似，不同的是副鏡提前到主鏡焦點(diǎn)之前，并為凸面鏡，這就是現(xiàn)在最常用的卡賽格林式反射望遠(yuǎn)鏡，如圖2-5所示。這樣使經(jīng)副鏡鏡反射的

62、光稍有些發(fā)散，降低了放大率，但是它消除了球差，這樣制作望遠(yuǎn)鏡還可以使焦距很短[24]。</p><p>　　卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡的主鏡和副鏡可以有多種不同的形式，光學(xué)性能也有所差異。由于卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡焦距長(zhǎng)而鏡身短，放大倍率也大，所得圖象清晰；既有卡塞格林焦點(diǎn)，可用來研究小視場(chǎng)內(nèi)的天體，又可配置牛頓焦點(diǎn)，用以拍攝大面積的天體。因此，卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡得到了非常廣泛的應(yīng)用。 </p>

63、;<p>　　此后,基本沿用卡塞格林式望遠(yuǎn)鏡，只是對(duì)其中略做些小的改動(dòng)，以使其更加精確。例如，英國(guó)物理學(xué)家赫謝耳又把望遠(yuǎn)鏡的物鏡斜放在鏡筒中,使平行光經(jīng)三次反射后匯聚于鏡筒的一側(cè)。反射望遠(yuǎn)鏡發(fā)明之后，一直缺乏有效的反射材料。直到1856年，德國(guó)化學(xué)家尤斯圖斯·馮·利比希在玻璃上涂上薄薄的一層銀，得到了反射效果好的反射鏡，使得反射望遠(yuǎn)鏡有了更好的發(fā)展和應(yīng)用。</p><p>　　2

64、.2 .3 折反式望遠(yuǎn)鏡</p><p>　　折反射式望遠(yuǎn)鏡最早出現(xiàn)于1814年。1931年，德國(guó)光學(xué)家施密特用一塊別具一格的接近于平行板的非球面薄透鏡作為改正鏡，與球面反射鏡配合，制成了可以消除球差和軸外象差的施密特式折反射望遠(yuǎn)鏡，這種望遠(yuǎn)鏡光力強(qiáng)、視場(chǎng)大、象差小，適合于拍攝大面積的天區(qū)照片，尤其是對(duì)暗弱星云的拍照效果非常突出[24]。</p><p>　　1940年馬克蘇托夫用一個(gè)彎月

65、形狀透鏡作為改正透鏡，制造出另一種類型的折反射望遠(yuǎn)鏡，它的兩個(gè)表面是兩個(gè)曲率不同的球面，相差不大，但曲率和厚度都很大。它的所有表面均為球面，比施密特式望遠(yuǎn)鏡的改正板容易磨制，鏡筒也比較短，但視場(chǎng)比施密特式望遠(yuǎn)鏡小，對(duì)玻璃的要求也高一些，這就是當(dāng)今所常用的馬卡望遠(yuǎn)鏡[24]。</p><p>　　第3章 馬卡天線的基本設(shè)計(jì)理論</p><p>　　3.1 基本光學(xué)理論</p>

66、<p>　　幾何光學(xué)是光學(xué)學(xué)科中以光線為基礎(chǔ)，研究光的傳播和成像規(guī)則的一個(gè)重要的實(shí)用性學(xué)科。在幾何光學(xué)中，把組成物體的物點(diǎn)看作是幾何點(diǎn)，把它所發(fā)出的光束看作是無數(shù)幾何光線的集合，光線的方向代表光能的傳播方向[25-26]。</p><p>　　光的傳播可以歸結(jié)為三個(gè)實(shí)驗(yàn)定律：直線傳播定律、反射定律和折射定律。</p><p>　　光的直線傳播定律：光在均勻介質(zhì)中沿直線傳播。在非均

67、勻介質(zhì)種光線將因折射而彎曲，這種現(xiàn)象經(jīng)常發(fā)生在大氣中，比如海市蜃樓現(xiàn)象，就是由于光線在密度不均勻的大氣中折射而引起的。</p><p>　　費(fèi)馬定律：當(dāng)一束光線在真空或空氣中傳播時(shí)，由介質(zhì)1投射到與介質(zhì)2的分界面上時(shí)，在一般情況下將分解成兩束光線：反射(reflection)光線和折射(refraction)光線。</p><p>　　光線的反射取決于物體的表面性質(zhì)。如果物體表面(反射面)

68、是均勻的，類似鏡面一樣(稱為理想的反射面)，那么就是全反射，將遵循下列的反射定律，也稱“鏡面反射”。入射光線、反射光線和折射光線與界面法線在同一平面里，所形成的夾角分別稱為入射角、反射角和折射角。</p><p>　　反射定律：反射角等于入射角。對(duì)于理想的反射面而言，鏡面表面亮度取決于視點(diǎn)，觀察角度不同，表面亮度也不同。</p><p>　　光的折射：一些透明/半透明物體允許光線全部/部分

69、地穿透它們，這種光線稱為透射光線。當(dāng)光線從一種介質(zhì)(比如空氣)以某個(gè)角度(垂直情形除外)入射到另外一種具有不同光學(xué)性質(zhì)的介質(zhì)(比如玻璃鏡片)中時(shí)，其界面方向會(huì)改變，就是會(huì)產(chǎn)生光線的折射現(xiàn)象。</p><p><b>　　折射定律：</b></p><p>　　（3-1） </p><p>　　公式中和分別表示兩種介質(zhì)的

70、折射率，和為入射角和折射角。</p><p>　　3.2 卡塞格林天線鏡面參數(shù)</p><p>　　在經(jīng)典的卡塞格林天線系統(tǒng)中，其主鏡和副鏡均采用球面鏡和非球面鏡做為反射鏡。當(dāng)采用球面鏡時(shí)，實(shí)際使用中，常將球面鏡本身作為光闌位置，各種單色像差都會(huì)存在，當(dāng)視場(chǎng)加大時(shí)，像質(zhì)迅速變壞。而常使用的非球面鏡中，目前經(jīng)常被采用的是二次曲面反射鏡，下面將對(duì)二次曲面鏡用作反射鏡的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行介紹。<

71、/p><p>　　二次曲面鏡都有兩個(gè)焦點(diǎn)，它們之間是等光程的，無像差的，可以得到較好的像質(zhì)，若在一個(gè)點(diǎn)上放置點(diǎn)光源，則經(jīng)二次曲面鏡反射后，可在另一點(diǎn)得到點(diǎn)光源的完善的像。即光線以任何角度入射在該反射面上都不會(huì)產(chǎn)生像差。扁球面和橢球面的兩個(gè)無像差點(diǎn)是它們的兩個(gè)焦點(diǎn)F1，F(xiàn)2 ；球面的兩個(gè)無像差點(diǎn)重合在一起，是球心；拋物面的兩個(gè)無像差點(diǎn)一個(gè)在R0/2處，另一個(gè)在無窮遠(yuǎn)處；雙曲面的兩個(gè)無像差點(diǎn)一個(gè)在左焦點(diǎn)處，另一個(gè)在右焦點(diǎn)

72、處[27]。</p><p>　　我們所涉及的卡塞格林天線，要以平行光出射，這樣望遠(yuǎn)鏡內(nèi)激光器所發(fā)射的光斑才不會(huì)有太大的彌散?？紤]到雙曲面反射鏡和拋物面反射鏡的光傳輸特性，所以本系統(tǒng)中的卡塞格林光學(xué)天線采用拋物面鏡作主鏡，雙曲面鏡作次鏡，且拋物面與雙曲面共焦。凹面的拋物面反射鏡可以將平行于光軸入射的所有光線匯聚在單一的點(diǎn)上－焦點(diǎn)；凸面的雙曲面反射鏡有兩個(gè)焦點(diǎn)，會(huì)將所有通過其中一個(gè)焦點(diǎn)的光線反射至另一個(gè)焦點(diǎn)上。這一

73、類型望遠(yuǎn)鏡的鏡片在設(shè)計(jì)上會(huì)安放在共享一個(gè)焦點(diǎn)的位置上，以便光線能在雙曲面鏡的另一個(gè)焦點(diǎn)上成像以便觀測(cè)，通常外部的目鏡也會(huì)在這個(gè)點(diǎn)上。拋物面的主鏡將進(jìn)入望遠(yuǎn)鏡的平行光線反射并匯聚在焦點(diǎn)上，這個(gè)點(diǎn)也是雙曲線面鏡的一個(gè)焦點(diǎn)。然后雙曲面鏡將這些光線反射至另一個(gè)焦點(diǎn)，就可以在那兒觀察影像。</p><p>　　下面將對(duì)拋物面鏡和雙曲面鏡的方程及參數(shù)進(jìn)行介紹。</p><p>　　將用方程和表示的拋物

74、線及雙曲線繞其對(duì)稱軸旋轉(zhuǎn)一周即可形成旋轉(zhuǎn)拋物面和旋轉(zhuǎn)雙曲面，它們分別滿足以下關(guān)系</p><p>　　（3-2） </p><p><b>　?。?-3） </b></p><p>　　其中，f為拋物線焦距，R為兩種曲線的曲

75、率半徑，e為兩種曲線的曲率，為雙曲線的實(shí)軸，為雙曲線的虛軸，為雙曲線焦距。</p><p>　　設(shè)主鏡的曲線方程為：，副鏡曲線方程為：，其中d表示兩曲線頂點(diǎn)間距。</p><p>　　設(shè)主鏡口徑為，次鏡口徑為，次鏡的放大倍數(shù)為M，為次鏡對(duì)主鏡的遮擋率，次鏡左焦距為，右焦距為，為焦點(diǎn)伸出量。如圖3-1所示，當(dāng)從次鏡左焦點(diǎn)發(fā)出的光線射到次鏡上，經(jīng)次鏡、主鏡反射后，出射光將以平行光發(fā)。根據(jù)系統(tǒng)的

76、這一特性及設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求，下面通過光線追跡來構(gòu)建理論模型，并對(duì)其進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真分析。</p><p>　　根據(jù)幾何光學(xué)理論，次鏡滿足：</p><p>　?。?-4） </p><p>　　對(duì)于主鏡，以下關(guān)系成立：</p><p><b>　?。?-5）</b></p><p>　　圖3-

77、1 卡塞格林發(fā)射天線光路圖</p><p>　　次鏡的放大率也可用下式表示</p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　將此式與（3-3）式結(jié)合，可得到</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　與為相似三角

78、形，</b></p><p><b>　　（3-8） </b></p><p>　　將（3-6）帶入得到</p><p><b>　　（3-9）</b></p><p><b>　　在直角中，有</b></p><p><b>　　

79、（3-10）</b></p><p><b>　　兩鏡頂點(diǎn)間距為</b></p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　設(shè)入射光線I的方程為</p><p><b>　　（3-12）</b></p><p>　　由入射

80、光線和次鏡方程</p><p>　?。?-13） </p><p>　　可解得光線與副鏡面的交點(diǎn)坐標(biāo)，設(shè)在點(diǎn)的切線斜率為，則可求出</p><p><b>　?。?-14）</b></p><p>　　而切線與主軸正向夾角 。由反射定律，可得點(diǎn)A處的入射角</p><p><b&

81、gt;　?。?-15）</b></p><p>　　由上圖中的幾何關(guān)系，反射光線II的反向延長(zhǎng)線與主軸的夾角為</p><p><b>　　（3-16）</b></p><p>　　而我們知道反射光線的斜率為</p><p><b>　?。?-17）</b></p><

82、;p>　　由反射光線和主鏡拋物面方程可得</p><p><b>　?。?-18） </b></p><p>　　同樣科解得反射光線與主鏡面的交點(diǎn)坐標(biāo)</p><p><b>　?。?-19）</b></p><p><b>　?。?-20）</b></p>

83、<p><b>　　3.3 馬卡望遠(yuǎn)鏡</b></p><p>　　馬克蘇托夫望遠(yuǎn)鏡是折射反射（面鏡-透鏡）望遠(yuǎn)鏡，被設(shè)計(jì)來減少離軸的像差，例如彗形像差。1944年，蘇聯(lián)光學(xué)家德密特利·馬克蘇托夫發(fā)明此型望遠(yuǎn)鏡，因此又名馬卡望遠(yuǎn)鏡，他以球面鏡作主鏡并結(jié)合在入射光孔的彎月形的修正殼以改正球面像差，這是在反射望遠(yuǎn)鏡和其他類型望遠(yuǎn)鏡上的重大突破。</p>&l

84、t;p>　　馬克蘇托夫式望遠(yuǎn)鏡的最大缺點(diǎn)是不能制作大口徑（>250毫米/10 英吋），因?yàn)槭艿叫拚宓囊种?，重量和制作成本都?huì)上揚(yáng)。馬克蘇托夫物鏡不能校正整個(gè)光束的球差，只能校正邊緣球差，因此存在剩余球差，對(duì)軸外像差來說，只能校正慧差，不能校正象散。在他發(fā)明之際，馬克蘇托夫自己暗示有可能取代卡塞格林式的“折疊”光學(xué)的構(gòu)造。珀金埃爾默的設(shè)計(jì)師約翰·葛利格里由馬克蘇托夫的想法發(fā)展出了馬克蘇托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。稍后，葛

85、利格里在1957年的天空和望遠(yuǎn)鏡雜志上發(fā)表了劃時(shí)代的f/15和f/23的馬克蘇托夫-卡塞格林望遠(yuǎn)鏡設(shè)計(jì)，這被大量的投入應(yīng)用當(dāng)中。馬卡望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)示意圖如下</p><p>　　圖3-2 馬卡望遠(yuǎn)鏡光學(xué)示意圖</p><p>　　許多被制造的馬克蘇托夫式都采用了“卡塞格林”的設(shè)計(jì)（有時(shí)稱為斑點(diǎn)馬克蘇托夫），原本的次鏡被在修正板內(nèi)側(cè)的一小片鋁制的斑點(diǎn)所取代。好處是已經(jīng)固定住無須再對(duì)正與校準(zhǔn)，也

86、消除了蜘蛛型支撐架所產(chǎn)生的衍射條紋，第二矯正鏡非常小，觀測(cè)性能較好。缺點(diǎn)則是損失了一定量的自由度（次鏡的曲率半徑），因?yàn)榇午R的曲率半徑必須與彎月形修正板的內(nèi)側(cè)一致，焦距長(zhǎng)度大，視場(chǎng)較小。葛利格里再設(shè)計(jì)的速度較快的（f/15）的馬卡望遠(yuǎn)鏡時(shí)，就改采用修正板的前面或主鏡為非球面鏡來減少像差。因此，該型號(hào)的馬卡望遠(yuǎn)鏡性能進(jìn)一步提高。</p><p>　　馬卡望遠(yuǎn)鏡盡管有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是馬卡望遠(yuǎn)鏡也存在自身的缺陷, 由于中

87、心副鏡的遮擋, 對(duì)收發(fā)共路光學(xué)系統(tǒng)發(fā)射光能量的損失在30% 以上, 而對(duì)于優(yōu)化的高斯分布激光光源, 能量損失可以達(dá)到50%甚至更多。就如何提高發(fā)射光的能量提出了很多方法, 如把兩反系統(tǒng)改為三反系統(tǒng) 。但是三反系統(tǒng)體積大, 光路調(diào)整困難, 使用不方便[28]。</p><p>　　望遠(yuǎn)鏡中激光器發(fā)出的光, 經(jīng)馬卡望遠(yuǎn)鏡離軸發(fā)射的光路如圖3-3所示，入射光光軸和望遠(yuǎn)鏡光軸偏離, 離軸量的要求是以發(fā)射光束能夠不被副鏡遮

88、擋、全部發(fā)出為標(biāo)準(zhǔn)。發(fā)射光入射到副鏡的側(cè)邊, 被副鏡反射到主鏡的側(cè)邊后從彎月鏡的一側(cè)發(fā)射出去。由于光束全部被發(fā)射, 在不考慮反射損耗的情況下, 光源能量全部被利用, 因此發(fā)射光能量將提高30%以上。</p><p>　　圖3-3 馬卡望遠(yuǎn)鏡離軸發(fā)射光路原理圖</p><p>　　本課題就是需要根據(jù)理論分析結(jié)果并結(jié)合ZEMAX軟件的仿真，通過參數(shù)計(jì)算，找出激光器在望遠(yuǎn)鏡中最佳放置位置，從而盡

89、量減少光能的損失,提高激光器發(fā)射功率。軟件仿真以后，通過實(shí)物驗(yàn)證，觀察是否達(dá)到理想設(shè)計(jì)效果。</p><p>　　第4章 馬卡天線模擬仿真</p><p>　　4.1 ZEMAX概述</p><p>　　常用的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件有兩類，一種用于設(shè)計(jì)照明系統(tǒng)，另一種用于設(shè)計(jì)成像系統(tǒng)。常用的照明設(shè)計(jì)軟件有Lightools、Tracepro和ASAP，成像設(shè)計(jì)軟件有 Code

90、v、ZEMAX和Oslo。此次模擬仿真采用的是ZEMAX軟件，下面就其做些簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　ZEMAX是美國(guó)焦點(diǎn)軟件公司(Focus So．rare Inc)所發(fā)展出的光學(xué)設(shè)計(jì)軟件。ZEMAX 有三種不同的版本：ZEMAX-SE（標(biāo)準(zhǔn)版本），ZEMAX-XE（擴(kuò)展版本）和ZEMAX–EE（工程版本）。EE版本最為高級(jí)，此次運(yùn)用模擬仿真馬卡天線的就是工程版本。</p><p>

91、　　ZEMAX主要優(yōu)點(diǎn)有：</p><p>　　界面友好，容易上手；資料豐富，既可以直接選擇，又可以自定義；</p><p>　　可建立反射、 折射、衍射及散射等光學(xué)模型；</p><p>　　可進(jìn)行偏振、鍍膜和溫度、氣壓等方面的分析，具有強(qiáng)大的像質(zhì)評(píng)價(jià)和分析功能；</p><p>　　豐富的資料庫(kù)，有現(xiàn)成的鏡頭和玻璃、樣板數(shù)據(jù)，可供用戶選擇

92、；</p><p>　　大部分窗口都提供在線幫助,方便隨時(shí)獲取相關(guān)功能的在線解釋和幫助；</p><p>　　ZEMAX是一個(gè)程序，它能夠建模、分析以及輔助設(shè)計(jì)光學(xué)系統(tǒng)，但它不能教會(huì)你如何設(shè)計(jì)鏡頭和光學(xué)系統(tǒng)。ZEMAX是用光線追跡的方法模擬折射、反射和衍射的序列及非序列光學(xué)系統(tǒng)的透鏡設(shè)計(jì)程序。</p><p>　　ZEMAX中考慮的是：精確的光程；反射和折射；光程差

93、和相位；像差和圖像形態(tài)；偏振；薄膜的透過率和吸收率；散射；靜態(tài)分光；ZEMAX中忽略的是：透鏡邊緣的衍射（用物理光學(xué)計(jì)算除外）。</p><p>　　ZEMAX用“面”的概念模擬序列光線追跡，用“組件”或“物體”的概念模擬非序列光線追跡。ZEMAX中可以使用三種光線追跡方式：</p><p>　　（1）純序列模式--用于傳統(tǒng)透鏡及多數(shù)成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>

94、　?。?）混合模式--適于系統(tǒng)中有重要的序列端口和一些非序列元件 (如 棱鏡、管道等)；</p><p>　?。?）純非序列模式--適于照明、散射、雜散光分析以及不需要端口的模型；</p><p>　　大多數(shù)的成像系統(tǒng)都可由一組光學(xué)表面來描述，光線按照表面的順序進(jìn)行追跡，如相機(jī)鏡頭、望遠(yuǎn)鏡鏡頭、顯微鏡鏡頭等。序列性光線追跡指的是光線從物面發(fā)出(通常是0面)打到光學(xué)系統(tǒng)之后，會(huì)依序的從一個(gè)表

95、面到另一個(gè)表面穿過整個(gè)系統(tǒng)，直到像面為止，光線不會(huì)跳過任何中間的表面，且光線只能打在每一個(gè)已定義的表面一次，因此光線是可逆的；非序列性光線追跡指的是光線入射到光學(xué)系統(tǒng)后，是自由的沿著實(shí)際光學(xué)路徑追跡，一條光線可能打到一個(gè)對(duì)象許多次，可能因折射、反射、散射、衍射變?yōu)槎鄺l光線，而且可能完全未打到其它對(duì)象。</p><p>　　總的來說，ZEMAX功能齊全，從簡(jiǎn)單的繪圖一直到優(yōu)化和公差分析皆可達(dá)成。包括數(shù)個(gè)系統(tǒng)繪圖(1

96、ayouts)類型、光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(modulation transfer function，MTF)圖、匯出CAD格式的表面信息功能、點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)(point Spread function，PSF)圖、點(diǎn)列圖(spot diagrams)、光程差圖、光扇圖(ray fan)、場(chǎng)曲和畸變曲線圖、像差計(jì)算、極化描光以及波前傳播工具。</p><p>　　4.2 ZEMAX基本應(yīng)用</p><p

97、>　　4.2.1 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器</p><p>　　在做仿真之前，必須要先學(xué)會(huì)熟練運(yùn)用ZEMAX軟件，下面就其基本功能做些介紹。打開ZEMAX軟件在序列模式下，彈出鏡頭數(shù)據(jù)編輯對(duì)話框，如圖4-1所示</p><p>　　圖4-1 鏡頭數(shù)據(jù)編輯器</p><p>　　表格里面的OBJ為物平面，即第0面，也可代表光源，為Object的簡(jiǎn)寫。STO、IMA為光闌

98、平面（Aperture stop）、成像平面（imagine plane），在光學(xué)設(shè)計(jì)中，物平面和像平面是必不可少的，通常插入鏡面只能是在光闌面的前后。底部狀態(tài)欄里顯示的是當(dāng)前鏡頭的焦距（EFFL）,F數(shù)(WFNO)，入瞳直徑（ENPD）,總長(zhǎng)（TOTR）。表格中需要我們手動(dòng)輸入的有曲率半徑（Radius），鏡子厚度（Thickness），玻璃類型（Glass）。其中的曲率半徑可正可負(fù)，通常是圓心在鏡面之右為正，在左為負(fù)。</p&

99、gt;<p>　　玻璃類型中，每個(gè)面所用的玻璃材料是通過將玻璃名寫入鏡頭數(shù)據(jù)編輯器“Glass” 中來確定的。玻璃名字必須是當(dāng)前已被裝載的玻璃庫(kù)中的玻璃名稱之一，缺省的玻璃目錄是“Schott” ，其它目錄也是可選用的，玻璃庫(kù)中沒有的玻璃名是不能被應(yīng)用的，目前我們主要應(yīng)用的為中國(guó)成都玻璃庫(kù)。如要把某一個(gè)表面定為反射面，這一面的玻璃應(yīng)命名為“Mirror”。當(dāng)輸入新玻璃時(shí)，可在玻璃名稱上添加”/ P” 選擇項(xiàng)，這個(gè)選項(xiàng)可以使

100、ZEMAX 通過改變前后面的曲率半徑來維持該面前后頂點(diǎn)間的光焦度保持不變。例如， 如果玻璃已選擇為BK7，輸入一個(gè)新玻璃“SF1/P” 將使玻璃變?yōu)镾F1，同時(shí)調(diào)整前后面半徑使光焦度保持不變。ZEMAX 能保持頂點(diǎn)間的光焦度保持不變，但是由于玻璃的光學(xué)厚度的改變，整個(gè)光焦度將會(huì)有微小的改變，這種影響對(duì)薄透鏡是很小的。</p><p>　　4.2.2 系統(tǒng)菜單參數(shù)設(shè)置</p><p>　　在

101、表格中的參數(shù)完成之后，還需要對(duì)系統(tǒng)菜單（System）中的通用配置（General）、視場(chǎng)（Fields）、光波長(zhǎng)（Wavelengths）進(jìn)行設(shè)置。</p><p>　　General功能可以由“System”→“General…”來選擇，還可以通過桌面上“Gen”快捷鍵來打開，General對(duì)話框如圖4-2所示，由圖可知General對(duì)話框中具Environment，Polarization，Misc.，No

102、n-Sequential，Aperture，Title/Notes，Glass Catalogs，Ray Aiming等項(xiàng)，但最常用的還是Aperture選項(xiàng)，用來定義相對(duì)孔徑,即軸上物點(diǎn)光束大小。Aperture下需要設(shè)置的參數(shù)主要有光圈類型和光圈數(shù)值，系統(tǒng)光圈值與所選的系統(tǒng)光圈類型有關(guān)。ZEMAX 采用光圈類型和光圈數(shù)值一起來決定系統(tǒng)的某些基本量的大小，如入瞳尺寸和各個(gè)元件的清晰口徑。</p><p>　　圖

103、4-2 General 對(duì)話框</p><p>　　通過Fields來定義視場(chǎng)，通過System → Fields … 可以打開視場(chǎng)定義對(duì)話框，如圖4-3，首先給出了視場(chǎng)種類定義的四個(gè)選項(xiàng)：角度（視場(chǎng)角）、物高、近軸像高和實(shí)際像高。其中視場(chǎng)角單位為度，線視場(chǎng)的單位為ZEMAX選擇的Lens Units，一般為毫米。接下來，給出最多為12的視場(chǎng)序號(hào)，即最多可定義12個(gè)視場(chǎng)，若X-Field與Y-Field同時(shí)選用

104、，則適用于非旋轉(zhuǎn)對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)；對(duì)于旋轉(zhuǎn)對(duì)稱系統(tǒng)，一般僅在Y-Field欄中輸入數(shù)據(jù)，定義子午面內(nèi)的視場(chǎng)。Weight用于定義各個(gè)視場(chǎng)的權(quán)重。</p><p>　　圖4-3 視場(chǎng)對(duì)話框 </p><p>　　圖4-4 光波長(zhǎng)對(duì)話框</p><p>　　Wavelengths定義鏡頭工作波長(zhǎng)，如圖4-4所示。通過桌面上的快捷鍵 “Wav”或“System →

105、 Wavelengths”打開“Wavelengths”對(duì)話框，可以定義最多12個(gè)波長(zhǎng)（單位：微米μm）。典型波長(zhǎng)的數(shù)據(jù)已經(jīng)存儲(chǔ)在對(duì)話框中，通過“Select”勾選，其中“Primary”定義主波長(zhǎng)，用于考查鏡頭系統(tǒng)的單色像差。 </p><p>　　4.3 馬卡天線仿真</p><p>　　4.3.1 光學(xué)天線設(shè)計(jì)流程及要求<

106、;/p><p>　　一般，光學(xué)設(shè)計(jì)的流程如下圖</p><p>　　圖4-5 光學(xué)設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　此次模擬的光學(xué)天線，可以把它看做是一個(gè)能接收自由空間某波長(zhǎng)目標(biāo)光微弱光輻射的物鏡。通常情況下，對(duì)光天線的基本要求可簡(jiǎn)要的概況為以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?） 大的通光口徑(及光天線的入瞳直徑)。光天線的大口徑能最大限度的接收

107、來自目標(biāo)的光輻射，所以光學(xué)天線是一個(gè)大孔徑的光學(xué)系統(tǒng)；</p><p>　?。?）選擇合適的視場(chǎng)。大孔徑加大視場(chǎng)，使通光口徑更大，有利于接收更多的信號(hào)光輻射，但視場(chǎng)應(yīng)與后續(xù)的耦合、濾波器等匹配；</p><p>　?。?）使用目標(biāo)信號(hào)光波長(zhǎng)校正單色像差，消色差可視要求而定；</p><p>　?。?）光學(xué)天線的光學(xué)分辨率應(yīng)與光電探測(cè)器分辨率匹配。光學(xué)分辨率可用彌散圓

108、來測(cè)量，只有比較好的校正了球差、慧差、色散、像曲等像差后，才能減小彌散圓；</p><p>　?。?）無漸暈或者漸暈很少，使盡可能多的光能通過系統(tǒng)到達(dá)探測(cè)器；</p><p>　　4.3.2 序列模式下仿真</p><p>　　在序列模式下模擬馬卡望遠(yuǎn)鏡，需要知道該望遠(yuǎn)鏡的各個(gè)參數(shù)，如主鏡和次鏡的曲率半徑，鏡子玻璃類型，鏡子厚度等。初始設(shè)計(jì)完成之后還要進(jìn)行優(yōu)化分析

109、，分析之后再改正，要達(dá)到最佳設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。不過，此次研究的課題是仿真，不用優(yōu)化設(shè)計(jì)。在軟件模擬之前，需要做好準(zhǔn)備工作，拿出馬卡望遠(yuǎn)鏡實(shí)物，測(cè)出它的各個(gè)參數(shù)，目前所知的有曲率半徑=128.957，=139.4203，主鏡直徑D=105，厚度30，其他參數(shù)需要進(jìn)行手動(dòng)計(jì)算。將各個(gè)參數(shù)輸入，點(diǎn)擊LAYOUT，就可得到圖4-6</p><p>　　圖4-6 馬卡望遠(yuǎn)鏡2D圖</p><p>　　實(shí)體