孫文昌 袁 丹

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

寬視角光學(xué)接收天線研究與進(jìn)展

孫文昌 袁 丹

（電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

目前的寬視角的接收一般采用視角分割，以使用多探測(cè)器或者復(fù)雜接收系統(tǒng)（如光纖陣列）等方式獲得，但以上方式主要用于光電對(duì)抗的方位探測(cè)，在空間激光通信等場(chǎng)合難以適用?；诳臻g激光通信領(lǐng)域，結(jié)合目前寬視角光學(xué)接收天線的研究和進(jìn)展情況，比較分析了現(xiàn)有的技術(shù)后，綜合考慮視角、光學(xué)增益及像差大小,提出一種系統(tǒng)的新思路，針對(duì)寬視角、大口徑接收面積的指標(biāo)需求，以小接收面積光電探測(cè)器、陣列化天線為約束前提，力爭(zhēng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)合理，為后續(xù)的深入研究打下良好的基礎(chǔ)。

寬視角；大增益；接收天線；空間光通信；相控陣天線；衍射光學(xué)元件

1 引言

光學(xué)系統(tǒng)性能的優(yōu)劣直接影響到通信的可靠性[1]。光學(xué)天線相當(dāng)于一個(gè)物鏡系統(tǒng)，通常有折射式、反射式、折反式三種類型[2]。折射式光學(xué)天線系統(tǒng)適用于可見光和近紅外，反射系統(tǒng)適用于全波段。發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)的主要功能是壓縮光束發(fā)散角，對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；接收光學(xué)系統(tǒng)的作用是接收微弱光信號(hào)并會(huì)聚至探測(cè)器表面，增大探測(cè)器的有效接收面積。當(dāng)通信距離比較遠(yuǎn)時(shí)，在背景光比較強(qiáng)的情況下，信號(hào)的捕獲和跟蹤就是一個(gè)重要的問題[3]，特別是在空間激光通信中，背景光產(chǎn)生很強(qiáng)的干擾，大大增加了信號(hào)接收的難度。

2 寬視角光學(xué)接收天線研究現(xiàn)狀

寬視角光學(xué)系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是視角大、像面照度均勻、工作焦距長(zhǎng)、像點(diǎn)彌散斑小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕。當(dāng)前應(yīng)用中主要是通過光學(xué)天線的機(jī)械運(yùn)動(dòng)來掃描光束，比如使用二維或三維萬向架型的機(jī)械 APT（捕獲、瞄準(zhǔn)、跟蹤）光學(xué)天線系統(tǒng)，通過步進(jìn)電機(jī)控制萬向架轉(zhuǎn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)光束的掃描[4]。其缺點(diǎn)是速度和響應(yīng)度慢、機(jī)械振動(dòng)影響對(duì)準(zhǔn)精度，實(shí)時(shí)性較差。與傳統(tǒng)的機(jī)械式光學(xué)天線系統(tǒng)相比，相控陣光學(xué)天線靈敏、小巧、重量輕，無慣性、低功耗、可獲得納秒級(jí)的掃描速度，對(duì)不同方位信號(hào)光束，采用寬視角的接收方式予以實(shí)時(shí)采集，以期克服機(jī)械控制的諸多缺點(diǎn)并顯著增強(qiáng)光學(xué)系統(tǒng)的性能[5]。

2.1 ATP系統(tǒng)介紹

一個(gè)典型ATP系統(tǒng)的簡(jiǎn)單環(huán)路如圖1所示，系統(tǒng)使用了大口徑反射式卡塞格倫光學(xué)天線接收信標(biāo)和信號(hào)的合束光，經(jīng)過分光鏡后，一部分光經(jīng)過濾光鏡濾除信標(biāo)光，信號(hào)光到達(dá)信號(hào)探測(cè)器，另一部分光照射在CCD探測(cè)面上，形成光斑。為盡可能降低探測(cè)器的光能損失，該系統(tǒng)采用了分光鏡設(shè)計(jì)，該分光鏡對(duì)信標(biāo)光有高透射率，而對(duì)信號(hào)光有高反射率。經(jīng)由數(shù)字信號(hào)處理電路以特定算法計(jì)算出光斑質(zhì)心位置后，CCD探測(cè)器發(fā)出相應(yīng)的糾正信號(hào)給步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路控制萬向支架傳動(dòng)裝置上的步進(jìn)電機(jī)，對(duì)光學(xué)天線的接收視角進(jìn)行調(diào)整，引導(dǎo)天線視軸與接收光束到達(dá)方向一致[4]。

圖1 ATP粗跟蹤環(huán)路

2.2 相控陣天線

陣列天線指在相位上相干的多個(gè)輻射單元(陣元)按一定陣列方式組成的天線系統(tǒng)。其陣元可以是終端開口波導(dǎo)、小型面元、偶極子等，陣列有平面陣、線陣及三維陣三種，其中平面陣應(yīng)用最多。常見的平面陣列柵格有周期方形柵格和周期正三角形柵格兩種，如圖2所示，其中(a)為方形柵格陣列天線，該天線由(2M+1)(2N-1)個(gè)圓口面陣元構(gòu)成，陣元按方形柵格排列，間距為d；(b)為正三角形柵格排列，間距也為 d。有研究表明，結(jié)合光纖束和光纖編碼的技術(shù)，接收光信號(hào)通過光學(xué)系統(tǒng)后，聚集在由許多探測(cè)器組成的探測(cè)器陣列上。通過隨后的計(jì)算電路和一一對(duì)應(yīng)的探測(cè)器，可以精確確定入射光的方向。同時(shí)對(duì)各探測(cè)器的電荷求和，也可檢測(cè)入射輻射的強(qiáng)度。通過適當(dāng)?shù)陌才?，比如采用光纖延遲技術(shù)，也可同時(shí)測(cè)量入射輻射的波長(zhǎng)[6]。

圖2 陣列天線示意圖

所謂相控陣天線就是對(duì)陣列天線各陣元的相位進(jìn)行控制從而獲得特定的波束指向。圖3所示為相控陣天線的功能框圖,圖中,饋源送出的信號(hào)被分成若干路,各路信號(hào)均有獨(dú)立的相移器對(duì)其相位進(jìn)行控制,經(jīng)移相的信號(hào)分別被放大(加權(quán))后送入對(duì)應(yīng)的陣元輻射,所有的陣元輻射相干疊加之后即可形成特定的波束指向和形狀，從而實(shí)現(xiàn)波束高速、高精度的近似實(shí)時(shí)掃描[7]。

圖3 相控陣天線功能框圖

2.3 寬視角光學(xué)接收天線的一些典型應(yīng)用

在激光告警等離目標(biāo)較近的較高激光能量場(chǎng)合，已有多種光學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常是使用復(fù)雜的多透鏡系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)寬視角光學(xué)系統(tǒng)[8]，使光學(xué)系統(tǒng)具有一定的光學(xué)增益從而解決寬視角和小光敏面匹配的矛盾。

在激光探測(cè)告警設(shè)備研究中，其中用于寬視角有增益光學(xué)系統(tǒng)的部分，相關(guān)的研究證實(shí)：用于紅外的光學(xué)系統(tǒng)有反射式和透射式光學(xué)系統(tǒng)兩大類，雖然反射鏡在紅外波段具有高反射率，且無色差，但隨著視角的增大，反射系統(tǒng)的中心遮攔增大，將嚴(yán)重影響輻射能量利用率[9]。因此，對(duì)于寬視角系統(tǒng)，一般不宜使用反射光學(xué)系統(tǒng)；同樣，折射反射系統(tǒng)也不合適[10]。

光學(xué)天線需要同時(shí)具有寬視角和較高光增益兩個(gè)方面的性能，才能適用于相控陣相干接收，而傳統(tǒng)光學(xué)結(jié)構(gòu)往往只能達(dá)到一個(gè)方面的需求。如圖4所示的魚眼鏡頭，全視角170°，理論光學(xué)增益僅0.037。2003年國(guó)內(nèi)利用紅外非制冷焦平面探測(cè)器、廣角鏡頭光學(xué)系統(tǒng)、窄帶濾波片和信號(hào)處理系統(tǒng)，研制成的凝視成像激光探測(cè)與告警系統(tǒng)，能在 127°視角范圍內(nèi)對(duì)多波長(zhǎng)激光進(jìn)行告警，根據(jù)其光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)計(jì)算理論光學(xué)增益只有0.496[11]。

圖4 魚眼透鏡

在寬視角有增益光學(xué)系統(tǒng)用于激光探測(cè)告警器的相關(guān)研究中，如圖5的光學(xué)系統(tǒng)由物鏡A、浸沒透鏡B 和探測(cè)器C組成。為減少能量損失，物鏡采用單透鏡結(jié)構(gòu),浸沒透鏡采用超半球結(jié)構(gòu)，可利用其產(chǎn)生的球差來平衡物鏡所產(chǎn)生的球差。為了保證系統(tǒng)有較高增益，浸沒透鏡應(yīng)選擇折射率比較高的光學(xué)材料,故考慮使用紅外光學(xué)(晶體)材料。重點(diǎn)要考慮材料的紅外透過波段、折射率、色散、材料受熱時(shí)的自輻射特性等要素。該系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)如下：系統(tǒng)視角2ω=30°，光學(xué)增益G≥10；通光口徑Φ0=10mm；采用r3=5mm的超半球浸沒透鏡；PIN光電探測(cè)器光敏面尺寸Φ=2mm，工作波段1.06～1.54μm。

圖5 光學(xué)系統(tǒng)光路圖

激光輻射探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)是激光對(duì)抗系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一[12]，通常要求具有探測(cè)距離遠(yuǎn)，接收空域大，精確定位輻射源等特點(diǎn)。由于激光的高度方向性和單色性，所以，系統(tǒng)在多數(shù)情況下只要求滿足正弦條件和消球差即可。此類光學(xué)系統(tǒng)由于對(duì)象質(zhì)要求不高，而要求有高的靈敏度，所以，大多數(shù)激光輻射探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)為大相對(duì)口徑系統(tǒng)。

輻射探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)宜采用反射式或折反射式以適應(yīng)寬光譜范圍，并有盡可能簡(jiǎn)單的光學(xué)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際應(yīng)用中，激光輻射探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)需要靈敏的截獲警戒區(qū)域內(nèi)激光輻射能，并將其均勻的會(huì)聚在光電探測(cè)器的光敏面上，完成光電信號(hào)轉(zhuǎn)換，并且精確確定輻射源的位置、光束特性(包括強(qiáng)度特性、頻譜特性、偏振特性等)、編碼特性、時(shí)間特性。同時(shí)，消除環(huán)境及其光學(xué)系統(tǒng)本身的干擾，提高其信噪比[13]。因此，激光輻射探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)主要以靈敏度和信噪比作為評(píng)價(jià)依據(jù)，而不是分辨率。

3 基于相控陣系統(tǒng)待解決的關(guān)鍵問題分析

3.1 系統(tǒng)遠(yuǎn)距離接收問題分析

相控陣天線需要針對(duì)較遠(yuǎn)距離的目標(biāo)，此時(shí)其返回光信號(hào)相當(dāng)微弱，接收天線需要足夠大的口徑以獲得充分高的光學(xué)增益。然而大口徑的光學(xué)天線的相對(duì)孔徑有限，系統(tǒng)口徑與探測(cè)器光敏面的大小將對(duì)天線系統(tǒng)進(jìn)一步制約[4]。因此，目前大口徑光學(xué)天線用于寬視角接收尚沒有良好的系統(tǒng)方案予以解決。

目前的光學(xué)接收天線一般使用多探測(cè)器或者復(fù)雜接收系統(tǒng)（如光纖陣列）進(jìn)行視角分割以達(dá)到寬視場(chǎng)接收的效果。同時(shí)為了獲得高增益，解決寬視角和小光敏面匹配的矛盾，系統(tǒng)常常采用場(chǎng)鏡、光錐、浸沒透鏡等輔助光學(xué)元件或光闌移動(dòng)的方法。如圖6是一種采用超半球浸沒透鏡的寬視角有增益光學(xué)天線系統(tǒng)，其視角30°，光學(xué)增益可達(dá)20倍以上。但考慮相控陣天線系統(tǒng)對(duì)探測(cè)目標(biāo)距離的需求，上述的增益仍然不足。

圖6 采用超半球浸沒透鏡的寬視角有增益光學(xué)系統(tǒng)光路圖

用于寬視角的折射式光學(xué)系統(tǒng)主要有雙高斯結(jié)構(gòu)和反遠(yuǎn)結(jié)構(gòu)[14]，雙高斯物鏡是一種常被用作寬視角，大孔徑的光學(xué)系統(tǒng)。雙高斯物鏡其典型特點(diǎn)是采用對(duì)稱型結(jié)構(gòu)，視角可達(dá)40°，相對(duì)孔徑為 1/2。根據(jù)像差理論，對(duì)稱結(jié)構(gòu)可校正如畸變、彗差、倍率色差等垂軸像差,像散可通過選擇合適的光闌位置進(jìn)行校正。有研究表明，為了達(dá)到大相對(duì)孔徑寬視角的目的，選用如圖7的復(fù)雜化雙高斯型光學(xué)結(jié)構(gòu)，光學(xué)鏡頭

由七組八片組成，并且在一片雙膠合透鏡加入了石英窗口以提高抗空間輻射能力。然而上述系統(tǒng)光斑面積較大，主要用于對(duì)星觀測(cè)成像等領(lǐng)域[15,16]。雙高斯鏡頭具有相對(duì)對(duì)稱的結(jié)構(gòu)，利于校正像差，但其主光線的出射角與入射角基本相同，隨著視角增大，像面的輻照度會(huì)迅速下降，即使用像差漸暈和幾何漸暈的方法，也只能減緩像面輻照度的下降。邊緣像點(diǎn)和軸上像點(diǎn)的輻照度之比基本上等于視角余弦的二次方。例如，半視角為60°時(shí)，邊緣像點(diǎn)的輻照度約是軸上像點(diǎn)的八分之一。由此可見，雙高斯結(jié)構(gòu)不適合于寬視角有增益光學(xué)系統(tǒng)鏡頭。

圖7 一個(gè)復(fù)雜化的雙高斯物鏡光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從上述幾組光學(xué)天線可以看出，雖然上述光學(xué)系統(tǒng)可以達(dá)到大的相對(duì)孔徑和寬視角，但其并不適用于相控陣型的應(yīng)用范圍。特別是由窄帶干涉濾波片需求的光束平行化以及接收面上的光斑面積仍然較大等問題，嚴(yán)重制約了與相控陣匹配使用的光學(xué)接收天線系統(tǒng)的實(shí)用價(jià)值。

3.2 系統(tǒng)實(shí)時(shí)響應(yīng)問題分析

在解決基于相控陣系統(tǒng)的響應(yīng)速度方面，目前的一種發(fā)展趨勢(shì)是使用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)，如使用液晶產(chǎn)生實(shí)時(shí)光柵，以得到實(shí)時(shí)的衍射指向。通常典型的自適應(yīng)光學(xué)(AO)系統(tǒng)主要由波前復(fù)原、波前重構(gòu)和波前校正三部分組成。其中，波前探測(cè)器應(yīng)用比較廣泛的是哈特曼波前傳感器，波前復(fù)原最常用的算法是直接斜率法，而變形鏡(DM)則是最常用的波前校正器件。這類系統(tǒng)的共同特點(diǎn)是需要選擇適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法去搜尋系統(tǒng)目標(biāo)指標(biāo)的最優(yōu)值。

但是自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)需要解決兩個(gè)問題，一是系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間和響應(yīng)性能，包括光束的衍射效率問題；二是考慮到光電探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍，必須盡量消除接收激光信號(hào)的太陽背景光。因此以激光波長(zhǎng)為中心的窄帶干涉濾波片需要加入到系統(tǒng)中，而其對(duì)光束入射角度有嚴(yán)格的限制，一般要求光束正入射。所以在自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)中，入射光束必須轉(zhuǎn)為固定角度的平行光束，否則窄帶干涉濾波片的濾波效率將受到極大影響。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)未來發(fā)展前景分析

衍射光學(xué)元件是一種與傳統(tǒng)折反射元件不同，基于光的衍射原理發(fā)展起來的新型光學(xué)元件。衍射光學(xué)元件具有極高的衍射效率（理論上可達(dá)100%），可充分利用光能并有效的控制光波波前，且體積小和重量輕，可復(fù)制等優(yōu)點(diǎn)，具有傳統(tǒng)光學(xué)器件無法比擬的優(yōu)越性，越來越多的研究者開始進(jìn)行衍射光學(xué)元件在光學(xué)成像、激光直寫、光束整形等領(lǐng)域的應(yīng)用研究。

針對(duì)寬視角有增益系統(tǒng)的需要，可結(jié)合幾何光學(xué)器件和衍射光學(xué)器件的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行設(shè)計(jì)。利用幾何光學(xué)器件對(duì)波長(zhǎng)的通用性好，可以實(shí)現(xiàn)寬視角、大口徑聚光的特點(diǎn)，以及衍射光學(xué)器件易于實(shí)現(xiàn)光束的波前變換的特點(diǎn)，綜合構(gòu)成全適應(yīng)的寬視角、大口徑天線系統(tǒng)。與此同時(shí)，考慮實(shí)用需求的天線陣列化、精密角度判知、窄帶干涉濾波片入射角度需求等用來因素，達(dá)成對(duì)整個(gè)天線系統(tǒng)的的實(shí)用設(shè)計(jì)。

二元光學(xué)是基于光波衍射理論發(fā)展起來的，屬于微光學(xué)的主要分支之一，是光學(xué)與微電子技術(shù)相互滲透、交叉而形成的前沿學(xué)科。隨著微光學(xué)技術(shù)發(fā)展，傳統(tǒng)的棱鏡、透鏡，反射鏡等光學(xué)原件的尺寸開始微型化，其制造工藝越來越成熟，因而產(chǎn)生了微透鏡陣列，由于其體積小、質(zhì)量輕、易于陣列化與集成化等優(yōu)點(diǎn)已然成為又一新的科研發(fā)展方向，并被廣泛應(yīng)用于光束整形、光學(xué)器件互連、三維成像等領(lǐng)域。基于上述考慮，可將衍射微透鏡陣列加入到系統(tǒng)中，完成對(duì)相控陣掃描光束的實(shí)時(shí)接收和處理，這樣既避免了復(fù)雜昂貴的多鏡頭系統(tǒng)，并可以輕松實(shí)現(xiàn)無需輔助的電子控制設(shè)備的天線陣列化，達(dá)到擴(kuò)展接收面積、增大接收距離的效果。

當(dāng)應(yīng)用到寬視角的光學(xué)接收天線系統(tǒng)中時(shí)，微透鏡陣列最大的問題是有限的入射光束角度采樣記錄與連續(xù)變化的入射光束角度是否能夠匹配，并有可能出現(xiàn)串?dāng)_。有文獻(xiàn)表明，以菲涅爾數(shù)作為微透鏡列陣成像光刻系統(tǒng)中投影微透鏡列陣設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，判斷微透鏡列陣衍射光斑是否了發(fā)生串?dāng)_，此標(biāo)準(zhǔn)比較有效。進(jìn)而可減小微透鏡列陣優(yōu)化設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，提高微透鏡列陣優(yōu)化設(shè)計(jì)的效率。

5 結(jié)束語

微透鏡陣列作為陣列衍射光學(xué)元件的重要器件，正朝著微型化、多單元數(shù)的方向發(fā)展，再加上其自身衍射效率高、變換光束的靈活性、功能的集成性以及工作波段寬等優(yōu)點(diǎn)而在波前傳感、光聚能和光整形等光學(xué)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。在寬視角有增益的陣列化光學(xué)接收天線的進(jìn)一步研究中，微透鏡陣列將得到更深入的應(yīng)用。

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The Research and Progress on Optical Receiving Antenna of Wide Viewing Angle

The viewing angle division is generally used in optical receiving antenna of wide viewing angle, using more detectors or complex access system (such as fiber array), but it is mainly used for the orientation detection in optoelectronic countermeasures, not suitable for laser communication. Based on the field of space laser telecommunication and research progress on the optical antenna of wide viewing angle, the existing technology has been compared and analyzed. Considering the viewing angle, optical gain and aberration, this paper has put forward a new idea about this new system and set up a good foundation for the further research, focusing on the index demand of wide viewing angle and large aperture receiving area, which is based on the antenna array and a small receiving area for photoelectric detector to simple the structure and reduce the cost.

wide viewing angle；big gain；optical receiving antennas；space optical communication；phased array antenna；diffractive optical elements

O438

A

1008-1151(2012)06-0054-04

2012-04-23

孫文昌（1986－），男，山東青島人，電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向?yàn)楣庑畔⑻幚怼?/p>