高准确度光束偏转装置的设计与分析

　　0　引言

　　在卫星激光通信系统中,跟瞄性能是保证系统通信质量的关键,尤其是精跟瞄的性能要求很高,一般需要达到十几个甚至几个微弧度[1],此时已接近衍射极限[2].在进行飞行测试之前,必须对如此高准确度激光通信终端的动静态性能进行精密测量[3,4],因此就需要设计出更高准确度的检测设备.

　　星间激光通信精跟瞄性能检测是通过模拟光束高准确度偏转来实现的,主要有万向架法、反射型方法、折射型方法和等效棱镜方法等·万向架法[5]、反射型方法和等效棱镜方法[6]的共同缺点是结构复杂、控制困难、准确度难以保证;折射型方法主要有单棱镜折射[7]和双棱镜同轴旋转折射[8],前者难以满足精跟瞄时光束多维变化的要求,后者的机械结构较复杂,难以实现高准确度的跟踪模拟.本文第一次以双棱镜小角度正交旋转实现了光束在小视场内亚微弧度量级的偏转,整体结构简单,控制方便.并推导了光束通过正交双棱镜的偏转表达式,分析了影响光束偏转准确度的主要因素,对各个误差项值进行计算,评价了装置的准确度指标.该装置可以满足通信终端精跟瞄动静态性能检测的要求,并可应用于其他小视场光束传递检测.

　　1　装置的设计原理

　　1.1　设计原理

　　图1为本装置的光学原理,两个绕正交轴旋转的相同棱镜为本装置的光学元件,其主截面位置相互垂直,棱角均为α·分别受驱动力F1和F2的作用,第一个棱镜绕水平轴旋转,第二个棱镜绕垂直轴旋转.入射光束折射后在水平方向和垂直方向产生精确的光束偏转.

　　建立直角坐标系XYZ,第一个棱镜的主截面位于XOZ面内,薄端指向X轴负方向,绕Y轴旋转;第二个棱镜的主截面位于YOZ面,薄端指向Y轴正方向,绕X轴旋转·两个棱镜的楔形面都朝内.规定棱镜旋转方向逆时针为正,顺时针为负,转动角度分别为θ1和θ2.利用矢量折射定理,可以得到入射光束偏转后在水平方向和垂直方向的视场范围.为简化分析,设单色光束沿Z轴正向垂直XOY面入射,则入射矢量A1=(0,0,1),光束经过第一个棱镜后的出射矢量为

　　定义视场以垂直张角和水平张角来表示.垂直张角即出射光束在XOZ面内的投影和Z轴的夹角;水平张角即出射光束在YOZ面内的投影和Z轴的夹角.根据式(4),垂直张角和水平张角的表达式为

　　1.2　设计结果

　　本装置的设计指标为:光束偏转范围为500μrad,在整个偏转范围内光束的偏转角准确度优于0.8μrad(1σ).考虑到机械结构,限制两个棱镜的最大旋转角度不大于7°.

　　按照这个要求,根据式(2)和(3)选取棱角,棱角越小光束的偏转准确度就越高,但是相同的棱镜转角下光束的偏转范围就越小,棱角大则情况相反[8]·本装置取棱角α为4°,此时棱镜每旋转1arcmin,光束变化约为1μrad量级.