【摘　要】论文主要研究了光学天线系统的设计原理及方法，设计出一套中心波长为

 1550nm

波段的光学天线系统，对设计的系统进行了加工实现、测试及性能分析。通过对卡塞格伦天
线结构的建模分析和光学设计软件

Zemax 的应用，优化设计出主镜和次镜均为非球面镜、

中心波长为

 1550nm、视场角为 1°的卡塞格伦光学天线，并对卡塞格伦天线离焦对天线发散

角的影响、增益、准直特性、成像质量及传输效率进行了分析。利用

 Zemax 优化设计了收发合

一的光学天线系统。在系统中，利用分色镜和分束镜实现收发隔离及多光路需求。对各个光
学元件的材料进行了分析和选择。
　　【关键词】空间光通信

;光学系统设计;光学天线;增益;偏轴

　　

0.引言

　　随着航天技术的不断发展

, 目前围绕地球轨道运行着数以千计的各种飞行器, 这些飞行

器之间以及飞行器与地面站之间都需要进行通信。庞大的通信数据量给通信系统带来极大的
挑战

, 同时大量卫星通信地面站的建立也会带来庞大的地面运行、维护费用及大量的地面运

行维护人员

, 这些都会降低系统的效率、可靠性及保密性。因此, 建立卫星与卫星间的通信链

路

——中继星及中继链路变得势在必行。相对于传统的通信方式相比，空间光通信的主要优

点是：
　　

(1)具有微米级的波束发散角。(2)高数据传输率。(3)体积小、重量轻。(4)架设灵活方便。(5)

保密性强。

(6)无需申请频率。(7)经济性适用性强。

　　

1.空间光通信中光学天线系统设计

　　

1.1 光学系统设计概述

　　随着科技的飞速发展，光学仪器已普遍应用在社会的各个领域。光学系统作为光学仪器
的核心部分，其像质的优劣决定了光学仪器整体质量的好坏。然而，一个好的光学系统是靠
好的光学设计去实现的。所以，光学系统设计是实现各种光学仪器的基础。所谓的光学系统
设计，就是根据仪器所提出的使用要求，来确定满足各种使用要求的数据，即设计出光学
系统的外形体积、重量、性能参数和各光组的结构等。
　　光学系统设计是

20 世纪发展起来的一门学科，至今已经历了一个漫长的过程。最初生

产的光学仪器是利用人们直接磨制的各种透镜，并把它们按不同情况进行组合，找出成像
质量比较好的结构。但这需要花费很长的时间、人力和物力，而且未必能找到满意的结构。所
以，后来便用计算的方法代替这过程，即利用

“光路计算”或“像差计算”来确定光学系统的

结构参数。与实际制作透镜相比，这当然是一个很大的进步，但这样的方法仍然不能满足光
学仪器生产的需要。因为光学系统的结构参数与像差之间的关系相当复杂，要找到一个理想
的结果，需要经过长期的计算过程。光学系统设计经历了人工设计和光学自动设计两个阶段，
实现了由手工计算像差、人工修改结构参数进行设计，到使用电子计算机和光学自动设计程
序进行设计的巨大飞跃。
　　

1.2 光学系统设计概述过程

　　

(1)根据使用要求制定合理的技术指标。从光学系统对使用要求满足程度出发，制定光

学系统合理的技术指标。
　　

(2)光学系统总体设计。这过程的核心是确定光学原理方案和外形尺寸计算，一般都按

理想光学系统的理论和计算公式进行外形尺寸计算。
　　

(3)光学部件的设计。一般包括选型、确定初始结构参数和像差校正三个阶段。

　　

(4)长光路的拼接和统算。以总体设计为依据，以像差评价为准绳，来进行长光路的拼

接和统算。若结果不合理，则应反复计算并调整各光组的位置和结构，直到达到预期目标为
止。
　　

1.3 学系统设计软件

　　常用的光学设计软件有两类，一种用于设计照明系统，另一种用于设计成像系统。常用