空間激光通信地面測(cè)試模擬平臺(tái)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間激光通信領(lǐng)域，特別是涉及一種空間激光通信地面測(cè)試模擬平 臺(tái)。
【背景技術(shù)】
[0002] 空間激光通信系統(tǒng)作為一種有效載荷，無論是在研制完成后，還是在發(fā)射之前，都 要對(duì)其主要的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，例如，跟瞄精度、捕獲特性、通信誤碼 率等。一般空間激光通信的距離為幾百公里至幾十萬公里，甚至更遠(yuǎn)，而光端機(jī)的口徑在幾 厘米到幾十厘米，所以，光信號(hào)的接收為遠(yuǎn)場(chǎng)接收?？臻g激光通信地面測(cè)試可分為系統(tǒng)級(jí)別 的測(cè)試、分系統(tǒng)或模塊級(jí)別的測(cè)試以及元件級(jí)別的測(cè)試。發(fā)射端機(jī)和接收端機(jī)可以統(tǒng)稱為 通信端機(jī)，簡(jiǎn)稱為端機(jī)。發(fā)射端機(jī)和接收端機(jī)共同組成一個(gè)相互耦合的系統(tǒng)，而所謂端機(jī) 級(jí)系統(tǒng)測(cè)試是指在實(shí)驗(yàn)室近距離條件下，兩個(gè)通信端機(jī)整機(jī)，直接互相對(duì)準(zhǔn)，進(jìn)行捕獲、跟 瞄、通信等性能指標(biāo)的測(cè)試。端機(jī)級(jí)的系統(tǒng)性能測(cè)試的優(yōu)點(diǎn)是"所見即所得"，即，其測(cè)試結(jié) 果直接代表著被測(cè)光通信系統(tǒng)在軌時(shí)的特性，而不需要再用仿真模型，推斷在軌時(shí)的性能， 是一種與在軌情形最為接近地面測(cè)試方法，系統(tǒng)級(jí)別的測(cè)試在信道上一定是存在雙向的光 信號(hào)。國(guó)內(nèi)外比較典型的地面驗(yàn)證與測(cè)試系統(tǒng)有：歐空局ESA在SILEX計(jì)劃中的地面支撐 測(cè)試設(shè)備 TTOGSE (Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái) STB(System Test Bed)、日本星間激光通信實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的驗(yàn)證系統(tǒng)GOAL(Ground Optical Assistance for LUCE)、日本ART光通信和射頻通信研宄室研宄的自由空間激光傳輸模擬 器、美國(guó)噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 JPL開發(fā)了 LTES(Lasercom Test and Evaluation Station)測(cè)試 系統(tǒng)以及北京大學(xué)研制的激光通信遠(yuǎn)場(chǎng)特性參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)。
[0003] 上述測(cè)試系統(tǒng)都是在近距離實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的與光信號(hào)相關(guān)的測(cè)試，其最終目 的就是得到端機(jī)未來在軌時(shí)的特性。無論什么樣的地面驗(yàn)證與測(cè)試系統(tǒng)，欲使其測(cè)試結(jié)果 等價(jià)于實(shí)際在軌時(shí)的情形，必須滿足光遠(yuǎn)場(chǎng)條件，或者模擬遠(yuǎn)場(chǎng)條件。在地面，由于大氣的 影響，采用把發(fā)射端機(jī)和接收端機(jī)拉開遠(yuǎn)場(chǎng)距離的方法顯然是不現(xiàn)實(shí)的，解決的方法有三 種，一種是拆掉光學(xué)天線進(jìn)行測(cè)試的方法，由于光束口徑變小，遠(yuǎn)場(chǎng)條件容易得到滿足，如 上文提到的ESA的SILEX計(jì)劃就是采用這種方法，該方法后續(xù)要進(jìn)行配套的部件、元件的 測(cè)試以及計(jì)算機(jī)仿真，才能間接得到端機(jī)系統(tǒng)在軌時(shí)的特性，過程繁冗，無法實(shí)現(xiàn)整機(jī)的測(cè) 試。另一種解決方法是采用長(zhǎng)焦距的透鏡進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)模擬，這種方法是把端機(jī)發(fā)出的光束用 一套長(zhǎng)焦距的透鏡（實(shí)際也可能采用反射式的），在其焦平面上即可得到模擬的遠(yuǎn)場(chǎng)光信 號(hào)，為了使對(duì)方接收端機(jī)接收到與其在空間在軌時(shí)相對(duì)應(yīng)的光功率，常使用一微孔在焦平 面進(jìn)行波面取樣，取樣后的光信號(hào)傳遞給對(duì)方接收端機(jī)，微孔的尺寸按比例，對(duì)應(yīng)于空間實(shí) 際接收天線的口徑。這種測(cè)試方法雖然是整機(jī)的測(cè)試，但只是實(shí)現(xiàn)了單方向的信號(hào)傳輸，而 實(shí)際的激光通信系統(tǒng)，需要每一個(gè)通信端機(jī)必須跟蹤對(duì)方的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)雙向鎖定，即，信道 上的光束一定是雙向的。還有一種是模擬遠(yuǎn)場(chǎng)的測(cè)試方法，這種方法的原理是，由于在光通 信中，光信號(hào)的接收是遠(yuǎn)場(chǎng)接收，接收天線的口徑相對(duì)于入射波面的曲率非常小，因此，在 接收端機(jī)接收口徑范圍內(nèi)，入射光信號(hào)可以看成是均勻的平行光。根據(jù)這一原理，在一些地 面驗(yàn)證與測(cè)試方法當(dāng)中，比如，跟瞄精度的測(cè)試，采用的是一束模擬的平行光束，入射到通 信端機(jī)中，以此來模擬對(duì)方端機(jī)發(fā)射的光束。這種方法仍然是屬于單機(jī)的測(cè)試。
[0004] 上述三種滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的測(cè)試方法，或者不是整機(jī)的性能測(cè)試，或者在信道上僅 存在單向信號(hào)，與實(shí)際的雙向信號(hào)不符，或者只是單個(gè)通信端機(jī)的測(cè)試，尚未實(shí)現(xiàn)兩個(gè)端機(jī) 整機(jī)直接對(duì)準(zhǔn)的系統(tǒng)級(jí)的測(cè)試。
[0005] 另一方面，目前國(guó)內(nèi)外地面驗(yàn)證與測(cè)試系統(tǒng)，僅僅考慮了光學(xué)遠(yuǎn)場(chǎng)的條件，沒有考 慮衛(wèi)星間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)、大氣信道等因素的影響。例如，在星地激光通信鏈路中，大氣信道對(duì) 光傳輸?shù)挠绊懯遣豢杀苊獾摹?br>[0006] 綜上所述，現(xiàn)有的空間激光通信地面驗(yàn)證與測(cè)試技術(shù)，尚未實(shí)現(xiàn)在近距離處、端機(jī) 級(jí)的系統(tǒng)測(cè)試，即近距離的直接端機(jī)間對(duì)準(zhǔn)性能測(cè)試。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種空間激光通信地面測(cè)試模擬平 臺(tái)，基于該平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)空間激光通信端機(jī)級(jí)的系統(tǒng)測(cè)試，即兩個(gè)通信端機(jī)在近距離處進(jìn) 行直接對(duì)準(zhǔn)性能測(cè)試。
[0008] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：
[0009] 一種空間激光通信地面測(cè)試模擬平臺(tái)，包括A端望遠(yuǎn)鏡1、A端分光光路2、A端指 向誤差源模擬器3、A端遠(yuǎn)場(chǎng)接收模擬器4、A端準(zhǔn)直光路5、A端大氣信道模擬器6、B端背 景光模擬器7、AB合束光路8、B端振動(dòng)-相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器9、B端分光光路10、B端望遠(yuǎn)鏡 11、B端指向誤差源模擬器12、B端遠(yuǎn)場(chǎng)接收模擬器13、B端準(zhǔn)直光路14、B端大氣信道模 擬器15、A端背景光模擬器16、BA合束光路17、A端振動(dòng)-相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器18以及計(jì)算機(jī) CPU19;被測(cè)端機(jī)AT和被測(cè)端機(jī)BT共同組成一個(gè)光通信系統(tǒng)，被測(cè)端機(jī)AT所發(fā)出的平行光 束A1首先經(jīng)過A端望遠(yuǎn)鏡1進(jìn)行縮束，出射的光束為窄口徑的平行光束A2 ;光束A2經(jīng)過A 端分光光路2出射光束A3進(jìn)入到A端指向誤差源模擬器3,出射方向產(chǎn)生抖動(dòng)的平行光束 A4 ;光束A4進(jìn)入到A端遠(yuǎn)場(chǎng)接收模擬器4中，出射發(fā)散光束A5 ;光束A5經(jīng)過A端準(zhǔn)直光路 5進(jìn)行準(zhǔn)直之后，變?yōu)檎趶降钠叫泄馐鳤6,進(jìn)入到A端大氣信道模擬器6中，出射幅度和 相位發(fā)生變化的光束A7 ;光束A7經(jīng)過AB合束光路8與來自于B端背景光模擬器7的光束 合束，變成一束光A8出射；光束A8進(jìn)入到B端振動(dòng)-相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器9中，出射方向發(fā)生 變化的光束A9 ;光束A9進(jìn)入到B端分光光路10,出射光束A10 ;光束A10進(jìn)入到B端望遠(yuǎn) 鏡11中，變成寬口徑的光束All出射；光束All再進(jìn)入到被測(cè)端機(jī)BT中；同時(shí)被測(cè)端機(jī)BT 回饋出射的寬口徑光束B1首先經(jīng)過B端望遠(yuǎn)鏡11變成窄口徑平行光束B2 ;光束B2經(jīng)過 B端分光光路10出射光束B3 ;光束B3進(jìn)入到B端指向誤差源模擬器12中，出射抖動(dòng)平行 光束B4 ;光束B4進(jìn)入到B端遠(yuǎn)場(chǎng)接收模擬器13中，出射發(fā)散光束B5 ;光束B5經(jīng)過B端準(zhǔn) 直光路14準(zhǔn)直之后，變?yōu)檎趶狡叫泄馐鳥6,進(jìn)入到B端大氣信道模擬器15中；從B端大 氣信道模擬器15出射幅度和相位發(fā)生變化的光束B7經(jīng)過BA合束光路17與來自于A端背 景光模擬器16的光束合束，變成一束光B8 ;光束B8進(jìn)入到A端振動(dòng)-相對(duì)運(yùn)動(dòng)模擬器18 中，出射方向發(fā)生變化的光束B9 ;光束B9進(jìn)入到A端分光光路2中，出射光束B10進(jìn)入到A 端望遠(yuǎn)鏡1中，從A端望遠(yuǎn)鏡1出射寬口徑的光束B11 ;光束B11再進(jìn)入到被測(cè)端機(jī)AT中。
[0010] 上述空間激光通信地面測(cè)試模擬平臺(tái)還包括第一光路轉(zhuǎn)折平面反射鏡20和第二 光路轉(zhuǎn)折平面反射鏡21 ;從被測(cè)端機(jī)BT反饋的出射光束經(jīng)過B端分光光路10之后，反射 到第一光路轉(zhuǎn)折平面反射鏡20上，出射光束隨后經(jīng)過B端指向誤差源模擬器12, B端指向 誤差源模擬器12出射的光束經(jīng)過第二光路轉(zhuǎn)折平面反射鏡21，再進(jìn)入到B端遠(yuǎn)場(chǎng)接收模擬 器13中。
[0011] 上述空間激光通信地面測(cè)試模擬平臺(tái)中，進(jìn)一步地，A端望遠(yuǎn)鏡1和B端望遠(yuǎn)鏡11 結(jié)構(gòu)相同，均包括入射窗111、第一非球面反射鏡112、第二非球面反射鏡113、第三非球面 反射鏡114、平面反射鏡115、出射窗116、真空泵117和密封真空罐118 ;第一非球面反射鏡 112和第二非球面反射鏡113組成一個(gè)等效物鏡；第三非球面反射鏡114相當(dāng)于目鏡，它的 焦點(diǎn)與第一非球面反射鏡112和第二非球面反射鏡113組成的等效物鏡的焦點(diǎn)共焦；入射 窗111、第一非球面反射鏡112、第二非球面反射鏡113、第三非球面反射鏡114、平面反射鏡 115及出射窗116均位于密封真空罐118內(nèi)部；真空泵117位于密封真空罐118外部，其通 過閥門管道與密封真空罐118連接；第一非球面反射鏡112、第二非球面反射鏡113、第三非 球面反射鏡114均為離軸非球面反射元件；從AT或BT發(fā)射的光束，首先由入射窗111入射 到第一非球面反射鏡112,出射光束到第二非球面反射鏡113,再從第二非球面反射鏡113 出射光束到第三非球面反射鏡114,出射的光束經(jīng)過平面反射鏡11