大气湍流对空间激光通信影响测试装置

摘要

本发明提供的大气湍流对空间激光通信影响测试装置，由发射终端和接收终端构成；发射终端由扩束镜(1)，扩束镜(2)、扩束镜(3)、固定机构(4)、半导体激光器阵列(5)、俯仰转台(6)和航向转台(7)构成；接收终端由可调光阑(8)、卡式系统(9)、透镜(10)、透镜(11)、光电探测器(12)、计算机(13)、透镜(14)、CCD相机(15)、底板(16)、俯仰转台(17)、航向转台(18)和分光棱镜(19)构成；该测试装置可实现大气湍流对激光通信影响测试，可以测量大气折射率常数，可以验证不同的接收口径，不同CCD积分时间，多口径发射时大气的闪烁方差；可以给出光强的时域和空域分布情况。

说明书

技术领域

本发明涉及大气湍流对空间激光通信系统影响测试装置，属于空间激光通信技术领域。

技术背景

激光通信系统以激光作为信息载体，激光的高度相干性和空间定向性，决定了空间激光通信与RF通信相比在许多方面优势明显：抗干扰能力强、安全性好、设备体积小、重量轻、频谱不受管制、功耗低、系统机动性强、造价低、透明传输协议等。但是由于大气湍流的影响当激光在湍流大气传输时，使得光波的相干性退化、相位起伏、达到角起伏、光强起伏等因素，对激光通信系统的光束捕获、对准和跟踪分系统的跟踪精度、通信速率和带宽、误码率等都将产生影响。实际上大气对激光通信系统的影响还包括大气分子的吸收、散射等因素影响，对于吸收散射等分子影响已经有明确的数学模型来描述和分析了，但是对于大气湍流的影响由于人们对大气湍流的数学模型描述还不是十分完善，所以湍流对激光通信系统的影响到目前位置也没有建立起完整的数学模型，其分析方法都是通过实验来进行的，而且其实验系统都是单一的验证大气的某一个特征参数(马晓珊，朱文越，饶瑞中，测量大气折射率结构常数的大口径激光闪烁仪及方法，专利申请号：200710024298.X)。这就需要建立一个的实验装置系统，使它能够把湍流对激光通信系统的影响验证出来，同时能够测量湍流的特征参数，对激光在湍流大气中的传输给出理论与实践的指导。

发明内容

为了验证湍流大气对激光通信的影响及其具体改进措施。本发明的目的在于提供大气湍流对空间激光通信影响测试装置。

本发明提供的大气湍流对空间激光通信影响测试装置的构成如下：

本方明装置由发射终端和接收终端两个部分构成，如图1和图2所示。

如图1所示，所述的发射终端由扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3，固定机构4，半导体激光器阵列5，俯仰转台6，航向转台7构成；

所述的扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3是固定在固定机构4上的，且它们之间的相对位置可以调整；扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3通过光纤分别与半导体激光器阵列5联在一起，固定机构4与半导体激光器阵列5一起固定在俯仰转台6上，俯仰转台6固定在航向转台7上；

如图2所示，所述的接收终端由可调光阑8，卡式系统9，透镜10，透镜11，光电探测器12，计算机13，透镜14，CCD相机15，底板16，俯仰转台17，航向转台18，分光棱镜19构成；

所述的可调光阑8安放在卡式系统9前端；卡式系统9，透镜10，透镜11，光电探测器12，计算机13，透镜14，CCD相机15，分光棱镜19都安装在底板16上，底板16固定在俯仰转台17上，俯仰转台17固定在航向转台18上；透镜10安放在卡式系统9的焦点处，光电探测器12安放在透镜11的焦点处，CCD相机15安放在透镜14的焦点处，分光棱镜19将透镜10的平行光束分为两束，一束光送给透镜11，一束光送给透镜14；光电探测器12通过数据线与计算机13相连，CCD相机15通过数据线与计算机13相连。

本发明提供的大气湍流对空间激光通信影响测试装置的测量过程如下。

大气折射率常数C_n²的测量：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11，透镜14后分别被光电探测器12和CCD相机15所接收，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，应用如下公式可以求取C_n²，此值为时域方差：

${\beta }_I^2=1.23·k^{7/6}·L^{11/6}·C_n^2$

式中k＝2π/λ，λ为半导体激光器阵列5发射激光波长值，L为发射终端与接收终端间的距离，可以通过GPS测量或者通过地图查找即可。

CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，应用如下公式可以求取C_n²，此值为空域方差：

${\beta }_I^2=1.23·k^{7/6}·L^{11/6}·C_n^2$

式中k＝2π/λ，λ为半导体激光器阵列5发射激光波长值，L为发射终端与接收终端间的距离，可以通过GPS测量或者通过地图查找即可。

孔径平滑对激光通信影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11，透镜14后分别被光电探测器12和CCD相机15所接收，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，重复上述过程可调光阑8调制为10cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为8cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为6cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为4cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为2cm，解算出闪烁方差；根据不同口径下解算出的闪烁方差进行比较，随着口径的减小，统计闪烁方差逐渐增大，最终出现湍流饱和现象通信误码率都大大提高，甚至通信失败，可以验证孔径平滑效应对激光通信的影响。

CCD积分时间对激光通信影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜14后被CCD相机15所接收，CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²，β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，重复上述过程改变CCD相机的积分时间，得到不同CCD积分时间下的闪烁方差；根据不同CCD积分时间解算出的闪烁方差进行比较，随着CCD积分时间的增大，统计闪烁方差逐渐减小，半导体激光器阵列5发射激光的图像的光强趋于稳定，容易获得较高的跟踪精度，验证不同CCD积分时间对激光通信系统的影响。

多孔径发射对激光通信的影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11后被光电探测器12，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差。

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11后被光电探测器12，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差。

将使用单个激光器得到的光强闪烁统计方差与使用三个激光器得到的光强闪烁统计方差相比较，使用三个激光器得到的光强闪烁统计方差小于单个激光器得到的光强闪烁统计方差，可以验证多孔径发射对激光通信的影响。

本发明的有益效果：大气湍流对空间激光通信影响测试装置，可以测量大气折射率常数同时可以验证不同的接收口径，不同CCD积分时间，多口径发射时大气的闪烁方差。使用光电探测器与CCD探测器件相组合测量大气折射率常数，可以给出光强的时域和空域分布情况，有效的提高了大气折射率测量准确性，为激光在大气中传输的理论分析与实验验证打下基础。

附图说明

图1和图2是大气湍流对空间激光通信影响测试装置结构示意框图。其中，图1发射终端机构组成示意框图；图2接收终端机构组成示意框图。

具体实施方式

实施例1

实施例1使用的卡式系统：接收口径为20mm～250mm(可调)，光电探测器选用pin光电二级管BPW34B，CCD选用TCB230，激光器选用波长为532nm的大功率激光器，分光棱镜分光比为1∶1且消偏振。

本方明装置由发射终端和接收终端两个部分构成，如图1和图2所示。

如图1所示，所述的发射终端由扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3，固定机构4，半导体激光器阵列5，俯仰转台6，航向转台7构成；

所述的扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3是固定在固定机构4上的，且它们之间的相对位置可以调整；扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3通过光纤分别与半导体激光器阵列5联在一起，固定机构4与半导体激光器阵列5一起固定在俯仰转台6上，俯仰转台6固定在航向转台7上；

如图2所示，所述的接收终端由可调光阑8，卡式系统9，透镜10，透镜11，光电探测器12，计算机13，透镜14，CCD相机15，底板16，俯仰转台17，航向转台18，分光棱镜19构成；

所述的可调光阑8安放在卡式系统9前端；卡式系统9，透镜10，透镜11，光电探测器12，计算机13，透镜14，CCD相机15，分光棱镜19都安装在底板16上，底板16固定在俯仰转台17上，俯仰转台17固定在航向转台18上；透镜10安放在卡式系统9的焦点处，光电探测器12安放在透镜11的焦点处，CCD相机15安放在透镜14的焦点处，分光棱镜19将透镜10的平行光束分为两束，一束光送给透镜11，一束光送给透镜14；光电探测器12通过数据线与计算机13相连，CCD相机15通过数据线与计算机13相连。

本发明提供的大气湍流对空间激光通信影响测试装置的测量过程如下。

大气折射率常数C_n²的测量：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11，透镜14后分别被光电探测器12和CCD相机15所接收，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，应用如下公式可以求取C_n²，此值为时域方差：

${\beta }_I^2=1.23·k^{7/6}·L^{11/6}·C_n^2$

式中k＝2π/λ，λ为半导体激光器阵列5发射激光波长值，L为发射终端与接收终端间的距离，可以通过GPS测量或者通过地图查找即可。

CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，应用如下公式可以求取C_n²，此值为空域方差：

${\beta }_I^2=1.23·k^{7/6}·L^{11/6}·C_n^2$

式中k＝2π/λ，λ为半导体激光器阵列5发射激光波长值，L为发射终端与接收终端间的距离，可以通过GPS测量或者通过地图查找即可。

孔径平滑对激光通信影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11，透镜14后分别被光电探测器12和CCD相机15所接收，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²，β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，重复上述过程可调光阑8调制为10cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为8cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为6cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为4cm，解算出闪烁方差；重复上述过程可调光阑8调制为2cm，解算出闪烁方差；根据不同口径下解算出的闪烁方差进行比较，随着口径的减小，统计闪烁方差逐渐增大，最终出现湍流饱和现象通信误码率都大大提高，甚至通信失败，可以验证孔径平滑效应对激光通信的影响。

CCD积分时间对激光通信影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜14后被CCD相机15所接收，CCD相机15把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差，重复上述过程改变CCD相机的积分时间，得到不同CCD积分时间下的闪烁方差；根据不同CCD积分时间解算出的闪烁方差进行比较，随着CCD积分时间的增大，统计闪烁方差逐渐减小，半导体激光器阵列5发射激光的图像的光强趋于稳定，容易获得较高的跟踪精度，验证不同CCD积分时间对激光通信系统的影响。

多孔径发射对激光通信的影响：

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1，扩束镜2，扩束镜3后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11后被光电探测器12，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差。

半导体激光器阵列5发射激光，经过扩束镜1后激光进入湍流大气，可调光阑8调制孔径最大为20cm，光束进入卡式系统9，通过透镜10，分光棱镜19，透镜11后被光电探测器12，光电探测器12把接收到的光信号转换为电信号，将此电信号送入计算机中行统计处理求其方差β_I²。β_I²为弱湍流条件下平面波的归一化光强起伏方差。

将使用单个激光器得到的光强闪烁统计方差与使用三个激光器得到的光强闪烁统计方差相比较，使用三个激光器得到的光强闪烁统计方差小于单个激光器得到的光强闪烁统计方差，可以验证多孔径发射对激光通信的影响。

大气湍流对空间激光通信影响测试装置，可以测量大气折射率常数同时可以验证不同的接收口径，不同CCD积分时间，多口径发射时大气的闪烁方差。使用光电探测器与CCD探测器件相组合测量大气折射率常数，可以给出光强的时域和空域分布情况，有效的提高了大气折射率测量准确性，为激光在大气中传输的理论分析与实验验证打下基础。