空间激光通信远场模拟地面测试装置及测试方法

摘要

本发明提供一种空间激光通信远场模拟地面测试装置及测试方法。本发明的测试装置包括光终端A/B以及远场模拟计算机；光终端A/B通过1:1光分路器产生终端A/B光功率放大输入信号与远场仿真光路输入信号；在光终端A/B出瞳处CMOS相机A/B检测终端A/B发送光轴的偏移量；通过可控光衰减器A/B对空间光轴偏离角按指数衰减特性进行精确仿真。对数控衰减之后的光信号通过光合路器A/B加入了空间背景杂光；然后由多个反射镜入射到终端B/A前端的振镜处，由该振镜对卫星微振动环境进行仿真；通过独立远场仿真光路保证到达接收端B/A的光轴指向不变。本发明保证了测试结果的一致性与可重复性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种空间激光通信远场模拟地面测试装置及测试方法，可对空间光远场特性、异轨间光轴提前量、空间背景光、卫星微振动等复杂环境进行高精度的数控模拟，属于空间激光通信领域。

背景技术

空间激光通信是实现几千公里到上万公里最为有效的宽带通信手段，但在空间远距离通信环境与地面近距离测试环境下激光通信终端显示出完全不一样的测试结果。其主要原因是实际通信环境下的远场与地面测试中的近场对激光通信终端中APT光轴位置影响存在较大差异。

对于远距离太空中的两个激光通信终端，每一个终端接收光信号的光轴指向是两个终端中心的连接方向，而与发送终端光轴的调整无关。激光通信的束散角很小，一般从十几urad到几十urad，这样即使经过远距离的空间传输在接收端的光斑也很小：一般从几十米到上百米。在发送终端进行光轴调整时会导致接收端能量产生变化。

而对于地面两个近距离的激光通信终端，由于极小的束散角，近场中的光斑在传输时尺寸变化很小。这样当发射终端的发送光轴进行调整时，进入接收终端的光束大小与能量几乎保持不变。同时，由于发送终端的光轴调整，在接收终端马上就会检测出这种变化。

这种远场影响是与APT系统误差与通信距离密切相关，为了保证APT双向稳定跟踪一般要求APT跟踪误差小于

上式中：

也就是要求终端的通信距离满足下式时才能认为是远场传输：

在实际中按上式10倍的关系作为近场与远场的界线

对于目前较常用的激光通信终端参数：终端口径为

因而，在实验室或近距离双向测试与空间远距离的实际情况完全不相同。为了在地面验证空间激光通信远场环境下的实际跟瞄与通信结果，一般会在野外寻找有一定高度的山峰，在这一地面环境下进行远场实验。但在这种情况下，大气对激光能的影响：大气的湍流、吸收等又非常严重，会造成在接收端探测器上光斑的闪烁。这一环境又与空间激光通信的实际环境存在非常大的区别。

欧洲的SILEX项目为了对激光通信终端进行地面在轨测试仿真，设计了STB（System Test Bed）测试平台。在1999年SPIE期刊中论文“Silex final ground testingand in-flight performances assessment”对STB进行了报道。STB平台可以对远场光进行高度逼真地进行单向模拟：该模拟器真实评估了激光通信终端的发光束，并以准真实的光束发向激光通信终端。

除了欧洲外，日本、美国等相关研究机构也在空间激光通信地面测试与评估领域进行了大量工作，这些工作能在地面阶段对空间激光通信进行大量的远场模拟与测试，为保障空间激光通信的成功提供了优良的实验环境。

目前对于空间激光通信终端地面远场模拟测试的方式主要有：一是通过地面远距离仿真测试；另外是通过光学傅立叶变换并运用光束放大组件获取远场分布；还有是采用光纤探针的方式获取远场特性的光学信号。第一种方法会受到大气湍流的影响，即使在天气晴朗的环境下湍流环境仍然存在。第二、三种方法要求光学组件较多，在实际中装调较为复杂，系统稳定性差，同时与实际远场存在一定的误差。

发明内容

针对目前空间激光通信终端地面远场模拟测试环境存在的问题：装置复杂、稳定性差以及可重复性差的问题，本发明提出一种空间激光通信远场模拟地面测试装置及测试方法，克服了现有地面远场仿真技术在实现上的复杂性、测试装置稳定性差及测试上的不一致性，通过数控仿真技术可精确模拟空间远距离环境下的远场特性，保证了测试结果的一致性与可重复性。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

空间激光通信远场模拟地面测试装置，包括光终端A和光终端B两个激光通信终端以及远场模拟计算机；

其中所述光终端A的光调制器通过光纤连接一个1:1光分路器A，所述1:1光分路器A的两路输出中的一路以正常方式通过光终端A的光放大器，另一路作为远场模拟测试装置的输入光信号；光终端A出瞳处的发送光信号经过分波片A、衰减片A到达CMOS相机A，通过CMOS相机A检测终端A出瞳处光束的光轴偏移量；该偏移量经终端间等效延时之后通过可控光衰减器A，同时由轨道模型计算的理想提前量也送往该可控光衰减器A中；电平经控制之后的光信号经若干反射镜A到达模拟卫星微振动的振镜B；最达经分波片B到达接收终端B入瞳处；

所述光终端B的光调制器通过光纤连接一个1:1光分路器B，所述1:1光分路器B的两路输出中的一路以正常方式通过光终端B的光放大器，另一路作为远场模拟测试装置的输入光信号；光终端B出瞳处的发送光信号经过分波片B、衰减片B到达CMOS相机B，通过CMOS相机B检测终端B出瞳处光束的光轴偏移量；该偏移量经终端间等效延时之后通过可控光衰减器B，同时由轨道模型计算的理想提前量也送往该可控光衰减器B中；电平经控制之后的光信号经若干反射镜B到达模拟卫星微振动的振镜A；最达经分波片A到达接收终端A入瞳处；

所述远场模拟计算机中包括与所述振镜A连接的卫星微振动控制器A、与所述振镜B连接的卫星微振动控制器B、与所述CMOS相机A连接的空间光衰减模拟器A、与所述CMOS相机B连接的空间光衰减模拟器B、与所述空间光衰减模拟器A相连接的延时器A、与所述空间光衰减模拟器B相连接的延时器B、空间轨道生成模块。

进一步地，所述可控光衰减器A的输出与ASE噪声源A模拟背景光在合路器A中进行合路，合路器A的输出经准直器A形成空间平行光束，然后经由扩束器A形成与接收口径相当的平行光束，该平行光束所述反射镜A进入振镜B；所述可控光衰减器B的输出与ASE噪声源B模拟背景光在合路器B中进行合路，合路器B的输出经准直器B形成空间平行光束，然后经由扩束器B形成与接收口径相当的平行光束，该平行光束所述反射镜B进入振镜A。

进一步地，所述光终端A的出瞳信号光经分波片A、衰减片A、透镜A进入CMOS相机A；CMOS相机A处于透镜A的焦平面上；所述光终端B的出瞳信号光经分波片B、衰减片B、透镜B进入CMOS相机B；CMOS相机B处于透镜B的焦平面上。

进一步地，所述光终端A和所述光终端B分别包括光调制器、光放大器、光探测器、收发光学系统。

用上述空间激光通信远场模拟地面测试装置进行空间激光通信远场模拟地面测试的方法，该方法为：

所述空间轨道生成模块用于根据光终端A和光终端B的卫星轨道模型计算出理论提前量；在空间光模拟衰减器A中将理论提前量与CMOS相机A探测的发送光轴偏移量进行矢量相加，得到光终端B接收光轴偏移角，以该偏移角的指数衰减特性输出光终端B接收电平衰减值；同时模拟计算机根据光终端A和光终端B之间的距离对光终端B接收电平衰减值在延时器A中对传输时延进行仿真；延时器A输出的衰减量通过可控光衰减器A控制光终端B接收光信号电平；卫星微振动控制器A根据卫星微振动模型控制振镜A的振动；

所述空间轨道生成模块用于根据光终端A和光终端B的卫星轨道模型计算出理论提前量；在空间光模拟衰减器B中将理论提前量与CMOS相机B探测的发送光轴偏移量进行矢量相加，得到光终端A接收光轴偏移角，以该偏移角的指数衰减特性输出光终端A接收电平衰减值；同时模拟计算机根据光终端A和光终端B之间的距离对光终端A接收电平衰减值在延时器B中对传输时延进行仿真；延时器B输出的衰减量通过可控光衰减器B控制光终端A接收光信号电平；卫星微振动控制器B根据卫星微振动模型控制振镜B的振动。

有益效果：

1.本发明的光终端A的光调制信号经过1:1光分路器A，其中一路以正常方式通过终端A光放大器，在光终端A出瞳处发送光轴将由光终端A进行调整，这是一个变化量；另一路作为远场模拟测试装置的输入光信号，该信号经测试装置的准直器A、扩束器A等环节到达光终端B，光轴不会因光终端A光轴的调整而发生变化，到达光终端B的接收光轴是一个固定方向，同理光终端B的光调制信号到达光终端A的接收光轴也是一个固定方向，克服了现有地面远场仿真技术在实现上的复杂性、测试装置稳定性差及测试上的不一致性，通过数控仿真技术可精确模拟空间远距离环境下的远场特性，保证了测试结果的一致性与可重复性。

2.本发明根据卫星轨道参数计算光终端A指向的理想提前量，并与光终端A发送光轴偏移量共同完成对远场接收光能量的控制；通过这种机制可以对异轨通信环境下发送光轴提前量正确性进行测试。

3.本发明通过设置对远场接收光信号能量控制量的延时，模拟光终端A发送光经远距离空间传输到达光终端B的传输时间；该传输时间将对激光通信终端双向闭环跟踪的稳定性产生影响。根据检测到光终端A的发送光轴偏移量（考虑到提前量的影响）与远场接收电平的指数衰减关系，由轨道参数对发送终端A光轴提前量的准确性进行测试；对数控衰减之后的光信号通过光合路器A加入了空间背景杂光；然后由多个反射镜入射到终端B前端的振镜处，由该振镜对卫星微振动环境进行仿真；通过独立远场仿真光路保证到达接收端B的光轴指向不变。利用校正之后的数字可控光衰减器对光终端B接收的远场电平进行精确控制；控制范围不小于30dB，这已满足目前空间激光通信的需求。

4.本发明对于光终端A到光终端B的空间光传输，利用振镜B实现终端B卫星微振动仿真；该振动模型可测试APT跟踪技术在复杂微振动模型环境下的性能。

5.本发明可以对空间激光通信远场环境、异轨环境下的光轴提前量、卫星微振动环境、空间背景光环境进行系统性精确仿真测试。

附图说明

图1是激光通信远场距离示意图。

图2是本发明空间激光通信远场模拟地面测试装置组成框图。

具体实施方式

如图1-2所示，本实施例的空间激光通信远场模拟地面测试装置，在设计空间激光通信远场模拟系统时主要考虑以下因素：

（1）处于远场中的接收终端所接收的光轴方向与两终端中心连线相平行，发送终端发光轴调整不影响接收终端的收光轴指向；

（2）处于远场中的终端接收光轴与发送终端的发送光轴产生偏离时，则接收到的信号电平产生指数衰减：

（3）接收终端的微振动会引起CMOS相机或QD探测器光斑位置变化，只要接收终端处于接收视场内的角度位置不变则接收的信号量能保持不变；

（4）在异轨方式下提前瞄准角误差也将影响终端接收的信号电平，提前瞄准角为：

（5）激光通信终端探测器还会受到空间背景光的影响，但其在探测上的能量基本保持不变。

本实施例的空间激光通信远场模拟地面测试装置，包括光终端A和光终端B两个激光通信终端以及远场模拟计算机；

如图2所示，光分路器输出二路光信号，其中第一路经光纤输出到光终端A的光放大器输入端；第二路经光纤输出到可控光衰减器A。为了仿真空间背景光对激光通信的影响，可控光衰减器A的输出与ASE噪声源A模拟背景光在合路器A中进行合路。合路器输出经准直器A形成空间平行光束，然后经由扩束器A形成与接收口径相当的平行光束。该平行光通过45度反射镜A（该反射镜的位置与数量取决实际光路的空间分布）进入振镜B，最达经分波片B到达接收终端B入瞳处；

光终端B中的光调制信号经光纤输入到1:1光分路器B。光分路器输出二路光信号，其中第一路经光纤输出到光终端B的光放大器输入端；第二路经光纤输出到可控光衰减器B。为了仿真空间背景光对激光通信的影响，可控光衰减器B的输出与ASE噪声源B模拟背景光在合路器B中进行合路。合路器输出经准直器B形成空间平行光束，然后经由扩束器B形成与接收口径相当的平行光束。该平行光通过45度反射镜B（该反射镜的位置与数量取决实际光路的空间分布）进入振镜A；

本发明采用1:1的3dB光分路器，将光调制器的输出信号分成二路信号光。光分路器第一路输出信号光仍与光放大模块相连接。对于光放大器采用APC恒定功率输出。在此种配置下，可以测试激光通信终端收发隔离度对远场测试环境下性能的影响。光分路器第二路将进行适当的光学处理形成对端接收的远场信号。

所述远场模拟计算机中包括与所述振镜A连接的卫星微振动控制器A、与所述振镜B连接的卫星微振动控制器B、与所述CMOS相机A连接的空间光衰减模拟器A、与所述CMOS相机B连接的空间光衰减模拟器B、与所述可控光衰减器A相连接的延时器A、与所述可控光衰减器B相连接的延时器B，空间轨道生成模块。

进一步地，所述可控光衰减器A的输出与ASE噪声源A模拟背景光在合路器A中进行合路，合路器A的输出经准直器A形成空间平行光束，然后经由扩束器A形成与接收口径相当的平行光束，该平行光束所述反射镜A进入振镜B；所述可控光衰减器B的输出与ASE噪声源B模拟背景光在合路器B中进行合路，合路器B的输出经准直器B形成空间平行光束，然后经由扩束器B形成与接收口径相当的平行光束，该平行光束所述反射镜B进入振镜A。

进一步地，所述光终端A的出瞳信号光经分波片A、衰减片A、透镜A进入CMOS相机A；CMOS相机A处于透镜A的焦平面上；所述光终端B的出瞳信号光经分波片B、衰减片B、透镜B进入CMOS相机B；CMOS相机B处于透镜B的焦平面上。

进一步地，所述光终端A和所述光终端B分别包括光调制器、光放大器、光探测器、收发光学系统。

用上述空间激光通信远场模拟地面测试装置进行空间激光通信远场模拟地面测试的方法，该方法为：

所述空间轨道生成模块用于根据光终端A和光终端B的卫星轨道模型计算出理论提前量；在空间光模拟衰减器A中将理论提前量与CMOS相机A探测的发送光轴偏移量进行矢量相加，得到光终端B接收光轴偏移角，以该偏移角的指数衰减特性输出光终端B接收电平衰减值；同时模拟计算机根据光终端A和光终端B之间的距离对光终端B接收电平衰减值在延时器A中对传输时延进行仿真；延时器A输出的衰减量通过可控光衰减器A控制光终端B接收光信号电平；卫星微振动控制器A根据卫星微振动模型控制振镜A的振动；

所述空间轨道生成模块用于根据光终端A和光终端B的卫星轨道模型计算出理论提前量；在空间光模拟衰减器B中将理论提前量与CMOS相机B探测的发送光轴偏移量进行矢量相加，得到光终端A接收光轴偏移角，以该偏移角的指数衰减特性输出光终端A接收电平衰减值；同时模拟计算机根据光终端A和光终端B之间的距离对光终端A接收电平衰减值在延时器B中对传输时延进行仿真；延时器B输出的衰减量通过可控光衰减器B控制光终端A接收光信号电平；卫星微振动控制器B根据卫星微振动模型控制振镜B的振动。

测试案例：

某两卫星通信距离为20000Km，终端天线口径为80mm，束散角（全角）为41urad。双向通信速率为5Gbps，在采用相干方式时接收机灵敏度为-52.4dBm。终端光调制模块输出光功率为-3dBm。光放大器最小输入光功率为-10dBm，可以满足外部采用1:1分路方式。

光调制模块输出经1:1分路之后连接到光衰减模块。光衰减模块采用嘉慧公司固定衰减器JW3303与ThorLabs公司的可控衰减器V1550A相结合的方式。考虑到激光通信终端进行双向跟踪时一般工作于远场半功率角范围内，同时系统备余量一般取3dB。这样固定衰减模块总衰减量为：

V1550A空间光衰减模拟器支持光谱范围为：1250nm-1650nm，最大衰减量达30dB。考虑到该模块衰减量与输入电压之间的非线性关系，需要对输入控制量进行线性化校正。对于可控衰减器的最小衰减量需要在上式

对于激光通信终端发射光轴检测采用1550nm的短波红外相机，光斑解算采用阀值可调质心算法，质心解算精度要求不低于0.25个像素。利用解算出角度

对于衰减器控制量的延时量根据两个终端间实际距离在软件中进行精确延时。

光路中的准直器、扩束器、透镜、衰减片可采用标准化光模块或定制模块。反射镜的位置与数量取决于实际光路的需求，微振动仿真振镜可采用大角范围的音圈振镜或小角范围的压电振镜。

在对微振动环境进行仿真时，采用三个离散谱分量与连续谱分量相结合的方式进行。其中离散谱为：频率为1Hz振幅为100urad的离散分量对应于卫星平台太阳能帆板运动仿真；在100Hz、200Hz处振幅分别为4urad、0.6urad对应卫星飞轮的基波及二次谐波的仿真。对卫星平台振动连续谱分量采用以下函数仿真：

上式中：

上述光路精确地对空间远场、微振动、双向激光通信环境进行了精确仿真，可为空间激光通信提供了可靠的测试环境。

以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。