一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法。本發(fā)明的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)包括：縮束望遠(yuǎn)鏡、發(fā)射誤差源模擬器、聚焦光路、光纖探針、第一準(zhǔn)直光路、大氣信道模擬器、背景光模擬器、合束光路、振動-相對運(yùn)動模擬器和擴(kuò)束光路；其中，縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成一個等效傅立葉變換透鏡，在其焦平面的位置設(shè)置光纖探針，得到入射光束的遠(yuǎn)場分布。本發(fā)明與傳統(tǒng)的采用微孔的模擬方法相比，模擬的通信距離從1000公里以內(nèi)，擴(kuò)大到50萬公里，提高了約500倍；考慮了大氣信道、衛(wèi)星平臺的振動、背景光源等因素對接收信號的影響，更貼近空間激光通信端機(jī)在軌時的情形；整體結(jié)構(gòu)簡單，精度高。
【專利說明】一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間激光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系 統(tǒng)及其模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間激光通信端機(jī)作為衛(wèi)星的一種有效載荷，無論是在研制完成后，還是在發(fā)射 之前，都要在地面對其主要的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的測試，例如，跟瞄精度、捕獲 特性、通信誤碼率等。通信端機(jī)分為發(fā)射端機(jī)和接收端機(jī)，二者共同組成一個相互耦合的系 統(tǒng)，即空間激光通信系統(tǒng)。對于空間激光通信系統(tǒng)的測試可分為系統(tǒng)級別、端機(jī)級別、分系 統(tǒng)級別以及模塊級別。國內(nèi)外比較典型的地面驗(yàn)證與測試系統(tǒng)有：歐空局ESA在SILEX計(jì) 劃中的地面支撐測試設(shè)備TTOGSE(TerminalTestOpticalGroundSupportEquipment) 和系統(tǒng)測試平臺STB(SystemTestBed)、日本星間激光通信實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的驗(yàn)證系統(tǒng) GOAL(GroundOpticalAssistanceforLUCE)等。
[0003] 上述測試系統(tǒng)都是在近距離實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行的與光信號相關(guān)的測試，其最終目 的就是得到空間激光通信系統(tǒng)未來在軌時的特性。由于實(shí)際的光通信的距離很遠(yuǎn)，一般在 幾百公里到幾十萬公里，甚至上億公里，因此，光信號的接收是遠(yuǎn)場接收。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)場距離的方法顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，對于各種 地面驗(yàn)證與測試系統(tǒng)，不管是基于什么原理和方法，都要求在滿足遠(yuǎn)場接收條件的情況下， 在近距離處獲得被測端機(jī)或系統(tǒng)在軌時的性能。遠(yuǎn)場光傳輸?shù)孛婺M技術(shù)，是地面驗(yàn)證與 測試系統(tǒng)中最核心的技術(shù)，其含義是在滿足遠(yuǎn)場條件情況下，獲得與接收端機(jī)在軌時相對 應(yīng)的光信號或電信號，以用于端機(jī)或系統(tǒng)各種性能指標(biāo)的測試。
[0004] 為了滿足遠(yuǎn)場條件，一種方法是拆掉光學(xué)天線進(jìn)行測試，將光束孔徑變小，從而滿 足遠(yuǎn)場條件，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 的元件、部件級別的測試以及計(jì)算機(jī)仿真，才能得到端機(jī)系統(tǒng)在軌時的特性。這種方法過程 繁冗、不直接，而且只是部件或分系統(tǒng)級別的測試，不是整機(jī)的測試。更常用的方法是采用 長焦距的透鏡進(jìn)行遠(yuǎn)場模擬，這種方法是把端機(jī)發(fā)出的光束用一套長焦距的透鏡（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)場光信號。
[0005] 地面驗(yàn)證與測試系統(tǒng)，光滿足遠(yuǎn)場條件是不夠的，因?yàn)?，遠(yuǎn)場只是模擬了發(fā)射的部 分，要被對方的接收端機(jī)接收，還涉及到接收的部分，即，接收端機(jī)必須接收到與其在軌時 接收的光功率相對應(yīng)的光信號或電信號，這個過程就是所謂的光傳輸過程。傳統(tǒng)的光傳輸 模擬方法是在長焦距透鏡焦上面得到發(fā)射端機(jī)發(fā)射光束的遠(yuǎn)場分布后，用一微孔進(jìn)行取樣 接收，把接收的光信號再傳遞給接收端機(jī)。這種方法的缺點(diǎn)是能夠模擬的通信距離非常有 限，通常只能模擬1000公里以內(nèi)的通信距離，而這個距離只能模擬一部分低軌道衛(wèi)星之間 或星地之間的激光通信，不能模擬更遠(yuǎn)的通信距離（如同步衛(wèi)星GE0與低軌道衛(wèi)星LE0之 間的通信、月地之間的光通信、深空探測光通信等等）。為了能模擬更遠(yuǎn)的通信距離，有研究 人員對聚焦的入射光斑進(jìn)行多級光學(xué)成像放大器，然后用微孔接收。這種方法雖然增大了 模擬的通信距離，但需要對光學(xué)放大倍數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，如標(biāo)定存在誤差，其后果是造成 遠(yuǎn)場分布的"錯位"，直接影響模擬的準(zhǔn)確程度。另外，如透鏡存在像差，則會造成遠(yuǎn)場分布 的"變形"，也會影響到傳輸模擬精度。因此，目前的遠(yuǎn)場光傳輸模擬方法尚存在著通信模擬 距離近，系統(tǒng)調(diào)試繁冗、精度難以保證、光路設(shè)計(jì)困難等問題。
[0006] 另一方面，目前國內(nèi)外地面驗(yàn)證與測試系統(tǒng)，對于遠(yuǎn)場光傳輸?shù)哪M，僅僅考慮了 光學(xué)遠(yuǎn)場條件，沒有考慮大氣信道、空間背景光、衛(wèi)星平臺的擾動等因素的影響，而實(shí)際中， 這些影響因素是存在（大氣信道因素存在于各種軌道衛(wèi)星與地面之間的光通信）。因此，模 擬的結(jié)果與實(shí)際狀況有一定的差距。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有的遠(yuǎn)場光傳輸模擬方法模擬距離有限，難以滿足實(shí)際需要，或者雖 然能夠模擬遠(yuǎn)距離，但存在模擬方法調(diào)試繁冗、精度難以保證、光路設(shè)計(jì)困難等問題。此外， 還沒有考慮如大氣信道、空間背景光、衛(wèi)星平臺的擾動等因素的影響，模擬結(jié)果與實(shí)際狀況 有一定的差距。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對以上問題，本發(fā)明提出了一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬 方法，在滿足遠(yuǎn)場條件的同時，考慮了大氣信道、空間背景光、衛(wèi)星平臺的擾動等因素的影 響，而且，模擬距離遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)簡單。
[0009] 本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)包括：縮束望遠(yuǎn)鏡、發(fā)射誤差源模 擬器、聚焦光路、光纖探針、第一準(zhǔn)直光路、大氣信道模擬器、背景光模擬器、合束光路、振 動-相對運(yùn)動模擬器和擴(kuò)束光路；其中，縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成一個等效傅立葉變換 透鏡，在縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成的等效傅立葉變換透鏡的焦平面得到入射光束的遠(yuǎn)場 分布；發(fā)射端機(jī)發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光束，入射 到發(fā)射誤差源模擬器；光束出射后經(jīng)過聚焦光路聚焦，聚焦后形成光斑，代表發(fā)射端機(jī)發(fā)射 光束的遠(yuǎn)場分布，光斑的部分光功率耦合進(jìn)光纖探針；光纖探針位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光 路構(gòu)成的等效傅立葉變換透鏡的焦平面，對光斑進(jìn)行波面取樣；通過光纖探針的光束經(jīng)過 第一準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直，變?yōu)檎讖狡叫泄馐黄叫泄馐?jīng)過大氣信道模擬器，通過合束光路與 背景光模擬器所發(fā)出的光合束；合束后的光束進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器；再經(jīng)擴(kuò)束光路 擴(kuò)束后，得到寬孔徑的平行光束；最終被接收端機(jī)所接收。
[0011] 縮束望遠(yuǎn)鏡對來自發(fā)射端機(jī)的寬孔徑波束進(jìn)行孔徑縮小，從而出射窄孔徑的平行 光束。
[0012] 發(fā)射誤差源模擬器用來模擬影響發(fā)射端機(jī)出射光束指向的各種誤差源，包括所在 的衛(wèi)星平臺的振動、衛(wèi)星間的相對運(yùn)動、衛(wèi)星平臺姿態(tài)確定誤差和軌道誤差等。平行的光束 經(jīng)過發(fā)射誤差源模擬器發(fā)生擺動，最終影響的是接收端機(jī)接收的光功率。發(fā)射誤差源模擬 器可以采用擺動執(zhí)行元件，如壓電陶瓷PZT來實(shí)現(xiàn)。
[0013] 光纖探針的尖端部分呈錐狀，是取樣窗口，外側(cè)鍍金屬膜。光纖探針位于等效焦平 面位置，其光軸與整個光路的光軸方向一致。經(jīng)過發(fā)射誤差源模擬器的平行光束由聚焦光 路聚焦形成光斑，由于發(fā)射誤差源模擬器的作用，使光斑產(chǎn)生離軸抖動，光纖探針對光斑取 樣，就可以獲得與接收端機(jī)在軌時相一致的光功率。
[0014] 大氣信道模擬器用來模擬大氣信道對光束的強(qiáng)度和相位的影響，包括光調(diào)制器和 空間光調(diào)制器；光調(diào)制器調(diào)整光束的強(qiáng)度，用來模擬光信號在大氣信道中傳播時強(qiáng)度的衰 減；空間光調(diào)制器用來模擬大氣湍流引起的光束的相位變化。
[0015] 背景光模擬器用來模擬接收端機(jī)所接收到的背景雜光干擾，包括寬光譜光源和第 二準(zhǔn)直光路，寬光譜光源出射發(fā)散光，經(jīng)準(zhǔn)第二直光路準(zhǔn)直，再通過合束光路，與大氣信道 模擬器出射的光束合起來，進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器。
[0016] 振動-相對運(yùn)動模擬器用來模擬接收端機(jī)自身所在的航天器平臺的振動，以及發(fā) 射端機(jī)和接收端機(jī)之間的相對運(yùn)動，可以采用擺動執(zhí)行元件，如PZT來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過振動-相 對運(yùn)動模擬器的光束發(fā)生抖動，然后經(jīng)擴(kuò)束光路擴(kuò)束，變?yōu)榭讖脚c接收端機(jī)相匹配的寬孔 徑平行光束，最終被接收端機(jī)接收。
[0017] 上述模擬系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，由于每個光路中的每個透射面或反射面都有一定的 光功率損失，因此，要對整體的光功率進(jìn)行標(biāo)定，剔除模擬系統(tǒng)帶來的額外損失。
[0018] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)的模擬 方法。
[0019] 本發(fā)明的基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步驟：
[0020] 1)發(fā)射端機(jī)發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光 束；
[0021] 2)窄孔徑的平行光束入射到發(fā)射誤差源模擬器，出射后光束發(fā)生抖動；
[0022] 3)光束經(jīng)過聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的遠(yuǎn)場分布，光斑的部分 光功率耦合進(jìn)位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成的等效傅立葉變換透鏡的焦平面的光纖探 針中，獲得與接收端機(jī)在軌時相一致的光功率；
[0023] 4)通過光纖探針的光束經(jīng)過第一準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直變?yōu)檎讖降钠叫泄馐?br> [0024] 5)平行光束經(jīng)過大氣信道模擬器，通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景光合 束；
[0025] 6)合束后的光束進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器，光束發(fā)生抖動；
[0026] 7)經(jīng)擴(kuò)束光路后，變成寬孔徑的平行光束；
[0027] 8)寬孔徑平行光束被接收端機(jī)接收；
[0028] 9)對整個模擬系統(tǒng)的光功率進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，以剔除模擬系統(tǒng)帶來的額外的光功率 損失。
[0029] 本發(fā)明的基本理論依據(jù)是：利用一個傅立葉變換透鏡，可以在其焦平面上獲得入 射光束的遠(yuǎn)場分布；理論推導(dǎo)可以得出，光纖探針輸出的光功率與入射的光功率是成比例 關(guān)系的，光纖探針在傅里葉變換透鏡焦平面上進(jìn)行波面取樣，就可以獲得與接收端機(jī)在軌 時相一致的光功率。
[0030] 本發(fā)明與傳統(tǒng)采用微孔的模擬方法有本質(zhì)的區(qū)別。首先，傳統(tǒng)所采用的微孔進(jìn)行 波面取樣的方法是基于菲涅爾衍射理論來進(jìn)行取樣傳輸?shù)?，而光纖探針對波面的取樣及傳 輸，由于其取樣窗口直徑已經(jīng)小于波長，因此不能再用傳統(tǒng)的菲涅爾衍射理論來解決，只能 利用麥克斯韋方程及相關(guān)軟件來確定其取樣傳輸?shù)那闆r；其次，目前，光纖探針的取樣窗口 的直徑已經(jīng)可以做到10納米，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)微孔的幾個微米的取樣窗口，因此，模擬通信距 離更遠(yuǎn)。假如模擬的通信距離為Z，接收端機(jī)實(shí)際的天線孔徑為D，聚焦光路的等效焦距為 f，取樣窗口的直徑為4,則有如下的理論公式：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng) 包括；縮束望遠(yuǎn)鏡、發(fā)射誤差源模擬器、聚焦光路、光纖探針、第一準(zhǔn)直光路、大氣信道模擬 器、背景光模擬器、合束光路、振動-相對運(yùn)動模擬器和擴(kuò)束光路；其中，所述縮束望遠(yuǎn)鏡和 聚焦光路構(gòu)成一個等效傅立葉變換透鏡，在縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成的等效傅立葉變換 透鏡的焦平面得到入射光束的遠(yuǎn)場分布；所述發(fā)射端機(jī)發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡 進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光束，入射到發(fā)射誤差源模擬器；光束出射后經(jīng)過聚焦光路聚 焦，聚焦后形成光斑，代表發(fā)射端機(jī)發(fā)射光束的遠(yuǎn)場分布，所述光斑的部分光功率禪合進(jìn)光 纖探針；所述光纖探針位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成的等效傅立葉變換透鏡的焦平面， 對光斑進(jìn)行波面取樣；通過光纖探針的光束經(jīng)過第一準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直，變?yōu)檎讖狡叫泄馐?平行光束經(jīng)過大氣信道模擬器，通過合束光路與背景光模擬器所發(fā)出的光合束；合束后的 光束進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器；再經(jīng)擴(kuò)束光路擴(kuò)束后，得到寬孔徑的平行光束；最終被接 收端機(jī)所接收。
2. 如權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述大氣信道模擬器包括 光調(diào)制器和空間光調(diào)制器；所述光調(diào)制器調(diào)整光束的強(qiáng)度，用來模擬光信號在大氣信道中 傳播時強(qiáng)度的衰減；所述空間光調(diào)制器用來模擬大氣瑞流引起的光束的相位變化。
3. 如權(quán)利要求1所述的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述背景光模擬器包括寬 光譜光源和第二準(zhǔn)直光路，所述寬光譜光源出射發(fā)散光，經(jīng)準(zhǔn)第二直光路準(zhǔn)直，再通過合束 光路，與大氣信道模擬器出射的光束合起來，進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器。
4. 一種基于光纖探針的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)的模擬方法，其特征在于，所述模擬方法 包括W下步驟： 1) 發(fā)射端機(jī)發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光束； 2) 窄孔徑的平行光束入射到發(fā)射誤差源模擬器，出射后光束發(fā)生抖動； 3) 光束經(jīng)過聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的遠(yuǎn)場分布，光斑的部分光功 率禪合進(jìn)位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路構(gòu)成的等效傅立葉變換透鏡的焦平面的光纖探針中， 獲得與接收端機(jī)在軌時相一致的光功率； 4) 通過光纖探針的光束經(jīng)過第一準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直變?yōu)檎讖降钠叫泄馐? 5) 平行光束經(jīng)過大氣信道模擬器，通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景光合束； 6) 合束后的光束進(jìn)入振動-相對運(yùn)動模擬器，光束發(fā)生抖動； 7) 經(jīng)擴(kuò)束光路后，變成寬孔徑的平行光束； 8) 寬孔徑平行光束被接收端機(jī)接收； 9) 對整個模擬系統(tǒng)的光功率進(jìn)行標(biāo)定校準(zhǔn)，W剔除模擬系統(tǒng)帶來的額外的光功率損 失。
【文檔編號】H04B10/07GK104467952SQ201410575176
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年10月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月24日
【發(fā)明者】王建民 申請人:北京大學(xué)