CN101178336A - 空间激光通信用光学式模拟振动平台装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及空间激光通信搭载平台振动模拟装置。有激光发射单元(6)，光功率调整单元(7)，光束伺服单元(8)，光束扩束单元(9)，被测试激光通信光端机(10)，光束伺服驱动单元(11)，DA转换卡(12)，功率谱产生单元13和光学平台(14)。能对低频扰动和高频振动模拟，可对空间激光通信系统的APT跟踪精度进行有效验证，模拟带宽可达到100Hz；低频最大模拟幅度达20mrad，高频幅度控制精度达μrad量级，有较高的动态范围；可按功率谱模拟平台宽谱随机振动，也可模拟相对角运动和等效正弦激励，对APT系统的动态滞后误差进行检测；实现二维振动模拟；实现光功率调节，大口径平行光发射，满足空间激光通信APT跟踪精度测试要求。
Description
技术领域
本发明属于空间激光通信和计算机半实物仿真领域，涉及空间激光通信搭载平台振动模拟装置。
背景技术
对于空间激光通信系统，搭载平台(卫星、飞机)的振动是影响空间激光通信捕获、对准、跟踪系统(Acquisition、Pointing、Tracking，APT)跟踪精度最主要的误差源。搭载平台的振动具有以下特点：为连续宽谱振动和个别离散谱的叠加，以连续振动功率谱为主；连续振动功率谱的带宽可延伸至30～100Hz，低频(小于10Hz)振动幅度角度较大，而高频(大于20Hz)振动幅度较小(例如对于通信卫星平台，1Hz振动幅度约200urad，50Hz的振动幅度仅为5urad)。为了在实验室内测试空间激光通信系统的跟踪精度，需要将其放在模拟振动平台上，才能充分验证其动态跟踪能力。目前，国内外常采用的方法是将空间激光通信光端机放置在模拟物理振动平台上，该物理振动平台如图1所示：将信标激光器1和光束扩束单元2放置在静止的光学平台3上，从光束扩束单元2出射的激光束照射激光通信光端机5，此光端机放置在物理振动平台4上，此物理振动平台由正交两轴驱动器(电磁或液压)和平台基座组成(V.Chan，S.Bloom.Results of 150km，1Gbps laser-com validationexperiment using aircraft motion simulator[C].SPIE Vol2699，1996，P60)。由于这种模拟振动物理平台结构受到系统谐振频率、负载转动惯量、驱动能力等限制，仅能模拟低频扰动(10Hz以下)，不能模拟中频(10～50Hz)、高频(50～100Hz)振动，而中、高频段恰恰是影响APT跟踪精度最主要的因素。所以需要针对空间激光通信系统特点，研制不仅可模拟低频扰动，而且还可模拟中、高频模拟振动平台装置是业界急需。
发明内容
对于空间激光通信系统而言，平台振动将引起视轴的抖动。为了在实验室内实现视轴抖动模拟，完全可以通过光学方法间接模拟平台振动。该方法仅需将被测试的空间激光通信系统静止放置，且与光学模拟振动装置分离放置。让光学模拟振动台的出射的光学视轴产生抖动，即可实现平台振动的模拟。由于控制激光光束仅需要高带宽、低转动惯量的二维摆镜即可实现，无需将大转动惯量的平台和负载，所以不仅可模拟低频扰动，而且还可模拟中、高频振动。不仅如此，该光学模拟振动平台可通过计算机仿真，按已知平台振动功率谱产生时域振动，代替传统的等效正弦激励，将其作为复合轴APT跟踪系统的激励，将能更充分验证APT跟踪系统的性能。
为了对空间激光通信系统APT跟踪精度进行检验，对于光学模拟振动台，不仅需要真实模拟平台振动，而且还需要具有以下功能：(1)光功率调节：为了验证跟踪CCD的探测能力和光斑细分能力，需要调节激光发射功率；(2)无穷远平行光模拟：为了满足成像于跟踪CCD的光斑满足检测要求，需要光斑接近衍射极限艾利斑，小于一个CCD像元尺寸，进而实现较高的光斑检测精度，所以需要平行光发射；(3)要求输出光束的口径大于接收口径，不因光束视轴的微小抖动而影响接收光功率。
本发明的空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，如图2所示，其构成如下：激光发射单元6，光功率调整单元7，光束伺服单元8，光束扩束单元9，被测试激光通信光端机10，光束伺服驱动单元11，DA转换卡12，功率谱产生单元13和光学平台14。由此可见，光学式模拟振动平台装置仅需光束伺服单元8实现光束视轴动态模拟，无需平台和负载整体运动，可实现宽带振动模拟。
所述的激光发射单元6：采用激光器；其模拟信标光源，实现窄束散角发射，有利于光束整形和扩束；激光输出功率连续可调，增加接收光功率调整范围，激光器的波长和空间激光通信系统跟踪探测传感器匹配。
所述的光功率调整单元7：实验室内无法拉开远距离，自由空间光功率损耗较小，需要额外的功率衰减装置对链路功率进行调节，进而验证不同接收功率所对应的信噪比，功率调节可采用连续功率调节与不同级别的中性衰减片组合实现。
光束伺服单元8：对于光束伺服单元，首先需要其具有快速伺服特点，其闭环带宽大于100Hz，实现高频振动模拟；角度控制范围可满足低频、大振幅要求；具有方位、俯仰二维方向光束调节。
光束扩束单元9：采用两级小倍率的反望远镜或大倍率的反望远镜光束扩束单元，以实现无穷远平行光发射，压缩激光光束的束散角，实现准平行光发射；另外，激光扩束后实现大口径光束发射，使其覆盖接收口径，不因光束视轴的抖动影响功率接收和成像。
被测试空间激光通信光端机10：被测试空间激光通信光端机放置在静止的光学平台上，让其与光束扩束单元尽量靠近，以便在光束视轴存在较小抖动条件下，光斑能够覆盖整个接收视场。
光束伺服驱动单元11：采用电磁振镜或摆镜。光束伺服驱动单元需要进行电流和功率放大，其输出是光束伺服单元所需要的电压或电流信号，输入是DA转换卡12所输出的控制电压。
DA转换卡12：可将计算机输出的数字控制信号转变为光束伺服驱动单元11输入所需的电压信号。为实现高动态范围和较高伺服带宽，需要较高的灰度分辨率和较小的响应时间。
功率谱产生单元13：通过计算机仿真，分别实现不同振动平台、方位和俯仰两个通道的振动功率谱或时域振动控制数据。再通过DA转换卡12输出，经光束伺服驱动单元11驱动和放大，作用于光束伺服单元，使其产生相应的角度变化(包括频率和幅度)。
光学平台14：整个光学模拟振动平台组件和被测试空间激光通信光端机都可固定在光学平台14上。
激光发射单元6模拟信标光，该模拟信标光经过光功率调整单元7后作用于光束伺服单元8，于是产生光束视轴变化，该模拟信标光再经光束扩束单元9后，作用于被测试激光通信光端机10，6～10单元为光学串行链路；功率谱产生单元13产生振动控制数字信号，该控制数字信号通过DA转换卡12转换为模拟信号，通过光束伺服驱动单元11对模拟信号进行功率放大，最后作用于光束伺服单元8，进而产生视轴变化，完成振动模拟，13、12、11、8为电学信号串行链路；6～13单元都可放置在光学平台14上。
本发明的空间激光通信光学式模拟振动平台装置，具备以下有益效果：(1)不仅能对低频扰动进行模拟，而且对高频振动也能模拟，可对空间激光通信系统的APT跟踪精度进行有效验证，其模拟带宽可达到100Hz；(2)低频最大模拟幅度可达到20mrad，高频幅度控制精度可达μrad量级，具有较高的动态范围；(3)可按功率谱模拟平台宽谱随机振动，也可模拟相对角运动和等效正弦激励，可对APT系统的动态滞后误差进行检测；(4)可实现二维振动模拟；(5)可实现光功率调节，大口径平行光发射，满足空间激光通信APT跟踪精度测试要求。
附图说明
图1为空间激光通信系统物理式模拟振动台系统组成图。图中，1是光学平台，2是信标激光器，3是激光扩束单元，4是物理式模拟振动台，5是激光通信光端机。
图2为空间激光通信系统光学式模拟振动台系统组成框图。图中，6是激光发射单元，7是光功率调整单元，8是光束伺服单元，9是光束扩束单元，10是被测试激光通信光端机，11是光束伺服驱动单元，12是DA转换卡，13是功率谱产生单元，14是光学平台。
图3是功率谱产生单元的控制框图。
具体实施方式
实施例1
本发明的空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，如图2所示，其构成如下：激光发射单元6，光功率调整单元7，光束伺服单元8，光束扩束单元9，被测试激光通信光端机10，光束伺服驱动单元11，DA转换卡12，功率谱产生单元13和光学平台14。光学式模拟振动平台装置仅需光束伺服单元8实现光束视轴动态模拟，无需平台和负载整体运动，可实现宽带振动模拟。
(1)激光发射单元6，其波长可采用λ＝0.8nm的半导体激光器；输出功率从10mW～200mW连续可调，可模拟通信距离对激光接收功率影响；激光发射单元6经过光学整形后其光束发散角为5mrad；
(2)光功率调整单元7：采用单片偏振片、两片偏振片或渐变滤光片；
所述的单片偏振片，用其实现功率调节，调节功率范围接近20dB，适用于激光发射单元6输出的激光具有较高的偏振特性的条件；
所述的两片偏振片，通过旋转角度，实现功率连续调节，适用于激光发射单元6偏振度不高的条件；
所述的渐变滤光片，对于小尺寸光束，则采用渐变滤光片进行功率连续调节；
还可辅以衰减10倍、100倍或1000倍的中性滤光片，实现功率大范围调整(自由空间功率衰减接近60dB～80dB)；
(3)光束伺服单元8：光束伺服单元8是光学式模拟振动台的核心元件。要求其不仅具有较高的伺服带宽、较大的控制范围、较高的控制精度。
其一是采用两个正交分布的一维高速摆镜。用其实现光束在方位和俯仰两个方向的伺服。高速摆镜的驱动元件为摆动电机，其控制范围为±15°，其负载为光学镜片，镜片的有效面积约15mm×30mm，镜片表面镀金，实现较好的反射率。摆镜的伺服带宽可达200Hz，执行精度优于10urad。满足模拟平台振动功率谱的实验要求。该方法非常适合模拟飞机、飞艇等大低频扰动平台的模拟；
其二是采用二维电磁振镜。用其实现光束伺服。二维电磁振镜通过4个音圈电机，驱动一个口径约为15mm的平面反射镜，每两个音圈电机实现推拉工作模式，实现角度的改变；二维电磁振镜具有较小的执行角度范围(±3°)，较高的伺服带宽(300Hz)，非常适合模拟卫星平台振动；
(4)光束扩束单元9：采用反望远系统，优选采用两级扩束单元，其中两
级扩束单元并且分别位于光束伺服单元8的前后，第一级扩束单元采用放大倍率为8倍反望远镜实现第一次扩束，使其束散角缩小为400urad；经光束伺服单元8出射的光束再经过放大倍率为10的二次扩束系统，输出束散角近似40urad，出瞳光束的直径为160mm，实现准平行光发射。望远系统的放大倍数越大，束散角的压缩能力越强，光束输出口径越大；采用Γ＝80倍的望远系统，使其束散角小于60urad，光束输出口径达到160mm。但是随着放大倍数的增加，使光束的视轴抖动范围大大降低。对于望远系统，目镜端视轴变化量等于物镜端视轴变化量的Γ倍。
采用光束扩束单元9，主要目的是减小信标光束的束散角，模拟无穷远平行光；增加出射光束口径，使其覆盖接收口径。
(5)被测试光端机10：光学式模拟振动平台最大的特点就是使被测光端机静止放置的光学平台上，不需要任何运动。由平台振动引起的发射视轴和接收视轴的角度变化完全通过光学式模拟振动平台中的光束伺服单元实现。
(6)光束伺服驱动单元11：无论那种形式的光束伺服单元(电磁振镜或摆镜)，都需要功率驱动，其输入信号是电压信号，经过电流放大和功率放大，可实现电磁振镜或摆镜的正常工作。
(7)DA转换卡12：因为振动功率谱是通过计算机产生数字控制信号，而光束伺服驱动单元11则接收电压信号，所以需要扩展PCI接口的DA转换卡12。为实现高动态范围和较高伺服带宽，需要较高的灰度分辨率，采用数据分辨率为16位的DA接口卡(动态范围65535)；为了实现宽带模拟，需要较高的采样速率，数模变换时间仅20us，满足任务要求。
(8)功率谱产生单元13：平台振动模拟器的软件核心部分就是用通用MATLAB通用仿真软件实现平台振动时域控制信号，其控制框图如图3所示。通过随机数据产生器为原始激励数据，其均值和方差可以通过软件设置，此信号在频域内呈宽谱特性(其振动功率谱为近似一条直线)；然后将其作用于振动功率谱模块，振动功率谱产生模块的核心技术就是通过多阶低通滤波器来模拟振动功率谱。然后将时域曲线进行放大和高速(0.1ms)时间采样后，分别实现方位和俯仰两个通道的时域振动控制数据。
所述的光学平台14：整个光学模拟振动平台组件和被测试空间激光通信光端机都可固定在光学平台14上。由于将光学式模拟振动平台装置和被测试光端机都放在统一光学平台上，所以降低平台要求，仅需采用通信光学平台即可。
Claims (4)
1.空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，其特征在于，其构成有：激光发射单元6，光功率调整单元7，光束伺服单元8，光束扩束单元9，被测试激光通信光端机10，光束伺服驱动单元11，DA转换卡12，功率谱产生单元13和光学平台14；光学式模拟振动平台装置仅需光束伺服单元8实现光束视轴动态模拟，无需平台和负载整体运动，可实现宽带振动模拟。
激光发射单元6模拟信标光，该模拟信标光经过光功率调整单元7后作用于光束伺服单元8，于是产生光束视轴变化，该模拟信标光再经光束扩束单元9后，作用于被测试激光通信光端机10，6～10单元为光学串行链路；功率谱产生单元13产生振动控制数字信号，该控制数字信号通过DA转换卡12转换为模拟信号，通过光束伺服驱动单元11对模拟信号进行功率放大，最后作用于光束伺服单元8，进而产生视轴变化，完成振动模拟，13、12、11、8为电学信号串行链路；6～13单元都可放置在光学平台14上。
2.如权利要求1所述的空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，其特征在于，所述的激光发射单元6，采用λ＝0.8nm的半导体激光器，输出功率从10mW～200mW连续可调；
所述的光功率调整单元7：采用单片偏振片、两片偏振片或渐变滤光片；
所述的光束伺服单元8，采用两个正交分布的一维高速摆镜，该高速摆镜的驱动元件为摆动电机，其控制范围为±15°，其负载为光学镜片，镜片的有效面积约15mm×30mm，镜片表面镀金；或者，
采用二维电磁振镜，该二维电磁振镜通过4个音圈电机，驱动一个口径约为15mm的平面反射镜，每两个音圈电机实现推拉工作模式，实现角度的改变；
所述的光束扩束单元9：采用反望远系统；采用Γ＝80倍的望远系统；
优选采用两级扩束单元，其中两级扩束单元并且分别位于光束伺服单元8的前后，第一级扩束单元采用放大倍率为8倍反望远镜实现第一次扩束，使其束散角缩小为400urad；经光束伺服单元8出射的光束再经过放大倍率为10的二次扩束系统，输出束散角近似40urad，出瞳光束的直径为160mm，实现准平行光发射；
所述的功率谱产生单元13：用通用MATLAB软件实现平台振动时域控制信号。通过随机数据产生器为原始激励数据，其均值和方差可以通过软件设置，此信号在频域内呈宽谱特性(其振动功率谱为近似一条直线)；然后将其作用于振动功率谱模块，振动功率谱产生模块的核心技术就是通过多阶低通滤波器来模拟振动功率谱。然后将时域曲线进行放大和高速(0.1ms)时间采样后，分别实现方位和俯仰两个通道的时域振动控制数据。
3.如权利要求2所述的空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，其特征在于，所述的光束扩束单元9，采用两级扩束单元，其中两级扩束单元并且分别位于光束伺服单元8的前后，第一级扩束单元采用放大倍率为8倍反望远镜实现第一次扩束；经光束伺服单元8出射的光束再经过放大倍率为10的二次扩束系统，实现准平行光发射。
4.如权利要求2所述的空间激光通信用光学式模拟振动平台装置，其特征在于，所述的光功率调整单元7：采用单片偏振片、两片偏振片或渐变滤光片；还可辅以衰减10倍、100倍或1000倍的中性滤光片。
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