CN101873181A - 激光相干数据传输信道模拟测试装置 - Google Patents

Abstract

一种激光相干数据传输信道模拟测试装置，该装置利用长焦距傅立叶变换主镜实现光学傅立叶远场变换、多级级联的中心采样4-f光学成像放大和比例缩小的原理实现全物理模拟激光远距离传输，并采用自由空间2×4光学90°桥接器将被测激光通信终端发射的信号光和本振激光进行合成后进行相干探测，实现对相干激光通信终端通信性能的测试，同时也可以对激光通信终端的光跟瞄性能进行测试。本装置采用一体化设计、模块化组装技术，具有结构简单、可扩展性强的特点。

Description

激光相干数据传输信道模拟测试装置

技术领域

本发明涉及自由空间激光通信，特别是一种用于相干激光通信终端地面检测验证的激光相干数据传输信道模拟测试装置，主要用于在全物理模拟信道条件下对相干及非相干激光通信终端的瞄准/捕获/跟踪性能和通信性能的测试。

背景技术

自由空间激光通信的主要数据传输信道为低轨卫星(Low Earth Orbit-LEO)-地球同步卫星(Geo Synchronous Orbit-GEO)、GEO-GEO、GEO-光学地面站。采用相干激光通信体制是目前解决卫星之间数据传输瓶颈主要技术手段之一，但由于卫星激光通信的特殊性和复杂性，卫星激光通信终端在进行在轨飞行之前必须在地面进行一系列的检测验证，以保障在轨的正常工作。

在先技术(Tetsuya Miyazaki，Keizo Inagaki and Masayuki Fujise，Multigigabit optical transmission experiment through a free-space simulator.Proc.of SPIE，Vol.2123，1994，56-65)描述的自由空间激光传输模拟器只能模拟小于3000km的传输距离，并且不适用于相干激光通信终端性能的测试。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术不能对相干激光通信终端测试的不足，提供一种激光相干数据传输信道模拟测试装置，该装置提供实际激光数据传输信道的全物理模拟环境，实现对激光相干和非相干通信终端的瞄准/捕获/跟踪性能和通信性能的测试，对相干激光通信终端的研制和发展有很大的应用前景。

本发明的技术构思是：基于光学傅立叶变换和级联的中心采样4-f光学成像放大的原理实现光束无附加二次相位因子的自由空间远距离传输模拟，采用自由空间2×4光学90°桥接器进行相干探测，实现对相干激光通信终端通信性能的测试，采用位置探测器对激光通信终端瞄准/捕获/跟踪性能的测试。

本发明的技术解决方案如下：

一种激光相干数据传输信道模拟测试装置，特征在于其构成包括长焦距傅立叶变换主镜、分光平板、孔径光阑、级联中心采样4-f光学成像放大器、采样小孔、扩束望远镜、自由空间2×4光学90°桥接器、本振激光光源、准直系统1、高速光信号解调和锁相电路、第一转像目镜、分光棱镜、第二转像目镜、测试用激光光源、准直系统2、位置探测器组成。

所述的级联中心采样4-f光学成像放大器的入瞳面和傅立叶变换主镜的后焦面重合，出瞳面和采样小孔(4)所在平面重合，扩束望远镜(5)的入瞳和采样小孔(4)所在平面重合。

所述的级联中心采样4-f光学成像放大器是由N个双透镜组成的中心采样4-f光学成像放大器级联组成，放大倍率M＝M₁×M₂×...×M_N，其中M₁，M₂，...M_N分别为第一级、第二级，...第N级中心采样4-f光学成像放大器的放大倍率，满足

和

分别为第N级光学成像放大器的物镜和目镜的焦距；第N-1级中心采样4-f光学成像放大器的出瞳与第N级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳重合，在每一级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳放置合适大小的小孔光阑起滤波作用。

所述的第一转像目镜和第二转像目镜组成1∶1转像系统，位置探测器的光敏面和第二转像目镜的后焦面重合。

所述的自由空间2×4光学90°桥接器(6)用来将被测激光通信终端的信号光和本振光进行合束后进行相干探测。

本发明的技术效果：

本发明激光相干数据传输信道模拟测试装置，利用光学傅立叶变换和级联的中心采样4-f光学成像放大的原理实现光束无附加二次相位因子的自由空间远距离传输模拟，采用自由空间2×4光学90°桥接器进行相干探测，实现对相干激光通信终端通信性能的测试，采用位置探测器对激光通信终端瞄准/捕获/跟踪性能的测试。本发明对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本发明激光相干数据传输信道模拟测试装置实施例的光路示意图。

图2为本发明的单级中心采样4-f光学成像放大器结构示意图。

图中：1-长焦距傅立叶变换主镜，2-分光平板，3-级联中心采样4-f光学成像放大器，4-采样小孔，5-扩束望远镜，6-自由空间2×4光学90°桥接器，7-第一转像目镜，8-分光棱镜，9-第一准直透镜，10-第二转像目镜，11-位置探测器，12-测试用激光光源，13-第一小孔光阑，14-第二准直透镜，15-高速光信号解调和锁相电路，16-本振激光光源。3.1-第二小孔光阑/入瞳面，3.2-目镜，3.3-物镜，3.4出瞳面。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明激光相干数据传输信道模拟测试装置实施例的光路示意图。由图可见，本发明激光相干数据传输信道模拟测试装置，构成包括：长焦距傅立叶变换主镜(1)，分光平板(2)，级联中心采样4-f光学成像放大器(3)，采样小孔(4)，扩束望远镜(5)，自由空间2×4光学90°桥接器(6)，第一转像目镜(7)，分光棱镜(8)，第一准直透镜(9)，第二转像目镜(10)，位置探测器(11)，测试用激光光源(12)，第一小孔光阑(13)，第二准直透镜(14)，高速光信号解调和锁相电路(15)，本振激光光源(16)。

测试用激光光源12经第一准直透镜(9)准直后，依次透过分光棱镜(8)，第一转像目镜(7)后经分光平板(2)反射，长焦距傅立叶变换主镜(1)后为平行光出射，照亮被测激光通信终端。激光通信终端接收到测试装置的激光后，进入跟踪状态，同时发射信号激光经长焦距傅立叶变换主镜1后，由分光平板2分为两路：透射光路和反射光路，所述的透射光路经级联中心采样4-f光学成像放大器(3)，采样小孔(4)，然后由扩束望远镜(5)进行扩束，扩束后和本振激光光源(16)准直后的光束进入自由空间2×4光学90°桥接器(6)，然后由高速光信号解调和锁相电路(15)接收即可进行相干激光通信终端通信性能的测试。反射光路经过第一转像目镜(7)后变为中继平行光束，经分光棱镜(8)反射后，由第二转像目镜(10)会聚在位置探测器(14)的光敏面上，用来进行位置误差的探测。

图2为本发明的单级中心采样4-f光学成像放大器结构示意图。它由两个焦距为f₁的目镜3.2和f₂的物镜3.3组成，f₁透镜的后焦面和f₂透镜的前焦面重合，放大倍数

中心采样4-f光学成像放大器不仅对输入光场有放大作用，而且不产生额外的相位二次项，在入瞳面放置小孔光阑3.1可对光场进行中心采样，以防止杂散光的干扰。

假设被测激光通信终端的口径为Φ，采样小孔(4)的直径为d，长焦距傅立叶变换主镜(1)的焦距为f，级联中心采样4-f光学成像放大器(3)的放大倍率为M，那么激光相干数据传输信道模拟装置摸拟的传输距离L为：

$L=M\×f\×\frac{\mathrm{\Φ}}{d}$

假设中继光束的直径为

则扩束望远镜(5)的放大倍数β为：

下面是本发明装置一个具体实施例的参数：

假设激光通信链路是高轨卫星和低轨卫星之间，星间距离为45000km，被测激光通信终端口径都为Φ150mm，激光发散度为20μrad，跟瞄精度为1μrad，通信体制为零差相干探测。

为了兼顾加工难度和跟瞄检验精度，选择长焦距傅立叶变换主镜(1)的通光口径为300mm，焦距10m。根据链路距离可以推算出级联中心采样4-f光学成像放大器(3)的放大倍率M＝3000，选择放大级数为三级，第一级、第二级和第三级的放大倍率分别为30×、10×、10×。每一级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳直径和出瞳直径均为1mm和10mm。第一采样小孔(4)直径为0.1mm。被测激光通信终端发射的光束经过长焦距傅立叶变换主镜(1)后，在其焦面上为直径为0.2mm的远场分布，经过级联中心采样4-f光学成像放大器(3)放大后为直径为600mm的远场光斑，

假设中继光束的直径为2mm，那么扩束望远镜(5)的放大倍数为β＝20。

通过改变级联中心采样4-f光学成像放大器(3)的放大倍率和采样小孔(4)的直径，可以获得不同链路距离条件下通信误码率的测试，也可以用于固定误码率条件下激光通信终端作用距离的测试。

经试验表明，本发明装置可以在实验室有限的空间内实现对相干激光通信终端和非相干激光通信终端的通信性能和光跟瞄性能进行检测，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。

Claims (3)

1.一种激光相干数据传输信道模拟测试装置，特征在于其构成包括：

长焦距傅立叶变换主镜(1)，在该长焦距傅立叶变换主镜(1)的光轴上依次是分光平板(2)、级联中心采样4-f光学成像放大器(3)、采样小孔(4)、扩束望远镜(5)、自由空间2×4光学90°桥接器(6)和高速光信号解调和锁相电路(15)，在所述的分光平板(2)的反射光路上依次是第一转像目镜(7)、分光棱镜(8)、第一准直透镜(9)和测试用激光光源(12)，在所述的分光棱镜(8)的反射光方向依次是第二转像目镜(10)和位置探测器(11)，在所述的自由空间2×4光学90°桥接器(6)的另一输入光路依次由本振激光光源(16)、第二准直透镜(14)和第一小孔光阑(13)，

本发明激光相干数据传输信道模拟测试装置，构成包括：长焦距傅立叶变换主镜(1)，分光平板(2)，级联中心采样4-f光学成像放大器(3)，采样小孔(4)，扩束望远镜(5)，自由空间2×4光学90°桥接器(6)，第一转像目镜(7)，分光棱镜(8)，第一准直透镜(9)，第二转像目镜(10)，位置探测器(11)，测试用激光光源(12)，第一小孔光阑(13)，第二准直透镜(14)，高速光信号解调和锁相电路(15)，本振激光光源(16)，

测试用激光光源(12)经第一准直透镜(9)准直后，依次经过分光棱镜(8)，第一转像目镜(7)，分光平板(2)和长焦距傅立叶变换主镜(1)后为平行光出射，照亮被测激光通信终端。激光通信终端接收到测试装置的激光后，进入跟踪状态，同时发射信号激光经长焦距傅立叶变换主镜(1)后，由分光平板(2)分为两束：透射光束和反射光束，透射光束经级联中心采样4-f光学成像放大器(3)，采样小孔(4)，然后由扩束望远镜(5)进行扩束，扩束后和本振激光光源(16)准直后的光束进入自由空间2×4光学90°桥接器(6)，然后由高速光信号解调和锁相电路(15)接收，进行相干激光通信终端通信性能的测试，所述的反射光束经过第一转像目镜(7)后变为中继平行光束，经分光棱镜(8)反射后，由第二转像目镜(10)会聚在位置探测器(14)的光敏面上，用来进行位置误差的探测，

图2为本发明的单级中心采样4-f光学成像放大器结构示意图，它由两个焦距为f₁和f₂单透镜组成，f₁透镜(3.2)的后焦面和f₂透镜(3.3的前焦面重合，放大倍数

中心采样4-f光学成像放大器不仅对输入光束有放大作用，而且不产生额外的相位二次项，在入瞳面放置第二小孔光阑(3.1)可对光束进行中心采样，以防止杂散光的干扰，

假设被测激光通信终端的口径为Φ，采样小孔(4)的直径为d，长焦距傅立叶变换主镜(1)的焦距为f，级联中心采样4-f光学成像放大器(3)的放大倍率为M，那么激光相干数据传输信道模拟装置摸拟的传输距离L为：

2.根据权利要求1所述的激光相干数据传输信道模拟测试装置，其特征在于所述的第一转像目镜(7)和第二转像目镜(10)组成1∶1转像系统或者1∶N转像系统。

3.根据权利要求1所述的激光相干数据传输信道模拟测试装置，其特征在于所述的自由空间2×4光学90°桥接器(6)用来将被测激光通信终端的信号光和本振激光进行合束后进行相干探测，其结构为自由空间、或光纤、或波导，其端口为2×4、或2×2、或2×6。

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