CN103412397B - 基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法，其包括壳体，其中，所述壳体上设置有用于射入光的入射窗口与用于射出光的出射窗口，所述入射窗口与所述出射窗口之间的壳体内设置有抛物面主镜、抛物面次镜与平面反光镜，所述抛物面主镜设置在与所述入射窗口对应处，所述抛物面次镜设置在所述入射窗口下方，所述抛物面次镜与所述平面反光镜相对应。通过使用反射式高倍率光束转换装置，实现了宽波段、大视场、高倍率光束口径的变换，配合不同焦距的傅里叶变换透镜，满足空间光通信端机不同口径、不同波段的激光远场分布的高精度测试要求，实现了光束的近场分布向远场分布的转换测量，提高了对光束远场分布的检测准确性。

Description

基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法

技术领域

本发明涉及空间光通信测试技术领域，尤其涉及一种基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法。

背景技术

空间光通信是以激光作为信息载体在空间进行高速数据传输的通信方式，是现代大容量空间通信领域的重要研究方向，具有容量大、速率高、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、保密性和安全性好等优点，因此具有广阔的军事和民用前景。过去20年内，世界各发达国家对卫星轨道之间、星地、空地等各种形式的光通信系统进行了广泛的研究，我国的空间光通信技术也有了较大发展。

在空间光通信终端的研制过程中，端机射入光束的远场分布是空间光通信终端的重要指标，对链路功率进行核算及端机性能评估具有重要的意义，必须进行精确测量。国内外现有对远场分布的测试方法主要为透镜焦平面法，测试系统主要由长焦凸透镜和CCD相机组成，由位于透镜焦平面上的CCD相机得到空间光通信终端发射的通信光远场能量分布，这种方案聚焦成像镜为透射式设计，为了消除像差而采用了非球面，且由于系统体积结构的限制焦距一般不超过10m，不适用于通信工作波长不同的多种空间光通信端机激光远场分布高精度测试；另外，由于现有激光通信端机的通光口径大小从十几毫米到上百毫米，因单透镜透射式系统焦距固定，衍射光斑变化较大测试不方便。

因此，现有技术有待于更进一步的改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法，实现光束的近场分布向远场分布的转换测量，提高对光束远场分布的检测准确性。

为解决上述技术问题，本发明技术方案包括：

一种高倍率光束转换装置，其包括壳体，其中，所述壳体上设置有用于射入光的入射窗口与用于射出光的出射窗口，所述入射窗口与所述出射窗口之间的壳体内设置有抛物面主镜、抛物面次镜与平面反光镜，所述抛物面主镜设置在与所述入射窗口对应处，所述抛物面次镜设置在所述入射窗口下方，所述抛物面次镜与所述平面反光镜相对应，所述射入光平行照射到所述抛物面主镜上，所述抛物面主镜将所述射入光反射至所述抛物面次镜，所述抛物面次镜再将反射的所述射入光平行反射至所述平面反光镜，形成平行的射出光由所述出射窗口射出。

所述的高倍率光束转换装置，其中，所述入射窗口设置在所述壳体左侧，所述出射窗口设置在所述壳体底部；所述射入光与所述射出光呈垂直状态。

所述的高倍率光束转换装置，其中，所述抛物面次镜设置在所述抛物面主镜反射光焦点的后方。

一种用于空间光通信大口径激光远场分布的检测系统，其包括用于发出射入光的被测光端机与分析控制中心，其中，所述检测系统还包括高倍率光束转换装置与五维调节机构，所述高倍率光束转换装置与所述五维调节机构之间自上而下依次设置有光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜与CCD探测器，所述CCD探测器设置在所述五维调节机构上，所述光学衰减片转轮、所述CCD探测器、所述五维调节机构分别与所述分析控制中心通信连接；射入光经高倍率光束转换装置转换后依次通过光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜，由五维调节机构上的CCD探测器接收。

所述的检测系统，其中，所述高倍率光束转换装置包括壳体，所述壳体上设置有用于射入光的入射窗口与用于射出光的出射窗口，所述入射窗口与所述出射窗口之间的壳体内设置有抛物面主镜、抛物面次镜与平面反光镜，所述抛物面主镜设置在与所述入射窗口对应处，所述抛物面次镜设置在所述入射窗口下方，所述抛物面次镜与所述平面反光镜相对应，所述射入光平行照射到所述抛物面主镜上，所述抛物面主镜将所述射入光反射至所述抛物面次镜，所述抛物面次镜再将反射的所述射入光平行反射至所述平面反光镜，形成平行的射出光由所述出射窗口射出。

所述的检测系统，其中，所述入射窗口设置在所述壳体左侧，所述出射窗口设置在所述壳体底部；所述射入光与所述射出光呈垂直状态。

所述的检测系统，其中，所述抛物面次镜设置在所述抛物面主镜反射光焦点的后方。

一种用于空间光通信大口径激光远场分布的检测方法，其包括以下步骤：使被测光端机的光轴与高倍率光束转换装置的光轴相重合，所述被测光端机发出大口径的射入光经所述高倍率光束转换装置转换为小口径的射出光，所述射出光依次经过光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜，由五维调节机构上的CCD探测器接收，分析控制中心采集所述CCD探测器的数据得到所述射入光的远场分布图样。

所述的检测方法，其中，上述步骤具体的还包括：调整所述光学衰减片转轮的位置，使所述CCD探测器获取图像的图像信噪比最高。

所述的检测方法，其中，上述步骤具体的还包括：调整所述CCD探测器使其成像最清晰。

本发明提供的一种基于光束变换的大孔径激光远场分布检测系统及方法，通过使用反射式高倍率光束转换装置，实现了宽波段、大视场、高倍率光束口径的变换，配合不同焦距的傅里叶变换透镜，满足空间光通信端机不同口径、不同波段的远场分布的高精度测试要求，实现了光束的近场分布向远场分布的转换测量，提高了对光束远场分布的检测准确性。

附图说明

图1是本发明中高倍率光束转换装置的结构示意图；

图2是本发明中检测系统的结构示意图。

具体实施方式

本发明提供了一种基于光束变换的大口径激光远场分布检测系统及方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供了一种高倍率光束转换装置，如图1所示的，其包括壳体1，并且所述壳体1上设置有用于射入光7的入射窗口2与用于射出光的出射窗口3，所述入射窗口2与所述出射窗口3之间的壳体1内设置有抛物面主镜4、抛物面次镜5与平面反光镜6，所述抛物面主镜4设置在与所述入射窗口2对应处，所述抛物面次镜5设置在所述入射窗口2下方，所述抛物面次镜5与所述平面反光镜6相对应，所述射入光7平行照射到所述抛物面主镜4上，所述抛物面主镜4将所述射入光7反射至所述抛物面次镜5，所述抛物面次镜5再将反射的所述射入光7平行反射至所述平面反光镜6，形成平行的射出光8由所述出射窗口3射出，进入下一流程。

本发明的另一较佳实施例中，所述入射窗口2设置在所述壳体1左侧，所述出射窗口3设置在所述壳体1底部；所述射入光7与所述射出光8呈垂直状态。当然，经过多次反射后所述射入光7与所述射出光8也可以呈平行状态，但如果反射次数过多会影像光束质量。尤其是所述抛物面次镜5设置在所述抛物面主镜4反射光焦点9的后方，减少了对光束处理的干扰。

本发明还提供了一种用于空间光通信大口径激光远场分布的检测系统，如图2所示的，其包括用于发出射入光7的被测光端机9与分析控制中心10，所述分析控制中心10可以采用计算机、微处理器等技术形势。所述检测系统还包括高倍率光束转换装置11与五维调节机构12，所述高倍率光束转换装置11与所述五维调节机构12之间自上而下依次设置有光学衰减片转轮13、傅里叶变换透镜14与CCD探测器15，所述CCD探测器15设置在所述五维调节机构12上，所述光学衰减片转轮13、所述CCD探测器15、所述五维调节机构12分别与所述分析控制中心10通信连接，提高了对本发明系统的控制能力。射入光7经高倍率光束转换装置11转换后依次通过光学衰减片转轮13、傅里叶变换透镜14，由五维调节机构12上的CCD探测器15接收，对光束进行后续处理。

本发明运行的基本原理为：基于反射式望远镜系统实现大口径、宽波段光束至小口径平行光束的变换，再对小口径光束利用透镜的傅里叶变换作用，实现了光束的近场分布向远场分布的转换测量。

在透镜焦平面进行远场分布测试的理论分析中，假设射入光7在发射系统光学天线出口处的光场分布为U₀（ζ，η），通信接收系统处即其远场分布为U(x，y，z)，则根据夫琅禾费衍射算式得到：

$U(x,y,z)=\frac{C}{\mathrm{i\λZ}}\exp \left(\mathrm{ik}\frac{x^2+y^2}{2Z}\right)\underset{s}{\∫\∫}{U}_0(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})\exp [-\mathrm{ik}\left(\frac{\mathrm{x\ζ}+\mathrm{y\η}}{Z}\right)]\mathrm{d\ζd\η}$

如果射入光7通过一个透镜进行变换，则透镜后焦面上的光场分布为：

$U(x,y,z)=\frac{C}{\mathrm{i\λZ}}\underset{s}{\∫\∫}{U}_0(\mathrm{\ζ},\mathrm{\η})\exp [-\mathrm{ik}\left(\frac{\mathrm{x\ζ}+\mathrm{y\η}}{f}\right)]\mathrm{d\ζd\η}$

比较光学天线实际远场分布表达式与透镜焦面变换的表达式可知,两者在形式上是一致的，只不过实际远场分布所形成的衍射斑要大的多，两者之间存在着一个比例常数R=Z/f。这样就可以通过透镜变换，在其焦面上得到缩小了的远场分布图样。

而透镜焦平面远场分布的测试精度主要与所形成的衍射斑Da、CCD采样频率(像元大小a)及透镜焦距f有关，有如下关系:

$D_a=\frac{2.44\mathrm{\λ}}{D}\·f$

$\mathrm{\σ}=\frac{a}{f}$

可以看出焦距越长，所形成的衍射斑越大，CCD像机角分辨率越高，测试精度也越高。对于焦距超过10m的透射式系统，为了消除空气扰动的影响，系统若置于真空系统中，则整个系统体积巨大。而本发明采用如图1与图2所示的反射式高倍率光束转换装置及高质量傅里叶变换透镜构成等效的长焦透镜，由于采用反射式系统对光路进行了折叠，系统的体积将大大减小，系统的等效焦距fe可以表示为光束变换系统放大率M和傅里叶变换透镜焦距f0的乘积：

fe=M*f0

通过选用不同焦距的傅里叶变换透镜，改变系统的等效焦距，实现不同的分辨率测试精度，实现了光束的近场分布向远场分布的转换测量。

在本发明的另一较佳实施例中，如图1与图2所示的，所述高倍率光束转换装置11包括壳体1，并且所述壳体1上设置有用于射入光7的入射窗口2与用于射出光的出射窗口3，所述入射窗口2与所述出射窗口3之间的壳体1内设置有抛物面主镜4、抛物面次镜5与平面反光镜6，所述抛物面主镜4设置在与所述入射窗口2对应处，所述抛物面次镜5设置在所述入射窗口2下方，所述抛物面次镜5与所述平面反光镜6相对应，所述射入光7平行照射到所述抛物面主镜4上，所述抛物面主镜4将所述射入光7反射至所述抛物面次镜5，所述抛物面次镜5再将反射的所述射入光7平行反射至所述平面反光镜6，形成平行的射出光8由所述出射窗口3射出，进入下一流程。

更进一步的，所述入射窗口2设置在所述壳体1左侧，所述出射窗口3设置在所述壳体1底部；所述射入光7与所述射出光8呈垂直状态。

本发明还提供了一种用于空间光通信大口径激光远场分布的检测方法，其包括以下步骤：使被测光端机9的光轴与高倍率光束转换装置11的光轴相重合，所述被测光端机9发出大口径的射入光经所述高倍率光束转换装置11转换为小口径的射出光8，所述射出光8依次经过光学衰减片转轮13、傅里叶变换透镜14，由五维调节机构12上的CCD探测器15接收，分析控制中心10采集所述CCD探测器15的数据得到所述射入光的远场分布图样。

更进一步的，在上述步骤中需要调整所述光学衰减片转轮13的位置，使所述CCD探测器15获取图像的图像信噪比最高；并且同步调整所述CCD探测器15使其成像最清晰。

当然，以上说明仅仅为本发明的较佳实施例，本发明并不限于列举上述实施例，应当说明的是，任何熟悉本领域的技术人员在本说明书的教导下，所做出的所有等同替代、明显变形形式，均落在本说明书的实质范围之内，理应受到本发明的保护。

Claims (2)

1.一种用于空间光通信大口径激光远场分布的检测系统，其包括用于发出射入光的被测光端机与分析控制中心，其特征在于，所述检测系统还包括高倍率光束转换装置与五维调节机构，所述高倍率光束转换装置与所述五维调节机构之间自上而下依次设置有光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜与CCD探测器，所述CCD探测器设置在所述五维调节机构上，所述光学衰减片转轮、所述CCD探测器、所述五维调节机构分别与所述分析控制中心通信连接；射入光经高倍率光束转换装置转换后依次通过光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜，由五维调节机构上的CCD探测器接收；

所述高倍率光束转换装置包括壳体，所述壳体上设置有用于射入光的入射窗口与用于射出光的出射窗口，所述入射窗口与所述出射窗口之间的壳体内设置有抛物面主镜、抛物面次镜与平面反光镜，所述抛物面主镜设置在与所述入射窗口对应处，所述抛物面次镜设置在所述入射窗口下方，所述抛物面次镜与所述平面反光镜相对应，所述射入光平行照射到所述抛物面主镜上，所述抛物面主镜将所述射入光反射至所述抛物面次镜，所述抛物面次镜再将反射的所述射入光平行反射至所述平面反光镜，形成平行的射出光由所述出射窗口射出；

所述入射窗口设置在所述壳体左侧，所述出射窗口设置在所述壳体底部；所述射入光与所述射出光呈垂直状态；

所述抛物面次镜设置在所述抛物面主镜反射光焦点的后方。

2.一种使用权利要求1所述检测系统的检测方法，其包括以下步骤：使被测光端机的光轴与高倍率光束转换装置的光轴相重合，所述被测光端机发出大口径的射入光经所述高倍率光束转换装置转换为小口径的射出光，所述射出光依次经过光学衰减片转轮、傅里叶变换透镜，由五维调节机构上的CCD探测器接收，分析控制中心采集所述CCD探测器的数据得到所述射入光的远场分布图样；

上述步骤具体的还包括：调整所述光学衰减片转轮的位置，使所述CCD探测器获取图像的图像信噪比最高；

上述步骤具体的还包括：调整所述CCD探测器使其成像最清晰。