CN104467952A - 一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统及其模拟方法。本发明的远场光传输模拟系统包括：缩束望远镜、发射误差源模拟器、聚焦光路、光纤探针、第一准直光路、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、振动-相对运动模拟器和扩束光路；其中，缩束望远镜和聚焦光路构成一个等效傅立叶变换透镜，在其焦平面的位置设置光纤探针，得到入射光束的远场分布。本发明与传统的采用微孔的模拟方法相比，模拟的通信距离从1000公里以内，扩大到50万公里，提高了约500倍；考虑了大气信道、卫星平台的振动、背景光源等因素对接收信号的影响，更贴近空间激光通信端机在轨时的情形；整体结构简单，精度高。

Description

一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统及其模拟方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，尤其涉及一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统及其模拟方法。

背景技术

空间激光通信端机作为卫星的一种有效载荷，无论是在研制完成后，还是在发射之前，都要在地面对其主要的技术指标和性能参数进行严格的测试，例如，跟瞄精度、捕获特性、通信误码率等。通信端机分为发射端机和接收端机，二者共同组成一个相互耦合的系统，即空间激光通信系统。对于空间激光通信系统的测试可分为系统级别、端机级别、分系统级别以及模块级别。国内外比较典型的地面验证与测试系统有：欧空局ESA在SILEX计划中的地面支撑测试设备TTOGSE(Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系统测试平台STB(System Test Bed)、日本星间激光通信实验室开发的验证系统GOAL(Ground OpticalAssistance for LUCE)等。

上述测试系统都是在近距离实验室条件下进行的与光信号相关的测试，其最终目的就是得到空间激光通信系统未来在轨时的特性。由于实际的光通信的距离很远，一般在几百公里到几十万公里，甚至上亿公里，因此，光信号的接收是远场接收。在地面，由于大气的影响，采用把发射端机和接收端机拉开远场距离的方法显然是不现实的。因此，对于各种地面验证与测试系统，不管是基于什么原理和方法，都要求在满足远场接收条件的情况下，在近距离处获得被测端机或系统在轨时的性能。远场光传输地面模拟技术，是地面验证与测试系统中最核心的技术，其含义是在满足远场条件情况下，获得与接收端机在轨时相对应的光信号或电信号，以用于端机或系统各种性能指标的测试。

为了满足远场条件，一种方法是拆掉光学天线进行测试，将光束孔径变小，从而满足远场条件，如上文提到的ESA的SILEX计划就是采用这种方法。该方法后续要进行配套的元件、部件级别的测试以及计算机仿真，才能得到端机系统在轨时的特性。这种方法过程繁冗、不直接，而且只是部件或分系统级别的测试，不是整机的测试。更常用的方法是采用长焦距的透镜进行远场模拟，这种方法是把端机发出的光束用一套长焦距的透镜(实际也可能采用反射式的)，在其焦平面上即可得到模拟的远场光信号。

地面验证与测试系统，光满足远场条件是不够的，因为，远场只是模拟了发射的部分，要被对方的接收端机接收，还涉及到接收的部分，即，接收端机必须接收到与其在轨时接收的光功率相对应的光信号或电信号，这个过程就是所谓的光传输过程。传统的光传输模拟方法是在长焦距透镜焦上面得到发射端机发射光束的远场分布后，用一微孔进行取样接收，把接收的光信号再传递给接收端机。这种方法的缺点是能够模拟的通信距离非常有限，通常只能模拟1000公里以内的通信距离，而这个距离只能模拟一部分低轨道卫星之间或星地之间的激光通信，不能模拟更远的通信距离(如同步卫星GEO与低轨道卫星LEO之间的通信、月地之间的光通信、深空探测光通信等等)。为了能模拟更远的通信距离，有研究人员对聚焦的入射光斑进行多级光学成像放大器，然后用微孔接收。这种方法虽然增大了模拟的通信距离，但需要对光学放大倍数进行严格的标定，如标定存在误差，其后果是造成远场分布的“错位”，直接影响模拟的准确程度。另外，如透镜存在像差，则会造成远场分布的“变形”，也会影响到传输模拟精度。因此，目前的远场光传输模拟方法尚存在着通信模拟距离近，系统调试繁冗、精度难以保证、光路设计困难等问题。

另一方面，目前国内外地面验证与测试系统，对于远场光传输的模拟，仅仅考虑了光学远场条件，没有考虑大气信道、空间背景光、卫星平台的扰动等因素的影响，而实际中，这些影响因素是存在(大气信道因素存在于各种轨道卫星与地面之间的光通信)。因此，模拟的结果与实际状况有一定的差距。

综上所述，现有的远场光传输模拟方法模拟距离有限，难以满足实际需要，或者虽然能够模拟远距离，但存在模拟方法调试繁冗、精度难以保证、光路设计困难等问题。此外，还没有考虑如大气信道、空间背景光、卫星平台的扰动等因素的影响，模拟结果与实际状况有一定的差距。

发明内容

针对以上问题，本发明提出了一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统及其模拟方法，在满足远场条件的同时，考虑了大气信道、空间背景光、卫星平台的扰动等因素的影响，而且，模拟距离远，结构简单。

本发明的一个目的在于提供一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统。

本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统包括：缩束望远镜、发射误差源模拟器、聚焦光路、光纤探针、第一准直光路、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、振动-相对运动模拟器和扩束光路；其中，缩束望远镜和聚焦光路构成一个等效傅立叶变换透镜，在缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面得到入射光束的远场分布；发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束，入射到发射误差源模拟器；光束出射后经过聚焦光路聚焦，聚焦后形成光斑，代表发射端机发射光束的远场分布，光斑的部分光功率耦合进光纤探针；光纤探针位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面，对光斑进行波面取样；通过光纤探针的光束经过第一准直光路准直，变为窄孔径平行光束；平行光束经过大气信道模拟器，通过合束光路与背景光模拟器所发出的光合束；合束后的光束进入振动-相对运动模拟器；再经扩束光路扩束后，得到宽孔径的平行光束；最终被接收端机所接收。

缩束望远镜对来自发射端机的宽孔径波束进行孔径缩小，从而出射窄孔径的平行光束。

发射误差源模拟器用来模拟影响发射端机出射光束指向的各种误差源，包括所在的卫星平台的振动、卫星间的相对运动、卫星平台姿态确定误差和轨道误差等。平行的光束经过发射误差源模拟器发生摆动，最终影响的是接收端机接收的光功率。发射误差源模拟器可以采用摆动执行元件，如压电陶瓷PZT来实现。

光纤探针的尖端部分呈锥状，是取样窗口，外侧镀金属膜。光纤探针位于等效焦平面位置，其光轴与整个光路的光轴方向一致。经过发射误差源模拟器的平行光束由聚焦光路聚焦形成光斑，由于发射误差源模拟器的作用，使光斑产生离轴抖动，光纤探针对光斑取样，就可以获得与接收端机在轨时相一致的光功率。

大气信道模拟器用来模拟大气信道对光束的强度和相位的影响，包括光调制器和空间光调制器；光调制器调整光束的强度，用来模拟光信号在大气信道中传播时强度的衰减；空间光调制器用来模拟大气湍流引起的光束的相位变化。

背景光模拟器用来模拟接收端机所接收到的背景杂光干扰，包括宽光谱光源和第二准直光路，宽光谱光源出射发散光，经准第二直光路准直，再通过合束光路，与大气信道模拟器出射的光束合起来，进入振动-相对运动模拟器。

振动-相对运动模拟器用来模拟接收端机自身所在的航天器平台的振动，以及发射端机和接收端机之间的相对运动，可以采用摆动执行元件，如PZT来实现。经过振动-相对运动模拟器的光束发生抖动，然后经扩束光路扩束，变为孔径与接收端机相匹配的宽孔径平行光束，最终被接收端机接收。

上述模拟系统在实际应用中，由于每个光路中的每个透射面或反射面都有一定的光功率损失，因此，要对整体的光功率进行标定，剔除模拟系统带来的额外损失。

本发明的另一个目的在于提供一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统的模拟方法。

本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统的模拟方法，包括以下步骤：

1)发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

2)窄孔径的平行光束入射到发射误差源模拟器，出射后光束发生抖动；

3)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的远场分布，光斑的部分光功率耦合进位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面的光纤探针中，获得与接收端机在轨时相一致的光功率；

4)通过光纤探针的光束经过第一准直光路准直变为窄孔径的平行光束；

5)平行光束经过大气信道模拟器，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

6)合束后的光束进入振动-相对运动模拟器，光束发生抖动；

7)经扩束光路后，变成宽孔径的平行光束；

8)宽孔径平行光束被接收端机接收；

9)对整个模拟系统的光功率进行标定校准，以剔除模拟系统带来的额外的光功率损失。

本发明的基本理论依据是:利用一个傅立叶变换透镜，可以在其焦平面上获得入射光束的远场分布；理论推导可以得出，光纤探针输出的光功率与入射的光功率是成比例关系的，光纤探针在傅里叶变换透镜焦平面上进行波面取样，就可以获得与接收端机在轨时相一致的光功率。

本发明与传统采用微孔的模拟方法有本质的区别。首先，传统所采用的微孔进行波面取样的方法是基于菲涅尔衍射理论来进行取样传输的，而光纤探针对波面的取样及传输，由于其取样窗口直径已经小于波长，因此不能再用传统的菲涅尔衍射理论来解决，只能利用麦克斯韦方程及相关软件来确定其取样传输的情况；其次，目前，光纤探针的取样窗口的直径已经可以做到10纳米，远小于传统微孔的几个微米的取样窗口，因此，模拟通信距离更远。假如模拟的通信距离为z，接收端机实际的天线孔径为D，聚焦光路的等效焦距为f，取样窗口的直径为d_r，则有如下的理论公式：

$z=\frac{\mathrm{fD}}{d_r}$

由上面的公式可以看出，取样窗口的直径越小，模拟的通信距离越远。

本发明的优点：

(1)与传统的采用微孔的模拟方法相比，模拟的通信距离从1000公里以内，扩大到50万公里，提高了约500倍；

(2)考虑了大气信道、卫星平台的振动、背景光源等因素对接收信号的影响，更贴近空间激光通信端机在轨时的情形；

(3)整体结构简单，精度高。

附图说明

图1为本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统的结构框图；

图2为本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统的光纤探针的结构示意图；

图3为本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统的一个实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明做进一步说明。

如图1所示，本发明的基于光纤探针的远场光传输模拟系统的包括：缩束望远镜、发射误差源模拟器2、聚焦光路3、光纤探针4、第一准直光路5、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路8、振动-相对运动模拟器9和扩束光路10。

如图2所示，光纤探针的尖端部分呈锥状，是取样窗口，外侧镀金属膜。光纤探针位于等效焦平面位置，其光轴与整个光路的光轴方向一致。经过发射误差源模拟器的平行光束由聚焦光路聚焦形成光斑，由于发射误差源模拟器的作用，使光斑产生离轴抖动，光纤探针对光斑取样，就可以获得与接收端机在轨时相一致的光功率。

如图3所示，缩束望远镜包括入射窗11、第一非球面反射镜12、第二非球面反射镜13、第三非球面反射镜14、平面反射镜15、出射窗16、真空泵17、密封真空罐18，这种反射式望远镜光路的优点是不存在色差，可以适合更广泛的波段，另外，由于整个光路采用了密封真空罐18，由真空泵17抽真空，既可以消除外界杂散光的影响，又可以大大减小气流对光路的影响；大气信道模拟器包括光调制器61和空间光调制器62；背景光模拟器包括宽光谱扩展光源71和第二准直光路72；还包括光路转折反射镜20和控制计算机21。发射端机TT发出平行光束，通过入射窗11进入密封真空罐18，分别经第一非球面反射镜12、第二非球面反射镜13和第三非球面反射镜14之后，被缩束成窄孔径平行波束，经平面反射镜15反射后，从出射窗16出射；；从缩束望远镜缩束后的平行光束，经光路转折反射镜20反射后，入射到发射误差源模拟器2；光束出射后经过聚焦光路3聚焦；聚焦光斑部分耦合进位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面的光纤探针4，光纤探针进行波面取样；通过光纤探针的光束经过第一准直光路5准直，变为窄孔径平行光束；平行光束经过光调制器61及空间光调制器62，模拟大气信道效应；宽光谱扩展光源71与第二准直光路72构成背景光模拟器，用来模拟接收端机在轨时的背景光，宽光谱扩展光源71位于第二准直光路72的焦平面上；从第二准直光路72出射的平行光束与从空间光调制器62出射的光束通过合束光路8进行合束；合束后的光束进入振动-相对运动模拟器9；经扩束光路10后，变成宽孔径平行光束；宽孔径平行光束由接收端机RT接收。发射误差源模拟器8采用2D摆动PZT来实现；聚焦光路3采用聚焦反射镜；振动-相对运动模拟器采用2D摆动PZT。空间光调制器可采用液晶式的空间光调制器；光调制器、空间光调制器、发射误差源模拟器、振动-相对运动模拟器分别连接至计算机21，进行控制。

本实施例的基于光纤探针的远场光传输模拟方法，包括以下步骤：

1)根据通信距离、接收端机接收孔径、确定聚焦光路的焦距及光纤探针的取样窗口直径；

2)发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

3)窄孔径的平行光束入射到发射误差源模拟器，出射后光束发生抖动；

4)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的远场分布，光斑部分耦合进位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面的光纤探针，获得与接收端机在轨时相一致的光功率；

5)通过光纤探针的光束经过第一准直光路准直变为窄孔径的平行光束；

6)平行光束经过大气信道模拟器，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

7)合束后的光束进入振动-相对运动模拟器，光束发生抖动；

8)经扩束望远镜后，变成宽孔径平行光束；

9)宽孔径平行光束由接收端机接收；

10)对整个模拟系统的光功率进行标定，以剔除模拟系统带来的额外的光功率损失。

发射误差源模拟器主要根据误差源的大小，折算成或等效成PZT摆动的角度，由计算机来控制PZT摆动相应的幅度，误差大时，摆动的幅度也大，则光纤探针接收的光功率减小，以此模拟各种误差源对接收端机的接收光功率的影响，振动-相对运动模拟器的原理与此类似。光调制器主要是依据光束在大气信道中传播时光功率的衰减，可根据理论计算、软件仿真获得衰减系数，并通过计算机来控制光调制器，使得出射的光束功率产生相应的衰减。空间光调制器用来模拟光束在大气信道传播时，相位的变化，如，湍流效应，可根据理论计算、软件仿真来得到相位变化情况，并通过计算机来进行控制。

通过实验研究，本发明的模拟精度，完全能够满足实际通信系统模拟精度的要求。

最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (4)

1.一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统，其特征在于，所述远场光传输模拟系统包括：缩束望远镜、发射误差源模拟器、聚焦光路、光纤探针、第一准直光路、大气信道模拟器、背景光模拟器、合束光路、振动-相对运动模拟器和扩束光路；其中，所述缩束望远镜和聚焦光路构成一个等效傅立叶变换透镜，在缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面得到入射光束的远场分布；所述发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束，入射到发射误差源模拟器；光束出射后经过聚焦光路聚焦，聚焦后形成光斑，代表发射端机发射光束的远场分布，所述光斑的部分光功率耦合进光纤探针；所述光纤探针位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面，对光斑进行波面取样；通过光纤探针的光束经过第一准直光路准直，变为窄孔径平行光束；平行光束经过大气信道模拟器，通过合束光路与背景光模拟器所发出的光合束；合束后的光束进入振动-相对运动模拟器；再经扩束光路扩束后，得到宽孔径的平行光束；最终被接收端机所接收。

2.如权利要求1所述的远场光传输模拟系统，其特征在于，所述大气信道模拟器包括光调制器和空间光调制器；所述光调制器调整光束的强度，用来模拟光信号在大气信道中传播时强度的衰减；所述空间光调制器用来模拟大气湍流引起的光束的相位变化。

3.如权利要求1所述的远场光传输模拟系统，其特征在于，所述背景光模拟器包括宽光谱光源和第二准直光路，所述宽光谱光源出射发散光，经准第二直光路准直，再通过合束光路，与大气信道模拟器出射的光束合起来，进入振动-相对运动模拟器。

4.一种基于光纤探针的远场光传输模拟系统的模拟方法，其特征在于，所述模拟方法包括以下步骤：

1)发射端机发出平行光束，进入到缩束望远镜进行缩束，得到窄孔径的平行光束；

2)窄孔径的平行光束入射到发射误差源模拟器，出射后光束发生抖动；

3)光束经过聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的远场分布，光斑的部分光功率耦合进位于缩束望远镜和聚焦光路构成的等效傅立叶变换透镜的焦平面的光纤探针中，获得与接收端机在轨时相一致的光功率；

4)通过光纤探针的光束经过第一准直光路准直变为窄孔径的平行光束；

5)平行光束经过大气信道模拟器，通过合束光路与背景光模拟器发出的背景光合束；

6)合束后的光束进入振动-相对运动模拟器，光束发生抖动；

7)经扩束光路后，变成宽孔径的平行光束；

8)宽孔径平行光束被接收端机接收；

9)对整个模拟系统的光功率进行标定校准，以剔除模拟系统带来的额外的光功率损失。