CN104539349A - 多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试的方法，该测试系统包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备；其中，动态参数测试模拟平台包括A端望远镜、A端分光光路等结构，静态参数测量设备包括静态参数测量装置和可移动平面反射镜；当可移动平面反射镜置于测试系统光路中，由被测端机AT出射的光束通过反射进入静态参数测量装置，用于进行静态参数包括如超前瞄准误差、远场分布、光功率和静态指向误差的测试；当移出光路时，用于进行动态参数的端机级别的系统测试。本发明实现了一机多用，节省了研发、运营和维护费用，占用空间小，且测量精度高。

Description

多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，特别是涉及一种多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法。

背景技术

空间激光通信系统作为一种有效载荷，无论是在研制完成后，还是在发射之前，都要对其主要的技术指标进行严格的测试，这些指标包括动态参数如跟瞄精度、捕获特性、通信误码率等，以及静态参数如超前瞄准误差、远场分布、光功率、静态指向误差等。一般空间激光通信的距离为几百公里至几十万公里，甚至更远，而光端机的孔径在几厘米到几十厘米，所以，光信号的接收为远场接收。空间激光通信地面测试可分为系统级别的测试、分系统或模块级别的测试以及元件级别的测试。发射端机和接收端机可以统称为通信端机，简称为端机。发射端机和接收端机共同组成一个相互耦合的系统，而所谓端机级系统测试是指在实验室近距离条件下，两个通信端机整机，直接互相对准，进行捕获、跟瞄、通信等性能指标的测试。端机级的系统性能测试的优点是“所见即所得”，即，其测试结果直接代表着被测光通信系统在轨时的特性，而不需要再用仿真模型，推断在轨时的性能，是一种与在轨情形最为接近地面测试方法，系统级别的测试在信道上一定是存在双向的光信号。

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)、日本ART光通信和射频通信研究室研究的自由空间激光传输模拟器、美国喷气推进实验室JPL开发了LTES(Lasercom Test and Evaluation Station)测试系统以及北京大学研制的激光通信远场特性参数测试系统。

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端机未来在轨时的特性。无论什么样的地面验证与测试系统，欲使其测试结果等价于实际在轨时的情形，必须满足光远场条件，或者模拟远场条件。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，解决的方法有三种，一种是拆掉光学天线进行测试的方法，由于光束孔径变小，远场条件容易得到满足，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部件、元件的测试以及计算机仿真，才能间接得到端机系统在轨时的特性，过程繁冗，无法实现整机的测试。另一种解决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，为了使对方接收端机接收到与其在空间在轨时相对应的光功率，常使用一微孔在焦平面进行波面取样，取样后的光信号传递给对方接收端机，微孔的尺寸按比例，对应于空间实际接收天线的孔径。这种测试方法虽然是整机的测试，但只是实现了单方向的信号传输，而实际的激光通信系统，需要每一个通信端机必须跟踪对方的信号，实现双向锁定，即，信道上的光束一定是双向的。还有一种是模拟远场的测试方法，这种方法的原理是，由于在光通信中，光信号的接收是远场接收，接收天线的孔径相对于入射波面的曲率非常小，因此，在接收端机接收孔径范围内，入射光信号可以看成是均匀的平行光。根据这一原理，在一些地面验证与测试方法当中，比如，跟瞄精度的测试，采用的是一束模拟的平行光束，入射到通信端机中，以此来模拟对方端机发射的光束。这种方法仍然是属于单机的测试。

上述三种满足远场条件的测试方法，或者不是整机的性能测试，或者在信道上仅存在单向信号，与实际的双向信号不符，或者只是单个通信端机的测试，尚未实现两个端机整机直接对准的系统级的测试。另一方面，目前国内外地面验证与测试系统，仅仅考虑了光学远场的条件，没有考虑卫星间的相对运动、大气信道等因素的影响。例如，在星地激光通信链路中，大气信道对光传输的影响是不可避免的。最后，从功能的角度，国内外的地面验证系统针对动态指标和静态指标的测试都是采用两个分开的独立的系统，功能相对单一，无法实现利用一个系统同时完成动态指标和静态指标多功能的地面测试。

被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，未来在轨时，被测端机AT和被测端机BT进行光通信。被测端机AT和BT所发射的光束可以是信标光、通信光或跟踪光。现有的空间激光通信地面验证与测试技术，尚未实现在近距离处、端机级别的系统测试，即近距离的直接端机间对准性能测试，同时，也没有实现在一个地面验证与测试系统中既能测试动态参数，也能测试静态参数。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法，该系统除了能够实现对动态参数的端机级别的系统测试，还能进行静态参数的测试。

本发明的技术方案是：

一种多功能空间激光通信地面测试系统，该测试系统包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备；其中，空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6、B端背景光模拟器7、AB合束光路8、B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、A端背景光模拟器16、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18和计算机CPU 19；静态参数测量设备包括静态参数测量装置22和用于将从被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置22中的可移动平面反射镜23；可移动平面反射镜23置于A端望远镜1和A端分光光路2之间；静态参数测量装置22包括第一分光镜221、第一聚焦透镜222、相机223、第二分光镜224、第二聚焦透镜225、光电接收元件226、出射激光器227、第三分光镜228、第三聚焦透镜229、面阵光电接收元件2210、平面反射镜2211、角锥棱镜2212、遮光板2213、第四聚焦透镜2214、微孔2215及准直透镜2216；当可移动平面反射镜23置于本测试系统的光路中，由被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置22，用于进行静态参数的测试；当可移动平面反射镜23移出本测试系统的光路时，用于进行动态参数的端机级别的系统测试；被测端机AT出射的光束依次经过A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6；与来自B端背景光模拟器7的光束经AB合束光路8合束，再依次经过B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10和B端望远镜11，被被测端机BT接收后回馈一回馈光束；该回馈光束依次经过B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15；与来自A端背景光模拟器16的光束经BA合束光路17合束，再依次经过A端振动-相对运动模拟器18、A端分光光路2和A端望远镜1，由被测端机AT接收。

上述静态参数测量设备中：

第一聚焦透镜222、第二聚焦透镜225和第三聚焦透镜229均为反射或透射式聚焦透镜。

第一分光镜221和第二分光镜224为部分透射、部分反射型分光镜，而第三分光镜228为二向色分光镜或偏振分光镜。

相机223为CMOS或CCD相机。

光电接收元件226可用光电二极管或光电三极管来实现。

从微孔2215出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微孔2215位于准直透镜2216的焦点上。微孔2215的孔径在保证一定透过率的情况下，尽可能小。

面阵光电接收元件2210可用面阵CCD相机或CMOS相机来实现。

被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，采用上述多功能空间激光通信地面测试系统，可实现对该光通信系统的动态参数进行端机级的系统测试，同时也能对被测端机AT或被测端机BT进行静态参数的测试。

上述多功能空间激光通信地面测试系统在工作时，若将可移动平面反射镜23置于本测试系统的光路中，则通过静态参数测量装置进行静态参数的测试；而将可移动平面反射镜23移出本测试系统的光路时，则静态参数测量装置不工作，而通过空间激光通信的动态参数测试模拟平台进行动态参数的端机级别的系统测试。

采用上述多功能空间激光通信地面测试系统对被测端机AT进行静态参数测试的方法，通过静态参数测量装置对被测端机AT进行静态参数如超前瞄准误差、静态指向误差、远场分布和光功率的测试，包括如下步骤：

第一步，得到代表出射光束方向的聚焦光斑的位置

这一步的光路参见图7中的虚框部分。这一步需将遮光板2213移出光路。出射激光器227发射的光束首先进过第四聚焦透镜2214进行聚焦，第四聚焦透镜2214可用显微物镜来实现；在第四聚焦透镜2214焦点处放置一微孔2215，微孔的孔径在保证一定透过率的情况下，尽可能小，从微孔出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微孔位于准直透镜2216的焦点上；平行光束经过第三分光镜228之后，大部分光反射，一小部分光透射；透射的小部分光经过角锥棱镜2212之后，原路返回，经过第三分光镜228的反射及第三聚焦透镜(反射或透射式)229之后，照射到面阵光电接收元件2210上形成聚焦光斑，经过面阵光电接收元件2210光电转换，可以得到光斑在面阵光电接收元件2210上的位置，经过对面阵光电接收元件2210标定后，该位置代表了出射光的方向，面阵光电接收元件2210可用面阵CCD相机或CMOS相机来实现；反射的大部分光，进入到下面的第二步；

第二步，得到来自于被测端机AT的平行光束

这一步的光路参见图8中的虚框部分；上述经过第三分光镜228反射的大部分光，照射到平面反射镜2211上，从平面反射镜2211反射，顺次经过第二分光光路224及第一分光镜221后，入射到被测端机AT中，作为被测端机AT的接收光束，被测端机利用其精瞄光电传感器对入射光束的方向进行探测，确定光束的方向，回馈一平行光束，该平行光束与入射光束间有个夹角，这个角度是超前瞄准角，或者是端机静态指向误差(超前瞄准角为零时)，该平行光束从被测端机AT出射；

第三步，得到来自于被测端机AT的光束的方向

这一步需将遮光板2213移入光路中。第二步中的平行光束从被测端机AT出射后，进入到第一分光镜221，经过第一分光镜之后，光路分成两路，一路透射，一路反射；经过第一分光镜221透射部分的光束进入第五步；经过第一分光镜221反射的光束入射到第二分光镜224之后，同样分成两路，一路反射，一路透射；经过第二分光镜224的透射光顺次经过平面反射镜2211、第三聚焦透镜(反射或透射式)229后，照射到面阵光电接收元件2210，得到一聚焦光斑，经过处理，得到聚焦光斑的位置；该光斑位置反映了来自于被测端机A的光束的方向；经过第二分光光路224的反射光进入第六步；

第四步，第一步和第二步中前后两次光斑位置差，经过对面阵光电接收元件2210进行标定,标定方法按照常规的面阵光电传感器标定方法,如,给聚焦透镜及面阵光电接收元件输入已知转角光束的标定方法和实物标定方法，即得到被测端机AT的超前瞄准误差或静态指向误差；

第五步，测试光束的远场分布

第三步中经过第一分光镜221透射部分的光束经过第一聚焦透镜(反射或透射式)222之后，聚焦到CMOS或CCD相机223上，由223实现光斑的数字化后，经过处理，得到入射光束的远场分布；

第六步，测试光束的光功率

第三步中经过第二分光光路224的反射光经过第二聚焦透镜(反射或透射式)225聚焦后，照射到光电接收元件226上，实现光电转换，经过后续处理和计量标定，可以得到入射光的光功率，光电接收元件226可用光电二极管或光电三极管来实现。

采用上述多功能空间激光通信地面测试系统对被测端机AT进行静态参数测试的方法中，第一步从微孔2215出射发散光束的发散角大小，根据公式2来计算得到：

$\mathrm{\α}=\frac{d}{f}$     (公式2)

公式2中，α为从微孔2215出射光束的发散角；d为微孔2215的尺寸，可按实际需要设计；f为准直透镜2216的焦距。

针对本发明提供的多功能空间激光通信地面测试系统，其中该测试系统包括的空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6、B端背景光模拟器7、AB合束光路8、B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、A端背景光模拟器16、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18和计算机CPU 19；被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，被测端机AT所发出的平行光束A1首先经过A端望远镜1进行缩束，出射的光束为窄口径的平行光束A2；光束A2经过A端分光光路2出射光束A3进入到A端指向误差源模拟器3，出射方向产生抖动的平行光束A4；光束A4进入到A端远场接收模拟器4中，出射发散光束A5；光束A5经过A端准直光路5进行准直之后，变为窄口径的平行光束A6，进入到A端大气信道模拟器6中，出射幅度和相位发生变化的光束A7；光束A7经过AB合束光路8与来自于B端背景光模拟器7的光束合束，变成一束光A8出射；光束A8进入到B端振动-相对运动模拟器9中，出射方向发生变化的光束A9；光束A9进入到B端分光光路10，出射光束A10；光束A10进入到B端望远镜11中，变成宽口径的光束A11出射；光束A11再进入到被测端机BT中；同时被测端机BT回馈出射的宽口径光束B1首先经过B端望远镜11变成窄口径平行光束B2；光束B2经过B端分光光路10出射光束B3；光束B3进入到B端指向误差源模拟器12中，出射平行光束B4；光束B4进入到B端远场接收模拟器13中，出射发散光束B5；光束B5经过B端准直光路14准直之后，变为窄口径平行光束B6，进入到B端大气信道模拟器15中；从B端大气信道模拟器15出射幅度和相位发生变化的光束B7经过BA合束光路17与来自于A端背景光模拟器16的光束合束，变成一束光B8；光束B8进入到A端振动-相对运动模拟器18中，出射方向发生变化的光束B9；光束B9进入到A端分光光路2中，出射光束B10进入到A端望远镜1中，从A端望远镜1出射宽口径的光束B11；光束B11再进入到被测端机AT中。

上述空间激光通信地面测试模拟平台还包括第一光路转折平面反射镜20和第二光路转折平面反射镜21；从被测端机BT反馈的出射光束经过B端分光光路10之后，反射到第一光路转折平面反射镜20上，出射光束随后经过B端指向误差源模拟器12，B端指向误差源模拟器12出射的光束经过第二光路转折平面反射镜21，再进入到B端远场接收模拟器13中。

上述空间激光通信地面测试模拟平台中，进一步地，A端望远镜1和B端望远镜11结构相同，均包括入射窗111、第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面反射镜114、平面反射镜115、出射窗116、真空泵117和密封真空罐118；第一非球面反射镜112和第二非球面反射镜113组成一个等效物镜；第三非球面反射镜114相当于目镜，它的焦点与第一非球面反射镜112和第二非球面反射镜113组成的等效物镜的焦点共焦；入射窗111、第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面反射镜114、平面反射镜115及出射窗116均位于密封真空罐118内部；真空泵117位于密封真空罐118外部，其通过阀门管道与密封真空罐118连接；第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面反射镜114均为离轴非球面反射元件；从AT或BT发射的光束，首先由入射窗111入射到第一非球面反射镜112，出射光束到第二非球面反射镜113，再从第二非球面反射镜113出射光束到第三非球面反射镜114，出射的光束经过平面反射镜115之后，从出射窗116出射。A端望远镜1和B端望远镜11的参数，如口径、放大倍数、结构尺寸等，具体根据实际要求来设计，两者会有差异。

A端分光光路2和B端分光光路10均用于将AT、BT两个被测端机来源的光束分开；可以采用偏振分光镜或二向色分光镜来实现。

A端指向误差源模拟器3和B端指向误差源模拟器12分别用来模拟影响相应的被测端机出射光束指向的各种误差源，包括被测端机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、轨道误差等，这些误差源最终影响的是对方端机接收的光功率。A、B端指向误差源模拟器都可以用摆动执行元件，如PZT(压电陶瓷)摆镜或电磁振镜，使入射的光束的方向发生变化、产生抖动，误差越大，摆动的角度越大，可由计算机CPU 19来控制。

A端远场接收模拟器4和B端远场接收模拟器13结构相同，均用来模拟从被测端机发出的光束经过长距离传输后，被对方端机的光学天线口径接收的过程；A、B端远场接收模拟器可以用一个长焦距的透镜或反射式的透镜把入射的平行光束聚焦，在其焦平面上用一个取样窗口进行波面采样，取样窗口的大小对应于对方被测端机的光学天线的天线口径。A端远场接收模拟器4由A端聚焦光路41及A端取样窗口42所组成；A端聚焦光路41是由一个离轴的反射式聚焦透镜组成；A端取样窗口42位于由A端聚焦光路41与A端望远镜1组成的一个等效聚焦透镜的焦点上，取样窗口的直径与等效聚焦透镜的等效焦距的关系用公式1表示：

$z=\frac{\mathrm{fD}}{d_r}$      (公式1)

公式1中，z为模拟的通信距离，D为接收端机实际的天线口径，f为等效聚焦透镜的等效焦距，d_r为取样窗口的直径。由公式1可以看出，取样窗口的直径越小，模拟的通信距离越远；实际中依据此公式进行相关参数的选取。A、B端远场接收模拟器的取样窗口的尺寸大小等参数可以不同。

A端取样窗口42由光纤探针、光纤或机械微孔所构成；当模拟的通信距离小于或等于1000公里时，采用光纤或机械微孔，当模拟的距离超过1000公里时，采用光纤探针，用光纤探针的针尖部分作为取样窗口。

A端准直光路5和B端准直光路14结构相同，都由离轴反射式聚焦透镜组成，但一些参数，如焦距、口径等可以不同；均用于对经过的发散光束进行准直，形成窄口径平行光束；A端取样窗口42的出射点位于A端准直光路5的焦点上。

A端大气信道模拟器6和B端大气信道模拟器15结构相同，均包括光调制器和空间光调制器；其具体参数控制需要根据实际的信道来设置；入射光束经过光调制器后，再经过空间光调制器出射；用于模拟信道中大气信道对光束强度和相位产生的影响，出射光束的强度和相位均发生变化。

B端背景光模拟器7和A端背景光模拟器16结构相同，均包括宽光谱扩展光源和准直光路；光束由宽光谱扩展光源经过准直光路后出射；用于模拟相应被测端机在视场范围内接收到的背景杂光；由于面对的背景光有差异，其接收到的背景光的强度会有差异。

AB合束光路8和BA合束光路17均用于将A、B两端不同来源的光束进行合束，变成一束光。

B端振动-相对运动模拟器9和A端振动-相对运动模拟器18均可用来模拟相应端的被测端机所在的卫星平台的振动以及两端被测端机之间的相对运动对光束方向的影响；A、B端振动-相对运动模拟器均可以采用摆动执行元件如PZT(压电陶瓷)摆镜或电磁振镜使入射的光束的方向发生变化，产生抖动来模拟这种影响。

本发明A、B端远场接收模拟器的工作原理是：用一个长焦距的透镜或反射式的透镜把入射的平行光束聚焦，在其焦平面上用一个取样窗口进行波面采样，取样窗口的大小对应于对方被测端机的光学天线的接收口径，取样窗口波面取样的光功率最终被传递给对方被测端机，波面取样的能量(即光功率)对应于对方被测端机所接收的能量。A、B端望远镜与A、B端远场接收模拟器中的聚焦光路组成一个等效的长焦距聚焦透镜，在该等效聚焦透镜的焦平面上就可以得到入射光束的远场分布，这个等效聚焦透镜也叫做傅里叶变换透镜，得到入射光束的远场分布之后，再用取样窗口进行波面取样，就可以得到对应于对方被测端机在轨时对应的接收到的光功率；A端远场接收模拟器由A端聚焦光路41及A端取样窗口42所组成；A端聚焦光路41是由一个离轴的反射式聚焦透镜组成，采用反射式聚焦透镜的好处是不存在色差，能用于更广泛的波段；A端取样窗口42位于由A端聚焦光路41与A端望远镜1组成一个等效的聚焦透镜的焦点上，在等效焦平面上可得到被测端机AT的远场分布；由光纤探针、光纤或机械微孔所构成，当模拟的通信距离小于等于1000公里时，采用光纤或机械微孔，当模拟的距离超过1000公里时，采用光纤探针时，用光纤探针的针尖部分作为取样窗口；B端远场接收模拟器与A端远场接收模拟器的结构是相同的，但有些参数，如取样窗口尺寸可能有差异。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供了一种多功能空间激光通信地面测试系统，该系统能够实现对动态参数的端机级的系统测试，也能进行静态参数的测试。与现有技术相比，本发明的优点是：

一、在近距离范围内，对两个被测端机组成的通信系统，可实现对动态参数的端机级的系统测试，其测试结果可直接反映在轨时的性能指标；同时也能进行静态参数的测试，实现了一机多用，节省了研发、运营和维护费用，占用空间更小。

二，能够模拟影响空间激光通信性能的各种外界因素，如卫星平台的振动、大气信道、卫星间的相对运动、背景光等，与实际在轨时的情形更加接近。

三，提供一种对被测端机进行静态参数测试的方法，测量精度高。

附图说明

图1是本发明的总体框图。

图2是本发明实施例的结构示意图，

其中：1—A端望远镜；2—A端分光光路；3—A端指向误差源模拟器；41—A端远场接收模拟器的聚焦光路；42—A端远场接收模拟器的取样窗口；5—A端准直光路；6—A端大气信道模拟器；7—B端背景光模拟器；8—AB合束光路；9—B端振动-相对运动模拟器；10—B端分光光路；11—B端望远镜；12—B端指向误差源模拟器；131—B端远场接收模拟器的聚焦光路；132—B端远场接收模拟器的取样窗口；14—B端准直光路；15—B端大气信道模拟器；16—A端背景光模拟器；17—BA合束光路；18—A端振动-相对运动模拟器；19—计算机CPU；20—第一光路转折平面反射镜；21—第二光路转折平面反射镜；22—静态参数测量装置；23—可移动平面反射镜。

图3为A望远镜或B端望远镜的结构示意图，以A望远镜为例，

其中：111—入射窗；112—第一非球面反射镜；113—第二非球面反射镜；114—第三非球面反射镜；115—平面反射镜；116—出射窗；117—真空泵；118—密封真空罐。

图4为A端大气信道模拟器和B端背景光模拟器的结构组成及连接关系示意图，

其中：61—A端大气信道模拟器的光调制器；62—A端背景光模拟器的空间光调制器；71—B端背景光模拟器的宽光谱扩展光源；72—B端背景光模拟器的准直光路；8—AB合束光路。

图5为本发明实施例中静态参数测量装置的结构组成及光路示意图；

图6为本发明实施例静态参数测量中远场分布及光功率测试方法光路示意图；

图7为本发明实施例静态参数测量中超前瞄准误差及静态指向误差测量中，出射光束方向确定光路示意图；

图8为本发明实施例静态参数测量中超前瞄准误差及静态指向误差测量中，回馈光束方向确定光路示意图；

图5～图8中：221—第一分光镜；222—第一聚焦透镜；223—相机；224—第二分光镜；225—第二聚焦透镜；226—光电接收元件；227—出射激光器；228—第三分光镜；229—第三聚焦透镜；2210—面阵光电接收元件；2211—平面反射镜；2212—角锥棱镜；2213—遮光板；2214—第四聚焦透镜；2215—微孔；2216—准直透镜。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

图1是本发明的总体框图，多功能空间激光通信地面测试系统包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备；其中，空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6、B端背景光模拟器7、AB合束光路8、B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、A端背景光模拟器16、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18和计算机CPU 19；静态参数测量设备包括静态参数测量装置22和用于将从被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置22中的可移动平面反射镜23；可移动平面反射镜23置于A端望远镜1和A端分光光路2之间；静态参数测量装置22包括第一分光镜221、第一聚焦透镜222、相机223、第二分光镜224、第二聚焦透镜225、光电接收元件226、出射激光器227、第三分光镜228、第三聚焦透镜229、面阵光电接收元件2210、平面反射镜2211、角锥棱镜2212、遮光板2213、第四聚焦透镜2214、微孔2215及准直透镜2216。

静态参数测量装置22的结构组成如图5所示。第一分光镜221、第一聚焦透镜222、相机223从左到右依次放置；第二分光镜224置于第一分光镜221上方，其右方从左到右依次放置第二聚焦透镜225和光电接收元件226；平面反射镜2211置于第二分光镜224上方，其右方从左到右依次放置第三分光镜228、第三聚焦透镜229、面阵光电接收元件2210；角锥棱镜2212置于第三分光镜228的上方，遮光板2213位于角锥棱镜2212与第三分光镜228之间；第三分光镜228的下方从上到下依次放置准直透镜2216、微孔2215、第四聚焦透镜2214和出射激光器227。

上述静态参数测量设备中：

第一聚焦透镜222、第二聚焦透镜225和第三聚焦透镜229均为反射或透射式聚焦透镜。

第一分光镜221、第二分光镜224为部分透射、部分反射型分光镜，而第三分光镜228为二向色分光镜或偏振分光镜。

相机223为CMOS或CCD相机。

光电接收元件226可用光电二极管或光电三极管来实现。

微孔2215的孔径在保证一定透过率的情况下，尽可能小，从微孔出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微孔位于准直透镜2216的焦点上。

面阵光电接收元件2210可用面阵CCD相机或CMOS相机来实现。

本实施例中，被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，未来在轨时，被测端机AT和被测端机BT进行光通信。被测端机AT和BT所发射的光束可以是信标光、通信光或跟踪光。如图2所示，将可移动平面反射镜23移进光路中，从被测端机AT出射的光束进入到静态参数测量装置22中，进行静态参数的测试；而将可移动平面反射镜23移出光路时，静态参数测量装置不工作。图5是静态参数测量装置的结构组成示意图。采用多功能空间激光通信地面测试系统对被测端机AT进行静态参数测试，包括远场分布、光功率、超前瞄准误差和静态指向误差的测试，如图6、图7、图8所示，包括如下过程：

过程一，测试光束的远场分布和光功率

这一步的光路参见图6中的虚框部分。来自于被测端机AT的光束进入到第一分光镜221，经过第一分光镜之后，光路分成两路，一路透射，一路反射，透射部分经过第一聚焦透镜(反射或透射式)222之后，聚焦到CMOS或CCD相机223上，由223实现光斑的数字化后，经过处理，得到入射光束的远场分布；另一路经过221反射的光束入射到第二分光镜224之后，同样分成两路，一路反射，一路透射，反射光经过第二聚焦透镜(反射或透射式)225聚焦后，照射到光电接收元件226上，实现光电转换，经过后续处理及计量标定，可以得到入射光的光功率，光电接收元件226可用光电二极管或光电三极管来实现；

对于超前瞄准误差参数测试和静态指向误差测试，以被测端机AT为例来说明，可以分成两步来实现，第一步是出射光束方向的确定，用图7说明，第二步，来自于被测端机AT的光束的方向的确定，用图8说明。

过程二，测试超前瞄准误差及静态指向误差

第一步，确定出射光束方向

这一步的光路参见图7中的虚框部分。这一步需将遮光板2213移出光路。出射激光器227发射的光束首先进过第四聚焦透镜2214进行聚焦，第四聚焦透镜2214可用显微物镜来实现；在第四聚焦透镜2214焦点处放置一微孔2215，微孔的孔径在保证一定透过率的情况下，尽可能小，从微孔出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微孔位于准直透镜2216的焦点上；平行光束经过第三分光镜228之后，大部分光反射，一小部分光透射；透射的小部分光经过角锥棱镜2212之后，原路返回，经过第三分光镜228的反射及第三聚焦透镜(反射或透射式)229之后，照射到面阵光电接收元件2210上形成聚焦光斑，经过面阵光电接收元件2210光电转换，可以得到光斑在面阵光电接收元件2210上的位置，经过对面阵光电接收元件2210进行标定，该位置代表了出射光的方向，面阵光电接收元件2210可用面阵CCD相机或CMOS相机来实现；反射的大部分光照射到2211上，进入第二步；

第二步，确定来自于被测端机AT的光束的方向

这一步的光路参见图8中的虚框部分。把遮光板2213移入光路中。从227出射的光束，经过2214、2215、2216之后，经过228反射，照射到2211上，从平面反射镜2211反射的光，顺次经过第二分光光路224及第一分光镜221后，入射到被测端机AT中，作为被测端机AT的接收光束，被测端机利用其精瞄光电传感器对入射光束的方向进行探测，确定光束的方向，回馈一平行光束，该平行光束与入射光束间有个夹角，这个角度是超前瞄准角，或者是端机静态指向误差(超前瞄准角为零时)，该平行光束从被测端机AT出射后，顺次经过第一分光镜221、第二分光镜224、平面反射镜2211、第三聚焦透镜(反射或透射式)229后，照射到面阵光电接收元件2210，得到一聚焦光斑，经过处理，得到聚焦光斑的位置，经过对面阵光电接收元件2210进行标定，可以得到来自于被测端机AT的光束的方向；

第三步，第一步和第二步中前后两次光斑位置差即为被测端机AT的超前瞄准误差或静态指向误差。

本测试系统包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备；其中，空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6、B端背景光模拟器7、AB合束光路8、B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、A端背景光模拟器16、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18、计算机CPU 19、第一光路转折平面反射镜20、第二光路转折平面反射镜21。

本实施例中，A端望远镜1置于被测端机AT的右面，在A端望远镜1的右面依次放置A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6、AB合束光路8、B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11；被测端机BT置于B端望远镜1的右面；B端背景光模拟器7置于AB合束光路8的上面或下面(取决于分光光路分光镜的放置方向)；在B端分光光路10的下面放置第一光路转折平面反射镜20；第一光路转折平面反射镜20的左面依次放置B端指向误差源模拟器12和第二光路转折平面反射镜21；在第二光路转折平面反射镜21的下面放置B端远场接收模拟器13；B端准直光路14置于B端远场接收模拟器13的左面；在B端准直光路14的上面依次放置B端大气信道模拟器15、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18；A端振动-相对运动模拟器18的上面为A端分光光路2；A端背景光模拟器16置于BA合束光路17的右面；计算机CPU 19分别与A端指向误差源模拟器3、B端振动-相对运动模拟器9、B端大气信道模拟器15和A端振动-相对运动模拟器18相连接。

上述空间激光通信的动态参数测试模拟平台的结构中，A端望远镜1和B端望远镜11这两个望远镜结构是相同的，只是参数方面，如口径、放大倍数、结构尺寸等有差异，具体根据实际要求设计的。以A端望远镜结构为例来说明其组成，如图3所示。A端望远镜包括入射窗111、第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面反射镜114、平面反射镜115、出射窗116、真空泵117和密封真空罐118，其结构如图3所示。A端望远镜1和B端望远镜11均为反射式望远镜光路，其优点是不存在色差，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118，由真空泵117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。被测端机AT与A端望远镜两者之间的光轴是同轴的，两者之间的位置在不影响被测端机AT正常工作的前提下，应尽可能缩短两者之间的距离，以减小杂散光的影响，保证光路的像质。

A端远场接收模拟器4由A端聚焦光路41及A端取样窗口42所组成。A端远场接收模拟器4和B端远场接收模拟器13结构相同。A端准直光路5和B端准直光路14结构相同。A端大气信道模拟器6和B端大气信道模拟器15结构相同。以A端大气信道模拟器和A端背景光模拟器为例，图4为A端大气信道模拟器和B端背景光模拟器的结构组成及连接关系示意图，其中，61为A端大气信道模拟器的光调制器；62为A端背景光模拟器的空间光调制器；71为B端背景光模拟器的宽光谱扩展光源；72为B端背景光模拟器的准直光路；8为AB合束光路。A端大气信道模拟器、B端大气信道模拟器结构相同，只是具体参数控制，需要根据实际的信道来设置；A端背景光模拟器与B背景光模拟器结构相同，只是由于面对的背景光的差异，背景光的强度会有差异。

空间激光通信地面测试模拟平台工作时，被测端机AT出射宽口径光束首先经过A端望远镜1之后，出射的是窄口径的平行光束，窄口径光束有利于减小后续光路元件的尺寸；从A端望远镜出射的光束经过A端分光光路2之后继续传播，A端分光光路2的作用是把从被测端机AT出射的光束，与来自于被测端机BT的光束分开，可以采用偏振分光镜或二向色分光镜来实现；从A端分光光路2出射的光束进入到A端指向误差源模拟器3中，出射的光束方向发生变化；出射光束入射到A端聚焦光路41中，A端聚焦光路是由一个离轴的反射式聚焦透镜组成，采用反射式聚焦透镜的好处是不存在色差，能用于更广泛的波段；A端取样窗口42位于由A端聚焦光路与A端望远镜组成一个等效的聚焦透镜的焦点上，在等效焦平面上可得到被测端机AT的远场分布；由光纤探针、光纤或机械微孔所构成，当模拟的通信距离小于等于1000公里时，采用光纤或机械微孔，当模拟的距离超过1000公里时，采用光纤探针，用光纤探针的针尖部分作为取样窗口；经过A端取样窗口进行波面取样后得到的光束，被A端准直光路5准直，A端取样窗口的出射点位于A端准直光路5的焦点上，A端准直光路5由离轴反射式聚焦透镜组成，采用反射式的聚焦透镜的优点是不存在像差；从A端准直光路5出射的平行光束进入到光调制器61和空间光调制器62中，来模拟光束经过大气时引起的强度和相位的变化，光调制器61模拟光束强度变化，空间光调制器62用来模拟光束在信道中的相位的变化；从空间光调制器62出射的光束与B端背景光模拟器7的光束利用AB合束光路8进行合束；合束后的出射光束进入到B端振动-相对运动模拟器9中，B端振动-相对运动模拟器9用来模拟被测端机BT所在的卫星平台的振动效应以及被测端机AT与被测端机BT之间的相对运动相应，可以用PZT摆镜或电磁振镜使光束摆动来实现这种模拟；从B端振动-相对运动模拟器出射的光束经过B端分光光路10与被测端机BT出射的光束分开，从B端分光光路10透射的光束再经过B端望远镜11进行扩束后，变为宽口径的光束，再被被测端机BT所接收，用于判断来自于被测端机AT光束的方向和强度。

从被测端机BT反馈的出射光束经过B端分光光路10之后，反射到第一光路转折平面反射镜20上，出射光束随后顺序经过B端指向误差源模拟器12、第二光路转折平面反射镜21、B端聚焦光路131、B端取样窗口132、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、BA合束光路17、A端振动-相对运动模拟器18、A端分光光路2及A端望远镜1，最终被被测端机AT所接收，从而判断来自于被测端机BT的光束的方向和强度。

Claims (9)

1.一种多功能空间激光通信地面测试系统，包括空间激光通信的动态参数测试模拟平台和静态参数测量设备；所述空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括A端望远镜(1)、A端分光光路(2)、A端指向误差源模拟器(3)、A端远场接收模拟器(4)、A端准直光路(5)、A端大气信道模拟器(6)、B端背景光模拟器(7)、AB合束光路(8)、B端振动-相对运动模拟器(9)、B端分光光路(10)、B端望远镜(11)、B端指向误差源模拟器(12)、B端远场接收模拟器(13)、B端准直光路(14)、B端大气信道模拟器(15)、A端背景光模拟器(16)、BA合束光路(17)、A端振动-相对运动模拟器(18)和计算机CPU(19)；所述静态参数测量设备包括静态参数测量装置(22)和用于将从被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置(22)中的可移动平面反射镜(23)；所述可移动平面反射镜(23)置于A端望远镜(1)和A端分光光路(2)之间；所述静态参数测量装置(22)包括第一分光镜(221)、第一聚焦透镜(222)、相机(223)、第二分光镜(224)、第二聚焦透镜(225)、光电接收元件(226)、出射激光器(227)、第三分光镜(228)、第三聚焦透镜(229)、面阵光电接收元件(2210)、平面反射镜(2211)、角锥棱镜(2212)、遮光板(2213)、第四聚焦透镜(2214)、微孔(2215)及准直透镜(2216)；当可移动平面反射镜(23)置于本测试系统的光路中，由被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置(22)，用于进行静态参数的测试；当可移动平面反射镜(23)移出本测试系统的光路时，用于进行动态参数的端机级别的系统测试，被测端机AT出射的光束依次经过A端望远镜(1)、A端分光光路(2)、A端指向误差源模拟器(3)、A端远场接收模拟器(4)、A端准直光路(5)、A端大气信道模拟器(6)；和来自B端背景光模拟器(7)的光束经AB合束光路(8)合束后，再依次经过B端振动-相对运动模拟器(9)、B端分光光路(10)和B端望远镜(11)，被被测端机BT接收后回馈一回馈光束；该回馈光束依次经过B端望远镜(11)、B端指向误差源模拟器(12)、B端远场接收模拟器(13)、B端准直光路(14)、B端大气信道模拟器(15)；和来自A端背景光模拟器(16)的光束经BA合束光路(17)合束后，再依次经过A端振动-相对运动模拟器(18)、A端分光光路(2)、A端望远镜(1)，由被测端机AT接收。

2.如权利要求1所述多功能空间激光通信地面测试系统，其特征是，所述静态参数测量设备中，第一聚焦透镜(222)、第二聚焦透镜(225)和第三聚焦透镜(229)均为反射或透射式聚焦透镜。

3.如权利要求1所述多功能空间激光通信地面测试系统，其特征是，所述静态参数测量设备中，第一分光镜(221)和第二分光镜(224)为部分透射与部分反射型分光镜，第三分光镜(228)为二向色分光镜或偏振分光镜。

4.如权利要求1所述多功能空间激光通信地面测试系统，其特征是，所述静态参数测量设备中，相机(223)为CMOS相机或CCD相机；面阵光电接收元件(2210)通过面阵CCD相机或CMOS相机实现；光电接收元件(226)通过光电二极管或光电三极管实现。

5.如权利要求1所述多功能空间激光通信地面测试系统，其特征是，所述静态参数测量设备中，从微孔(2215)出射的发散光束经过准直透镜(2216)之后，出射平行光束，微孔(2215)位于准直透镜(2216)的焦点上。

6.利用权利要求1所述多功能空间激光通信地面测试系统对被测端机AT进行静态参数测试的方法，包括如下步骤：

第一步，得到出射光束的方向聚焦光斑的位置：

S11.将遮光板(2213)移出光路；

S12.出射激光器(227)发射的光束经过第四聚焦透镜(2214)进行聚焦；

S13.在第四聚焦透镜(2214)焦点处放置一微孔(2215)，从微孔(2215)出射的发散光束经过准直透镜(2216)之后，出射平行光束，微孔(2215)位于准直透镜(2216)的焦点上；

S14.平行光束经过第三分光镜(228)之后，大部分光反射，一小部分光透射；透射的小部分光经过角锥棱镜(2212)之后，原路返回，经过第三分光镜(228)的反射及第三聚焦透镜(229)之后，照射到面阵光电接收元件(2210)上形成聚焦光斑，经过面阵光电接收元件(2210)光电转换，得到聚焦光斑在面阵光电接收元件(2210)上的位置；经过对面阵光电接收元件(2210)标定后,得到出射光的方向；反射的大部分光，进入第二步；

第二步，得到来自于被测端机AT的平行光束：

S21.第一步S14中经过第三分光镜(228)反射的大部分光，照射到平面反射镜(2211)上；

S22.从平面反射镜(2211)反射，顺次经过第二分光光路(224)及第一分光镜(221)后，入射到被测端机AT中，作为被测端机AT的接收光束；

S23.被测端机AT利用其精瞄光电传感器对接收光束的方向进行探测，确定接收光束的方向，回馈一平行光束，该平行光束与接收光束间有个夹角，夹角的角度是超前瞄准角或者是端机静态指向误差，该平行光束从被测端机AT出射，进入第三步；

第三步，得到来自于被测端机AT的平行光束的方向：

S31.将遮光板(2213)移入光路中；

S32.第二步S23中的平行光束从被测端机AT出射后，进入到第一分光镜(221)，经过第一分光镜之后，光路分成两路，一路透射，一路反射；

S33.经过第一分光镜(221)透射部分的光束进入第五步；

S34.经过第一分光镜(221)反射的光束入射到第二分光镜(224)之后，同样分成两路，一路反射，一路透射；经过第二分光镜(224的透射光顺次经过平面反射镜(2211)、第三聚焦透镜(229)后，照射到面阵光电接收元件(2210)，得到一聚焦光斑，经过处理，得到聚焦光斑的位置；对面阵光电接收元件(2210)标定后,得到来自于被测端机AT的平行光束的方向；经过第二分光光路(224)的反射光进入第六步；

第四步，第一步和第二步中前后两次聚焦光斑的位置差，经过对面阵光电接收元件(2210)进行标定，得到被测端机AT的超前瞄准误差或静态指向误差；

第五步，测试光束的远场分布：

第三步S33中经过第一分光镜(221)透射部分的光束经过第一聚焦透镜(222)之后，聚焦到相机(223)上，由相机(223)实现光斑的数字化后，经过处理，得到入射光束的远场分布；

第六步，测试光束的光功率：

第三步S34中经过第二分光光路(224)的反射光经过第二聚焦透镜(225)聚焦后，照射到光电接收元件(226)上实现光电转换，经过后续处理和计量标定后，得到入射光的光功率。

7.如权利要求6所述静态参数测试方法，其特征是，第一步S13中的第四聚焦透镜(2214)用显微物镜实现。

8.如权利要求6所述静态参数测试方法，其特征是，第一步S13所述从微孔(2215)出射发散光束的发散角大小，根据公式2来计算得到：

$\mathrm{\α}=\frac{d}{f}$   (公式2)

公式2中，α为从微孔(2215)出射光束的发散角；d为微孔(2215)的尺寸；f为准直透镜(2216)的焦距。

9.如权利要求6所述静态参数测试方法，其特征是，第四步所述标定为采用面阵光电传感器标定方法，包括给聚焦透镜及面阵接收元件输入已知转角光束的标定方法和实物标定方法。