CN104539350A - 空间激光通信端机级系统测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布一种空间激光通信端机级系统测试方法，光束由被测端机出射并依次经过望远镜、分光光路、指向误差源模拟器、远场接收模拟器、准直光路、大气信道模拟器，与来自背景光模拟器的光束经合束光路合束，再依次经过振动-相对运动模拟器、分光光路和望远镜，然后被对方被测端机接收；该方法实现空间激光通信端机级的系统测试，包括跟瞄特性(包括跟瞄精度和跟瞄带宽)、捕获特性(包括捕获时间和捕获概率)、通信特性(包括误码率和探测灵敏度)等。本发明结构占用空间小；能够实现两个通信端机近距离进行多种参数直接对准性能的端机级系统测试，模拟影响空间激光通信性能的多种外界因素；测量精度高。

Description

空间激光通信端机级系统测试方法

技术领域

本发明涉及空间激光通信领域，特别是涉及一种空间激光通信端机级系统测试方法。

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。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，而光端机的口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，而不需要再利用分系统级、部件级或元件级的测试以及计算机仿真，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 Optical Assistance 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，由于光束口径变小，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口径。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，接收天线的口径相对于入射波面的曲率非常小，因此，在接收端机接收口径范围内，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。

综上所述，现有的空间激光通信地面验证与测试技术方法，尚未实现在近距离处、端机级的系统测试，即近距离的直接端机间对准性能测试。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种空间激光通信端机级系统测试方法，该方法可以实现空间激光通信端机级的系统测试，即两个通信端机在近距离处进行直接对准性能测试，包括跟瞄特性(包括跟瞄精度和跟瞄带宽)、捕获特性(包括捕获时间和捕获概率)、通信特性(包括误码率和探测灵敏度)等。

本发明所采用的技术方案是：

一种空间激光通信端机级系统测试方法，该方法对两个通信端机在近距离处进行直接对准性能包括跟瞄特性、捕获特性和通信特性的测试，包括如下步骤：

(一)对捕获特性的测试，依次包括如下步骤：

S1.被测端机AT发射信标光，由被测端机AT的控制计算机记录发射时间t₁；由被测端机AT的粗瞄万向节或精瞄转镜对瞄准不确定范围进行行列式或螺旋式扫描，出射光束产生行列式或螺旋式扫描，该光束为宽口径平行光束A1；

S2.被测端机AT出射光束依次经过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，然后被被测端机BT的捕获传感器接收，得到聚焦光信号；

S3.被测端机BT的捕获传感器对该聚焦光信号进行图像处理，检测聚焦光斑的位置和强度，获得入射光束的方向信息；

S4.调整被测端机BT的粗瞄万向节及精瞄转镜，使接收的入射光束的聚焦光斑位于被测端机BT的捕获传感器视场中心，并且接收的入射光束也进入到精瞄光电传感器的视场中，被测端机BT相对于接收的入射光束的方向，叠加一个超前瞄准角，发出回馈光束；

S5.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、A端望远镜1，由被测端机AT接收；

S6.由被测端机AT接收的入射光束进入到被测端机AT的捕获传感器视场及精瞄传感器视场，通过捕获传感器和精瞄传感器进行图像处理，得到入射光束的方向和强度；

S7.调整被测端机AT的的粗瞄万向节、精瞄转镜，使入射光束位于捕获传感器和精瞄光电传感器视场中心，叠加超前瞄准角，发出回馈光束；

S8.继续步骤S2-S7；上述过程反复进行，最终被测端机AT和被测端机BT实现相互精密跟踪对方的跟踪光双向锁定，完成捕获过程，进入跟踪状态；若测试被测端机BT的跟瞄特性转入S11；若测试被测端机AT的跟瞄特性转入S14；

S9.由被测端机AT的控制计算机记录实现双向锁定、完成捕获过程进入跟踪状态的时间t₂；由t₂与步骤S1中t₁的差得到捕获时间；

S10.重复步骤S1-S9多次测量，通过成功捕获过程的频率得到捕获概率值；

(二)对被测端机BT跟瞄特性的测试，依次包括如下步骤：

S11.当整个激光通信系统处在跟踪状态时，通过被测端机AT精瞄模块中的精瞄光电传感器得到光斑位置变化；

S12.把S18得到的光斑位置随时间变化的过程作为一个时间函数T(t)，通过对T(t)做拟合、统计分析，得到跟瞄精度；再对T(t)做傅里叶变换，得到被测端机BT的跟踪带宽；

S13.通过跟瞄精度和跟踪带宽，获得被测端机BT的跟瞄特性；

(三)对被测端机AT跟瞄特性的测试，依次包括如下步骤：

S14.当整个激光通信系统处在跟踪状态时，通过被测端机BT精瞄模块中的精瞄光电传感器得到光斑位置变化；

S15.把S18得到的光斑位置随时间变化的过程作为一个时间函数T(t)，通过对T(t)做拟合、统计分析，得到跟瞄精度；再对T(t)做傅里叶变换，得到被测端机AT的跟踪带宽；

S16.通过跟瞄精度和跟踪带宽，获得被测端机AT的跟瞄特性；

(三)对通信特性的测试，依次包括如下步骤：

S17.设以被测端机AT作为通信光发射方，通过误码率测试仪产生二进制码流来控制被测端机AT出射通信激光，该码流作为被测端机AT的通信信息源，经被测端机AT出射；

S18.经过上述步骤S2，被测端机BT接收到被测端机AT出射的通信激光；

S19.被测端机BT的通信接收模块检测，得到输出码流；

S20.该输出码流被传递给误码率测试仪，根据产生错误的概率，即可得到误码率；

S21.通过光功率计，按照一般测通信测试方法，测得在一定通信数据率和误码率的情况下的探测灵敏度。

上述步骤S2的具体过程依次包括以下步骤：

S21.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；

S22.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，通过A端指向误差源模拟器3模拟影响被测端机AT出射光束指向的多种误差源，再由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；

S23.光束A4进入到A端远场接收模拟器4中，A端远场接收模拟器4通过由一个离轴的反射式聚焦透镜组成的A端聚焦光路41，并在位于由A端聚焦光路41与A端望远镜1组成的一个等效的聚焦透镜的焦点上设置A端取样窗口42来进行波面采样，从A端远场接收模拟器4出射发散光束A5；

S24.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，通过A端大气信道模拟器6模拟大气信道对光束强度和相位产生的影响，出射光束A7；

S25.光束A7与用来模拟被测端机BT视场范围内接收到的背景杂光的B端背景光模拟器7的光束经过AB合束光路8进行合束，变成一束光A8出射；

S26.光束A8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通过摆动执行元件如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；出射方向发生变化的光束A9；

S27.光束A9进入到B端分光光路10，通过B端分光光路将来自于被测端机AT的光束与来自于被测端机BT的光束进行分光，出射光束A10进入到B端望远镜11中，变成宽口径的平行光束A11再进入到被测端机BT中。

上述步骤S27中，由步骤S23中进行波面取样得到的光功率最终被传递给被测端机BT，从而得到与被测端机BT在轨时接收到的光功率对应的光功率值。

上述步骤S5的具体过程依次包括以下步骤：

S51.回馈光束为宽口径平行光束B1，B1首先经过B端望远镜11变成窄口径平行光束B2；

S52.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，出射抖动平行光束B4；

S53.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；

S54.从B端大气信道模拟器15出射的光束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；

S55.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由被测端机AT接收。

上述空间激光通信端机级系统测试方法中，被测端机AT发射宽口径平行光束A1，所发射光束可以是信标光、通信光或跟踪光。被测端机AT或被测端机BT主要由粗瞄万向节、光学天线、信标光、精瞄模块、捕获传感器、通信光、通信接收模块、跟踪光，控制计算机等组成，其中精瞄模块包括精瞄转镜和精瞄光电传感器组成。

步骤S21中A端望远镜1和步骤S51中B端望远镜11均对宽口径平行光束进行缩束变成窄口径平行光束，具体是：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。步骤S21中A端望远镜1和步骤S51中B端望远镜11结构相同，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；整个光路均置于密封真空罐118内，并通过真空泵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，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。

步骤S22中A端分光光路2和步骤S52中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。

步骤S22中A端指向误差源模拟器3和步骤S52中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。

步骤S55中光束B2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上再出射光束B3；光束B3随后经过B端指向误差源模拟器12出射光束B4。步骤S11中，B端指向误差源模拟器12出射的光束B4首先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。

步骤S23中的A端远场接收模拟器4和步骤S53中的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、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。

步骤S23中的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组成的一个等效的聚焦透镜的焦点上，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，采用光纤时，用光纤纤芯作为取样窗口，采用光纤探针时，用光纤探针的针尖部分作为取样窗口。

步骤S24中的A端准直光路5和步骤S53中的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。

步骤S24中的A端大气信道模拟器6和步骤S53中的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。

步骤S25中的B端背景光模拟器7和步骤S54中的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。

步骤S25中的AB合束光路8和步骤S54中的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。

步骤S26中的B端振动-相对运动模拟器9和步骤S54中的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(称为光功率)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，采用光纤时，用光纤纤芯作为取样窗口，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端远场接收模拟器是结构是相同的，但有些参数，如取样窗口尺寸可能有差异，；上述工作过程中，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。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提供一种空间激光通信端机级系统测试方法，该方法可以实现空间激光通信端机级的系统测试，即两个通信端机在近距离处进行直接对准性能测试，包括跟瞄特性(包括跟瞄精度和跟瞄带宽)、捕获特性(包括捕获时间和捕获概率)、通信特性(包括误码率和探测灵敏度)等。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。通过本发明提供的空间激光通信端机级系统测试方法：

一、在近距离范围内，实现两个被测端机整机的直接对接测试，其测试结果可直接反映在轨时的性能指标，从而实现端机级的系统测试。

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，能够实现对多种参数进行测试，包括捕获特性、跟踪特性、通信特性等。

四，本发明提供的空间激光通信端机级系统测试方法测量精度高、占用的空间小。

附图说明

图1是本发明的总体流程框图。

图2是本发明实施例所采用空间激光通信地面测试模拟平台的结构示意图，

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。

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。

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是本发明的总体流程框图，本实施例的结构如图2所示，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和第二光路转折平面反射镜21。

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。本发明提供方法可以测试捕获特性、跟瞄特性和通信特性等。

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，采用光纤时，用光纤纤芯作为取样窗口，采用光纤探针时，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色差；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之间的相对运动效应，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。

本发明提供的空间激光通信端机级系统测试方法中，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。

在捕获特性测试时，被测端机AT发射的信标光，被测端机AT的控制计算机记录发射时间t₁，利用其粗瞄万向节或精瞄转镜对瞄准不确定范围进行行列式或螺旋式扫描，出射光束产生行行列式或螺旋式扫描，在某一时刻，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、B端望远镜11，由被测端机BT的捕获传感器接收，得到聚焦光信号，对该聚焦光信号进行图像处理，检测聚焦光斑的位置和强度，获得入射光束的方向信息，然后调整其粗瞄万向节及精瞄转镜，使入射光的聚焦光斑位于捕获传感器视场中心，并且入射光也进入到精瞄光电传感器的视场中，被测端机BT相对于入射光束的方向，叠加一个超前瞄准角，发出回馈光束，该光束依次经过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、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、A端分光光路2、A端望远镜1，被测端机AT所接收，入射光束进入到捕获传感器视场及精瞄传感器视场，捕获传感器和精瞄光电传感器进行图像处理，检测、判断入射光束的方向和强度，继续调整自身的粗瞄万向节、精瞄转镜，使入射光束位于捕获传感器和精瞄光电传感器视场中心，叠加超前瞄准角，发出回馈光束；上述过程反复进行，最终被测端机AT和被测端机BT实现相互精密跟踪对方的跟踪光(跟踪光可以为通信光，也可能是专门的跟踪光)，双向锁定，完成捕获过程，进入跟踪状态，被测端机AT的控制计算机记录时间t₂；则t＝t₂-t₁即为捕获时间；多次测量，能够实现成功捕获过程的频率即为捕获概率。

对于跟瞄特性，我们以被测端机AT为例来说明，当整个激光通信系统处在跟踪状态时，被测端机端AT机精跟瞄模块中的精瞄光电传感器的光斑位置变化，把光斑位置随时间变化的过程作为一个时间函数T(t)，对其进行拟合、统计分析，可以得到跟喵精度；对T(t)做傅里叶变换，可以得到被测端机BT的跟踪带宽；被测端机AT的跟瞄特性测试方法与此类似。

对于通信特性测试，类似于常规的误码率测试原理，假如以被测端机AT作为通信光发射方，利用误码率测试仪，产生二进制码流，该码流作为被测端机AT的通信信息源，控制其出射通信激光，经被测端机AT出射，经过上述过程，最终被测端机BT的通信接收模块检测，得到输出码流，该码流被传递给误码率测试仪，根据产生错误的概率，即可得到误码率；还可以利用光功率计，按照一般测通信测试方法，测得在一定通信数据率和误码率的情况下的探测灵敏度。

Claims (10)

1.一种空间激光通信端机级系统测试方法，所述方法对两个被测端机AT和BT在近距离处进行直接对准性能包括捕获特性、跟瞄特性和通信特性的测试，包括如下步骤：

(一)对捕获特性的测试，依次包括步骤S1～S10：

S1.被测端机AT发射信标光，由被测端机AT的控制计算机记录发射时间t₁；由被测端机AT的粗瞄万向节或精瞄转镜对瞄准不确定范围进行行列式或螺旋式扫描，出射光束产生行列式或螺旋式扫描，该光束为宽口径平行光束A1；

S2.光束A1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)，然后被被测端机BT的捕获传感器接收，得到聚焦光信号；

S3.被测端机BT对该聚焦光信号进行图像处理，检测聚焦光斑的位置和强度，获得入射光束的方向信息；

S4.调整被测端机BT的粗瞄万向节及精瞄转镜，使接收的入射光束的聚焦光斑位于被测端机BT的捕获传感器视场中心，并且接收的入射光束也进入到精瞄光电传感器的视场中，被测端机BT相对于接收的入射光束的方向，叠加一个超前瞄准角，发出回馈光束；

S5.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)、A端望远镜(1)，由被测端机AT接收；

S6.由被测端机AT接收的入射光束进入到被测端机AT的捕获传感器视场及精瞄传感器视场，通过捕获传感器和精瞄传感器进行图像处理，得到入射光束的方向和强度；

S7.调整被测端机AT的的粗瞄万向节、精瞄转镜，使入射光束位于捕获传感器和精瞄光电传感器视场中心，叠加超前瞄准角，发出回馈光束；

S8.继续步骤S2-S7；上述过程反复进行，最终被测端机AT和被测端机BT实现相互精密跟踪对方的跟踪光双向锁定，完成捕获过程，进入跟踪状态；若测试被测端机BT的跟瞄特性转入S11；若测试被测端机AT的跟瞄特性转入S14；

S9.由被测端机AT的控制计算机记录实现双向锁定、完成捕获过程进入跟踪状态的时间t₂； 由t₂与步骤S1中t₁的差得到捕获时间；

S10.重复步骤S1-S9多次测量，通过成功捕获过程的频率得到捕获概率值；

(二)对被测端机BT跟瞄特性的测试，依次包括步骤S11～S13：

S11.当整个激光通信系统处在跟踪状态时，通过被测端机AT精瞄模块中的精瞄光电传感器得到光斑位置变化；

S12.把S18得到的光斑位置随时间变化的过程作为一个时间函数T(t)，通过对T(t)做拟合、统计分析，得到跟瞄精度；再对T(t)做傅里叶变换，得到被测端机BT的跟踪带宽；

S13.通过跟瞄精度和跟踪带宽，获得被测端机BT的跟瞄特性；

(三)对被测端机AT跟瞄特性的测试，依次包括步骤S14～S16：

S14.当整个激光通信系统处在跟踪状态时，通过被测端机BT精瞄模块中的精瞄光电传感器得到光斑位置变化；

S15.把S18得到的光斑位置随时间变化的过程作为一个时间函数T(t)，通过对T(t)做拟合、统计分析，得到跟瞄精度；再对T(t)做傅里叶变换，得到被测端机AT的跟踪带宽；

S16.通过跟瞄精度和跟踪带宽，获得被测端机AT的跟瞄特性；

(四)对通信特性的测试，依次包括步骤S17～S21：

S17.设以被测端机AT作为通信光发射方，通过误码率测试仪产生二进制码流来控制被测端机AT出射通信激光，该码流作为被测端机AT的通信信息源，经被测端机AT出射；

S18.经过上述步骤S2，被测端机BT接收到被测端机AT出射的通信激光；

S19.被测端机BT的通信接收模块检测，得到输出码流；

S20.该输出码流被传递给误码率测试仪，根据产生错误的概率，即可得到误码率；

S21.通过光功率计，按照一般测通信测试方法，测得在一定通信数据率和误码率的情况下的探测灵敏度。

2.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，步骤S2的具体过程依次包括以下步骤：

S21.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；

S22.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)，通过A端指向误差源模拟器(3)模拟影响被测端机AT出射光束指向的多种误差源，再由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；

S23.光束A4进入到A端远场接收模拟器(4)中，A端远场接收模拟器(4)通过由一个离轴的反射式聚焦透镜组成的A端聚焦光路(41)，并在位于由A端聚焦光路(41)与A端望远镜(1)组成的一个等效的聚焦透镜的焦点上设置A端取样窗口(42)来进行波面采样，从A端远场接收模拟器(4)出射发散光束A5；

S24.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，通过A端大气信道模拟器(6)模拟大气信道对光束强度和相位产生的影响，出射光束A7；

S25.光束A7与用来模拟被测端机BT视场范围内接收到的背景杂光的B端背景光模拟器(7)的光束经过AB合束光路(8)进行合束，变成一束光A8出射；

S26.光束A8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)通过摆动执行元件如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；出射方向发生变化的光束A9；

S27.光束A9进入到B端分光光路(10)，通过B端分光光路将来自于被测端机AT的光束与来自于被测端机BT的光束进行分光，出射光束A10进入到B端望远镜(11)中，变成宽口径的平行光束A11再进入到被测端机BT中。

3.如权利要求2所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，在步骤S27中，由步骤S23所述进行波面取样得到的光功率最终被传递给被测端机BT，从而得到与被测端机BT在轨时接收到的光功率对应的光功率值。

4.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，步骤S5的具体过程依次包括以下步骤：

S51.回馈光束为宽口径平行光束B1，B1首先经过B端望远镜(11)变成窄口径平行光束B2；

S52.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，出射抖动平行光束B4；

S53.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；

S54.从B端大气信道模拟器(15)出射的光束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；

S55.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由被测端机AT接收。

5.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述被测端机AT或被测端机BT包括：粗瞄万向节、光学天线、信标光、精瞄模块、捕获传感器、通信光、通信接收模块、跟踪光和控制计算机；所述精瞄模块包括精瞄转镜和精瞄光电传感器。

6.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述步骤S2中的A端望远镜(1)和步骤S5中的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)；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；经过A端或B端望远镜的光束，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。

7.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述步骤S2中的A端分光光路(2)和步骤S5中的B端分光光路(10)均采用偏振分光镜或二向色分光镜，用于将两个被测端机AT和BT来源的光束分开；所述步骤S2中的B端背景光模拟器(7)和步骤S5中的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。

8.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述步骤S2中的A端远场接收模拟器(4)和步骤S5中的B端远场接收模拟器(13)结构相同；所述A端远场接收模拟器(4)由A端聚焦光路(41)和A端取样窗口(42)组成；所述A端聚焦光路(41)由一个离轴反射式聚焦透镜组成；所述A端取样窗口(42)由光纤探针、光纤或机械微孔构成；所述A端取样窗口(42)位于由A端聚焦光路(41)与所述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：

  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。

9.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述步骤S2中的A端大气信道模拟器(6)和步骤S5中的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；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。

10.如权利要求1所述空间激光通信端机级系统测试方法，其特征是，所述步骤S2中的B端振动-相对运动模拟器(9)和步骤S5中的A端振动-相对运动模拟器(18)均通过采用PZT摆镜或电磁振镜使入射光束的方向发生变化和产生抖动。