CN111769870B - 空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法，解决了空间激光通信终端中继光路在装配过程中的光学性能测试问题。该空间激光通信终端中继光路装配检测装置包括光源、光纤、起偏器、偏振分光镜、探测器、准直镜、可调光阑、检测1/4波片、五维调整台、切换平台、偏振分析仪和功率计；光纤、起偏器、偏振分光镜依次设置在光源的出射光路上；准直镜、检测1/4波片、五维调整台和切换平台依次设置在偏振分光镜的透射光路上，探测器设置在偏振分光镜的反射光路上；可调光阑设置在准直镜的出光口，用于实现准直镜出射光口径的调节；偏振分析仪和功率计设置在切换平台上，切换平台用于实现偏振分析仪和功率计的位置转换。
Description
技术领域
本发明属于光学检测领域，具体涉及一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及方法。
背景技术
与传统微波空间通信方式相比，空间激光通信具有宽带、高速、抗截获和抗干扰能力强、轻小型等突出特点，非常适合于空地、空空、星地、星际以及深空链路之间的信息传输。随着空间遥感技术的发展，空间相机的分辨率、光谱仪器的空间和光谱分辨率都在大幅度提高，大量空间探测数据需要实时传送到地面，供给技术人员和专家分析、提炼，实现空间仪器的应用价值。目前卫星上常用的微波带宽约为百兆级别，已接近微波通信的理论极限。随着5.65G/s空间激光通信终端的成功实验，几十吉比特率空间激光通信终端也正处于研究和规划中，这些都充分证明了激光通信实际应用中的优势，所以以激光作为媒质进行通信可以很好的解决通信带宽瓶颈问题。
中国专利201310446484.8公开了一种适用于遥感卫星激光星地通信链路测试系统，包括地面终端模拟系统、信号解调处理系统和数据显示终端，主要满足卫星在总装厂和大型环境试验状态下的功能和性能测试，能够完成上下行链路光信号传输误码率测试、数据率测试和光能测量，能够完成发射波长和发射功率的测试。中国专利201410708261.9公开了一种空间激光通信地面测试模拟平台，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。中国专利201410708299.6公开了一种空间激光通信端机级系统测试方法，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、捕获特性、通信特性等。中国专利201410708285.4公开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，通过一片平面反射镜改变静态参数或是动态参数的测试，其中静态参数包括超前瞄准误差、远场分布、光功率和静态指向误差。但是，上述申请都是针对空间激光通信系统指标的测试装置，缺乏对空间激光通信终端中继光路装配过程的性能测试，空间激光通信终端中继光路装配过程的性能指标包括发散角和偏振损耗，同时，若对每一个装配过程的关键指标进行测试，则均需搭建独立的发散角试验光路和偏振损耗试验光路，测试效率低下。
发明内容
本发明的目的是解决现有缺乏对空间激光通信终端中继光路装配过程的性能测试装置以及测试效率低下的问题，提供了一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法，解决了空间激光通信终端中继光路在装配过程中的光学性能测试问题。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置，包括光源、光纤、起偏器、偏振分光镜、探测器、准直镜、可调光阑、检测1/4波片、五维调整台、切换平台、偏振分析仪和功率计；所述光纤、起偏器、偏振分光镜依次设置在光源的出射光路上；所述准直镜、检测1/4波片、五维调整台和切换平台依次设置在偏振分光镜的透射光路上，所述探测器设置在偏振分光镜的反射光路上；所述五维调整台用于调整空间激光通信终端中继光路的位置；所述可调光阑设置在准直镜的出光口，用于实现准直镜出射光口径的调节；所述偏振分析仪和功率计设置在切换平台上，切换平台用于实现偏振分析仪和功率计的位置转换。
进一步地，所述光纤的一端与光源连接，另一端与光纤法兰连接，所述光纤法兰位于准直镜的焦平面位置，所述光纤的出射端面位于准直镜的焦点位置。
进一步地，所述切换平台为转盘或平移台。
进一步地，所述光源为光纤激光器，波长为空间激光通信终端中继光路的工作波长，所述光纤为单模光纤或多模光纤。
进一步地，所述探测器为CCD或CMOS。
进一步地，所述光纤、起偏器、偏振分光镜和检测1/4波片的工作波长为空间激光通信终端中继光路的工作波长；所述探测器、偏振分析仪和功率计的波长范围覆盖空间激光通信终端中继光路的工作波长。
进一步地，所述探测器的单位像元尺寸为20μm，光谱响应范围为0.3μm～1.8μm。
进一步地，所述准直镜的焦距选取为300mm，出瞳尺寸为100mm，光学元件全部为反射镜，工作波长范围为0.3μm～1.8μm。
本发明提供一种基于上述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、转换切换平台，将功率计转至五维调整台一侧；
步骤二、光源工作，光源的出射光经过光纤、起偏器后入射至偏振分光镜，经偏振分光镜透射后进入准直镜，出射平行光束，调整可调光阑，使可调光阑的口径小于被测空间激光通信终端中继光路出瞳；
步骤三、功率计记录偏振光的功率，转动起偏器，使偏振光功率最大；
步骤四、将被测空间激光通信终端中继光路放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端中继光路包括光学镜头和被测1/4波片；
步骤五、转换切换平台，将偏振分析仪转至五维调整台一侧；
步骤六、转动被测1/4波片，获取多个偏振分析仪斯托克斯参量的S3分量，选取最接近1或-1的S3分量，此时，该S3分量对应的角度即为被测1/4波片的安装角度，记录此时的S3分量，则空间激光通信终端中继光路的偏振损耗为(1-S3)×100％。
同时，本发明还提供一种基于上述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的检测方法，包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端中继光路放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端中继光路包括相连接的光学镜头和被测光纤；
步骤二、将光纤激光器与被测光纤连接；
步骤三、光纤激光器工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端中继光路的光轴与光纤激光器出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑，使得可调光阑口径大于被测空间激光通信终端中继光路的出瞳直径；
步骤五、光纤激光器发出的光束经过被测光纤进入光学镜头，光学镜头出射的光经过检测1/4波片、可调光阑和准直镜，被偏振分光镜反射进入探测器，记录探测器上的光斑；
步骤六、调节被测光纤的安装位置和姿态，使得探测器上的光斑强度均匀分布且尺寸最小；
步骤七、计算出射光斑的直径Dx和Dy；
7.1)找到光斑图像中灰度值最大的像元坐标(xi，yi)；
7.2)提取xi行全部像元的灰度值，从xi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Nx，则出射光斑x方向的直径Dx为
Dx＝Nxd
式中：d为探测器像元尺寸，单位mm；
7.3)提取yi列全部像元的灰度值，从yi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Ny，则出射光斑y方向直径Dy为：
Dy＝Nyd
步骤八、计算光束发散角θ；
式中：f′为准直镜的标定焦距，单位：mm。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果为：
1.本发明提供一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法，可确定中继光路的被测光纤端面安装位置以及被测1/4波片的安装角度，并实现空间激光通信终端中继光路装配过程的关键指标如偏振损耗和发散角的测试，可提高激光通信系统的隔离度，进而提升通信捕获概率，为标定通信距离积累数据基础。同时，本发明检测装置结构简单，使用方便，易于实现。
2.本发明提供一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法，可实现空间激光通信终端中继光路关键装配过程和光学性能同平台上测试，提高了装配检测的效率，适用于批量化生产。
附图说明
图1本发明空间激光通信终端中继光路装配检测装置结构示意图；
图2本发明空间激光通信终端中继光路的偏振损耗测试原理图；
图3本发明空间激光通信终端中继光路的发散角测试原理图。
附图标记：101-光源；102-光纤；103-光纤法兰；104-起偏器；105-偏振分光镜；106-探测器；107-准直镜；108-可调光阑；109-检测1/4波片；110-五维调整台；111-空间激光通信终端中继光路；112-偏振分析仪；113-功率计；114-切换平台；201-光学镜头；202-被测1/4波片；203-被测光纤；204-光纤激光器。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。
本发明提供一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置及检测方法，本发明采用偏振分光镜、切换平台(转台或平移台)和可插拔夹具实现空间激光通信终端中继光路的被测1/4波片和被测光纤安装，以及偏振损耗和发散角的测试，使得空间激光通信终端中继光路关键装配过程和光学性能在一个平台上测试，提高了装配检测的效率，适用于批量化生产。
如图1所示，本发明空间激光通信终端中继光路装配检测装置包括光源101、光纤102、光纤法兰103、起偏器104、偏振分光镜105、探测器106、准直镜107、可调光阑108、检测1/4波片109、五维调整台110、切换平台114、偏振分析仪112和功率计113。光纤102、起偏器104、偏振分光镜105依次设置在光源101的出射光路上；准直镜107、检测1/4波片109、五维调整台110和切换平台114依次设置在偏振分光镜105的透射光路上，探测器106设置在偏振分光镜105的反射光路上；可调光阑108设置在准直镜107的出光口，用于实现准直镜107出射光口径的调节；偏振分析仪112和功率计113设置在切换平台114上，切换平台114用于实现偏振分析仪112和功率计113的位置转换；五维调整台110用于调整空间激光通信终端中继光路111的位置。
本发明装配检测装置中，光纤102两端分别连接光源101和光纤法兰103，光纤102出射端面位于准直镜107的焦点位置，在偏振分光镜105的与准直镜107焦点的共轭位置放置探测器106，准直镜107出光口安装一个可调光阑108，实现准直镜107出射光口径的调节，以匹配不同空间激光通信终端中继光路111，可调光阑108后设有可插拔安装槽，用于放置检测1/4波片109，五维调整台110上放置被测空间激光通信终端中继光路111，中心高与准直镜107出光口等高；偏振分析仪112和功率计113放置在一个切换平台114上，中心高与准直镜107出射平行光束中心高相等，光轴与准直镜107出射平行光束光轴重合。该装置可实现空间激光通信终端中继光路111的被测1/4波片202安装、被测光纤203安装，测试偏振损耗、发散角和焦距等关键指标。
本发明装配检测装置中，光源101为光纤激光器，或者可为空间光激光器+会聚镜，波长为空间激光通信终端中继光路111的工作波长；光纤102为单模光纤或多模光纤，芯径5μm，光纤102、起偏器104、偏振分光镜105和检测1/4波片的工作波长为空间激光通信终端中继光路111的工作波长1550nm，探测器106、偏振分析仪112和功率计113的波长范围覆盖空间激光通信终端中继光路111的工作波长，准直镜107在空间激光通信终端中继光路111的工作波长具有良好的像质。
在偏振损耗测试过程中，光源101发出的光经过光纤102和起偏器104后，变为线偏振光，经过偏振分光镜105透射为p光，p光进入准直镜107出射平行光束，可调光阑108调节出射光束的口径与被测空间激光通信终端中继光路111口径匹配，通过调整五维调整台110使被测空间激光通信终端中继光路111的光轴与出射平行光束的光轴重合，利用偏振分析仪112调整被测空间激光通信终端中继光路111中被测1/4波片202姿态。
在发散角测试过程中，被测空间激光通信终端中继光路111发出的圆偏振光经过检测1/4波片109和准直镜107，被偏振分光镜105反射进入探测器106(CCD或CMOS)，根据采集的光斑调节被测空间激光通信终端中继光路111的被测光纤203安装位置。
在本发明具体实施例中，探测器106的单位像元尺寸为20μm，光谱响应范围为0.3μm～1.8μm。空间激光通信终端中继光路111的焦距范围为0mm～100mm。准直镜107的焦距选取为300mm，出瞳尺寸为100mm，光学元件全部为反射镜，工作波长范围为0.3μm～1.8μm。
如图2所示，本发明提供一种基于上述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的检测方法，可确定被测1/4波片的安装角度和空间激光通信终端中继光路的偏振损耗，该方法包括以下步骤：
步骤一、转换切换平台114，将功率计113转至五维调整台110一侧；
步骤二、光源101工作，光源101的出射光经过光纤102、起偏器104后入射至偏振分光镜105，经偏振分光镜105透射后进入准直镜107，出射平行光束，调整可调光阑108，使可调光阑108的口径小于被测空间激光通信终端中继光路111出瞳；
步骤三、功率计113记录偏振光的功率，转动起偏器104，使偏振光功率最大；
步骤四、将被测空间激光通信终端中继光路111放置在五维调整台110上，被测空间激光通信终端中继光路111包括光学镜头201和被测1/4波片202；
步骤五、转换切换平台114，将偏振分析仪112转至五维调整台110一侧；
步骤六、转动被测1/4波片202，获取多个偏振分析仪112斯托克斯参量的S3分量，选取最接近1或-1的S3分量，此时，该S3分量对应的角度即为被测1/4波片202的安装角度，记录此时的S3分量，则空间激光通信终端中继光路111的偏振损耗为(1-S3)×100％。
如图3所示，本发明还提供一种基于上述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的发散检测方法，可确定被测光纤安装位置和发散角，该方法包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端中继光路111放置在五维调整台110上，被测空间激光通信终端中继光路111包括光学镜头201和被测光纤203；
步骤二、将光纤激光器204与被测光纤203连接；
步骤三、光纤激光器204工作，调整五维调整台110，使被测空间激光通信终端中继光路111的光轴与光纤激光器204出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑108，使得可调光阑108口径大于被测空间激光通信终端中继光路111的出瞳直径；
步骤五、光纤激光器204发出的光束经过被测光纤203进入光学镜头201，光学镜头201出射的光依次经过检测1/4波片109、可调光阑108和准直镜107，被偏振分光镜105反射进入探测器106，记录探测器106上的光斑；
步骤六、调节被测光纤203的安装位置和姿态，使得探测器106上的光斑强度均匀分布且尺寸最小；
步骤七、计算出射光斑的直径Dx和Dy；
7.1)找到光斑图像中灰度值最大的像元坐标(xi，yi)；
7.2)提取xi行全部像元的灰度值，从xi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Nx，则出射光斑x方向的直径Dx为
Dx＝Nxd
式中：d为探测器106像元尺寸，单位mm；
7.3)提取yi列全部像元的灰度值，从yi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Ny，则出射光斑y方向直径Dy为：
Dy＝Nyd
步骤八、计算光束发散角θ；
式中：θ为光束发散角，单位：μrad；f′为准直镜107的标定焦距，单位：mm。
Claims (10)
1.一种空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：包括光源(101)、光纤(102)、起偏器(104)、偏振分光镜(105)、探测器(106)、准直镜(107)、可调光阑(108)、检测1/4波片(109)、五维调整台(110)、切换平台(114)、偏振分析仪(112)和功率计(113)；
所述光纤(102)、起偏器(104)、偏振分光镜(105)依次设置在光源(101)的出射光路上；
所述准直镜(107)、检测1/4波片(109)、五维调整台(110)和切换平台(114)依次设置在偏振分光镜(105)的透射光路上，所述探测器(106)设置在偏振分光镜(105)的反射光路上，所述五维调整台(110)用于调整空间激光通信终端中继光路(111)的位置；
所述可调光阑(108)设置在准直镜(107)的出光口，用于实现准直镜(107)出射光口径的调节；
所述偏振分析仪(112)和功率计(113)设置在切换平台(114)上，切换平台(114)用于实现偏振分析仪(112)和功率计(113)的位置转换。
2.根据权利要求1中所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述光纤(102)的一端与光源(101)连接，另一端与光纤法兰(103)连接，所述光纤法兰(103)位于准直镜(107)的焦平面位置，所述光纤(102)的出射端面位于准直镜(107)的焦点位置。
3.根据权利要求2所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述切换平台(114)为转盘或平移台。
4.根据权利要求1或2或3所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述光源(101)为光纤激光器，波长为空间激光通信终端中继光路(111)的工作波长，所述光纤(102)为单模光纤或多模光纤。
5.根据权利要求4所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述探测器(106)为CCD或CMOS。
6.根据权利要求5所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述光纤(102)、起偏器(104)、偏振分光镜(105)和检测1/4波片(109)的工作波长为空间激光通信终端中继光路(111)的工作波长；所述探测器(106)、偏振分析仪(112)和功率计(113)的波长范围覆盖空间激光通信终端中继光路(111)的工作波长。
7.根据权利要求6所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述探测器(106)的单位像元尺寸为20μm，光谱响应范围为0.3μm～1.8μm。
8.根据权利要求7所述的空间激光通信终端中继光路装配检测装置，其特征在于：所述准直镜(107)的焦距为300mm，出瞳尺寸为100mm，光学元件全部为反射镜，工作波长范围为0.3μm～1.8μm。
9.一种基于权利要求1至8任一所述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、转换切换平台，将功率计转至五维调整台一侧；
步骤二、光源工作，光源的出射光经过光纤、起偏器后入射至偏振分光镜，经偏振分光镜透射后进入准直镜，出射平行光束，调整可调光阑，使可调光阑的口径小于被测空间激光通信终端中继光路出瞳；
步骤三、功率计记录偏振光的功率，转动起偏器，使偏振光功率最大；
步骤四、将被测空间激光通信终端中继光路放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端中继光路包括光学镜头和被测1/4波片；
步骤五、转换切换平台，将偏振分析仪转至五维调整台一侧；
步骤六、转动被测1/4波片，获取多个偏振分析仪斯托克斯参量的S3分量，选取最接近1或-1的S3分量，此时，该S3分量对应的角度即为被测1/4波片的安装角度，记录此时的S3分量，则空间激光通信终端中继光路的偏振损耗为(1-S3)×100％。
10.一种基于权利要求1至8任一所述空间激光通信终端中继光路装配检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、将被测空间激光通信终端中继光路放置在五维调整台上，所述被测空间激光通信终端中继光路包括相连接的光学镜头和被测光纤；
步骤二、将光纤激光器与被测光纤连接；
步骤三、光纤激光器工作，调整五维调整台，使被测空间激光通信终端中继光路的光轴与光纤激光器出射光束的光轴重合；
步骤四、调整可调光阑，使得可调光阑口径大于被测空间激光通信终端中继光路的出瞳直径；
步骤五、光纤激光器发出的光束经过被测光纤进入光学镜头，光学镜头出射的光经过检测1/4波片、可调光阑和准直镜，被偏振分光镜反射进入探测器，记录探测器上的光斑；
步骤六、调节被测光纤的安装位置和姿态，使得探测器上的光斑强度均匀分布且尺寸最小；
步骤七、计算出射光斑的直径Dx和Dy；
7.1)找到光斑图像中灰度值最大的像元坐标(xi，yi)；
7.2)提取xi行全部像元的灰度值，从xi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Nx，则出射光斑x方向的直径Dx为
Dx＝Nxd
式中：d为探测器像元尺寸，单位mm；
7.3)提取yi列全部像元的灰度值，从yi向两侧搜索，找到灰度值与灰度最大值1/e2最接近的两个像元所在位置，计算左右两个像元之间的间隔Ny，则出射光斑y方向直径Dy为：
Dy＝Nyd
步骤八、计算光束发散角θ；
式中：f′为准直镜的标定焦距，单位：mm。
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