CN113346949A - 基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法 - Google Patents

基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法。本发明的测试装置包括一个平行光管，所述平行光管的一侧设置被测激光通信终端，所述平行光管的另一面设置一个分光棱镜用于将光束分为两路，其中一路汇聚在CCD探测器探测面上，另一路连接光纤接口，所述光纤接口连接光衰减器，所述光衰减器通过光纤连接激光器，所述光纤接口放置在一个六维微动平台上，所述CCD探测器、光纤衰减器、六维微动平台均与控制计算机连接。本发明可以模拟发射不同的发散角以及发射距离，为激光通信终端测试以及实际应用提供更准确的测试数据。

Description

基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法
技术领域
本发明涉及一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法，属于激光通信终端测试技术领域。
背景技术
随着卫星技术的日益发展，星间、星地之间对通信的要求也不断提高，相比普通卫星通信（微波通信），激光通信具有通信数据率高、保密性好、抗干扰能力强、体积小、功耗低等优点，已逐步成为未来激光通信的主要研究方向。
由于激光通信终端发散角较小，普遍都在微弧度量级，因此在激光通信终端装调测试阶段，需要应用到平行光管设备用以模拟远场平行光束，对于普通平行光管而言，其发散角受制于所选镜面焦距，为固定值，不能完全与所研制激光通信终端的发散角和使用距离一致，因此装调测试中的数据与实际应用存在偏差，因此如何更准确模拟激光通信终端实际应用情况尤为重要。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在的问题，提供一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及方法，适用于卫星激光通信终端装调与测试阶段，可以模拟发射不同的发散角以及发射距离，为激光通信终端测试以及实际应用提供更准确的测试数据。
上述的目的通过以下的技术方案实现：
一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置，包括一个平行光管，所述平行光管的一侧设置被测激光通信终端，所述平行光管的另一面设置一个分光棱镜用于将光束分为两路，其中一路汇聚在CCD探测器探测面上，另一路连接光纤接口，所述光纤接口连接光衰减器，所述光衰减器通过光纤连接激光器，所述光纤接口放置在一个六维微动平台上，所述CCD探测器、光纤衰减器、六维微动平台均与控制计算机连接。
进一步地，所述分光棱镜采用分光比1：1的分光棱镜。
进一步地，所述光纤衰减器采用数显可调光衰减器，衰减范围2.5~60dB。
用上述的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置进行激光通信测试的方法，该方法为：
利用平行光管模拟远场接收，被测激光通信终端发射光束经平行光管后汇聚在CCD探测器探测面上，通过控制计算机采集光斑信息；光纤接口、六维微动平台、光纤衰减器、激光器用于模拟远场发射，通过控制计算机调节光纤衰减器对激光器发出光束进行衰减，达到模拟不同距离发射能量的目的；光纤接口下方由六维微动平台固定，六维微动平台可进行前后、上下、左右平移与偏摆，控制计算机用于控制六维微动平台进行前后平移，达到改变平行光管发散角的目的；
设平行光管焦距为
Figure 400060DEST_PATH_IMAGE001
，光纤模场直径为MFD，则当光纤在平行光管点处时，平行光管发散角
Figure 616145DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 31077DEST_PATH_IMAGE003
(1)
控制计算机输出控制量控制六维微动平台进行前后离焦，设离焦量为
Figure 959850DEST_PATH_IMAGE004
，则在平行光管焦点处光斑半径
Figure 737313DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 355989DEST_PATH_IMAGE006
(2)
其中
Figure 399162DEST_PATH_IMAGE007
为激光器种类参数，
Figure 213184DEST_PATH_IMAGE008
为光纤最大入射角；
则平行光管发散角
Figure 48416DEST_PATH_IMAGE009
为：
Figure 575344DEST_PATH_IMAGE010
(3)
即：
Figure 699289DEST_PATH_IMAGE011
(4)
设被测激光通信终端接收发散角为
Figure 232514DEST_PATH_IMAGE012
，对应波长为
Figure 984569DEST_PATH_IMAGE013
，被测激光通信终端实际应用距离为
Figure 26605DEST_PATH_IMAGE014
，则光束自由空间传输损耗FSL为：
Figure 956954DEST_PATH_IMAGE015
(5)
设被测激光通信终端天线口径为D，平行光管口径为
Figure 296799DEST_PATH_IMAGE016
，则天线接收接收损耗
Figure 44306DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 723156DEST_PATH_IMAGE018
(6)
天线发射增益
Figure 946327DEST_PATH_IMAGE019
和天线接收增益
Figure 718892DEST_PATH_IMAGE021
为：
Figure 914381DEST_PATH_IMAGE022
(7)
Figure 219591DEST_PATH_IMAGE023
(8)
其中
Figure 71004DEST_PATH_IMAGE025
为另一端激光通信终端发射光束发散角；
根据另一端激光通信终端发射光功率设置激光器功率后，则需通过控制计算机控制光纤衰减器损耗
Figure 484143DEST_PATH_IMAGE026
为：
Figure 737401DEST_PATH_IMAGE027
(9)
在实际激光通信测试时，根据所需发散角及公式(4)调节六维微动平台离焦量
Figure 869305DEST_PATH_IMAGE028
，实现不同的发散角，根据激光通信应用的距离和公式(9)调节衰减器的衰减值，以达到实际应用测试的目的。
有益效果：
本发明提出了一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置及测试方法；可以模拟不同距离及发散角的平行光管测试设备，本发明装置模拟发散角精度可根据六维微动平台精度计算，基本可控制在5μrad以内；而模拟通信距离时根据衰减光功率进行模拟，功率衰减精度不大于0.1dB，可以更准确的测试出激光通信终端各项指标。适用于卫星激光通信终端装调与测试阶段，为激光通信终端的应用提供更准确的依据。
附图说明：
图1是本发明的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置示意图。
图中：1、平行光管；2、被测激光通信终端；3、分光棱镜；4、CCD探测器；5、光纤接口；6、光衰减器；7、光纤；8、激光器；9、六维微动平台；10、控制计算机。
具体实施方式
如图1所示，本实施例的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置，包括一个平行光管1，所述平行光管的一侧设置被测激光通信终端，所述平行光管的另一面设置一个分光棱镜3用于将光束分为两路，其中一路汇聚在CCD探测器4探测面上，另一路连接光纤接口5，所述光纤接口连接光衰减器6，所述光衰减器通过光纤7连接激光器8，所述光纤接口放置在一个六维微动平台9上，所述CCD探测器、光纤衰减器、六维微动平台均与控制计算机10连接。
本实施例中所述分光棱镜采用分光比1：1的分光棱镜。
本实施例中所述光纤衰减器采用数显可调光衰减器，衰减范围2.5~60dB。
本实施例中的平行光管：口径200mm，焦距2m；本实施例中的激光器采用半导体激光器；本实施例中的光纤接口采用FC型法兰，衰减＜0.04dB；本实施例中的六维微动平台：采用卓立汉光六维精密光纤调整架，X方向偏摆范围±7°，Y、Z方向偏白范围±3°，X、Y方向平移范围12mm，Z方向平移范围6mm。本实施例中的控制计算机：测试计算机为一个电脑服务器，CPU为i7 4630K (6x3.4Ghz avec 12Mo LLC, 2Mo L2 total)，主板ASUS X79-DELUXE，硬盘SAMSUNG SSD 840 PRO 256GB，显卡为GAINWARD GEFORCE GT730 2GB DDR3 SILENTFX，内改存为GSKILL 16GB (4X4) QUAD CHANNEL F3-14900CL9Q-16GBZL。
用上述的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置进行激光通信测试的方法，该方法为：
利用平行光管模拟远场接收，被测激光通信终端发射光束经平行光管后汇聚在CCD探测器探测面上，通过控制计算机采集光斑信息；光纤接口、六维微动平台、光纤衰减器、激光器用于模拟远场发射，通过控制计算机调节光纤衰减器对激光器发出光束进行衰减，达到模拟不同距离发射能量的目的；光纤接口下方由六维微动平台固定，六维微动平台可进行前后、上下、左右平移与偏摆，控制计算机用于控制六维微动平台进行前后平移，达到改变平行光管发散角的目的；
设平行光管焦距为
Figure 473593DEST_PATH_IMAGE001
，光纤模场直径为MFD，则当光纤在平行光管点处时，平行光管发散角
Figure 958932DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure 346924DEST_PATH_IMAGE003
(1)
控制计算机输出控制量控制六维微动平台进行前后离焦，设离焦量为
Figure 462779DEST_PATH_IMAGE004
，则在平行光管焦点处光斑半径
Figure 554363DEST_PATH_IMAGE005
为：
Figure 312234DEST_PATH_IMAGE029
(2)
其中
Figure 537155DEST_PATH_IMAGE007
为激光器种类参数，
Figure 27173DEST_PATH_IMAGE008
为光纤最大入射角；
则平行光管发散角
Figure 74895DEST_PATH_IMAGE030
为：
Figure 636457DEST_PATH_IMAGE031
(3)
即：
Figure 580798DEST_PATH_IMAGE032
(4)
设被测激光通信终端接收发散角为
Figure 304035DEST_PATH_IMAGE012
，对应波长为
Figure 839052DEST_PATH_IMAGE013
，被测激光通信终端实际应用距离为
Figure 938726DEST_PATH_IMAGE014
，则光束自由空间传输损耗FSL为：
Figure 544764DEST_PATH_IMAGE015
(5)
设被测激光通信终端天线口径为D，平行光管口径为
Figure 501218DEST_PATH_IMAGE016
，则天线接收接收损耗
Figure 789111DEST_PATH_IMAGE017
为：
Figure 692477DEST_PATH_IMAGE018
(6)
天线发射增益
Figure 740636DEST_PATH_IMAGE019
和天线接收增益
Figure 867992DEST_PATH_IMAGE034
为：
Figure 643181DEST_PATH_IMAGE035
(7)
Figure 84658DEST_PATH_IMAGE023
(8)
其中
Figure 727605DEST_PATH_IMAGE025
为另一端激光通信终端发射光束发散角；
根据另一端激光通信终端发射光功率设置激光器功率后，则需通过控制计算机控制光纤衰减器损耗
Figure 229124DEST_PATH_IMAGE026
为：
Figure 163713DEST_PATH_IMAGE027
(9)
在实际激光通信测试时，根据所需发散角及公式(4)调节六维微动平台离焦量
Figure 877723DEST_PATH_IMAGE028
，实现不同的发散角，根据激光通信应用的距离和公式(9)调节衰减器的衰减值，以达到实际应用测试的目的。
例如：
在某研究所的激光通信模拟系统中，采用了此方法，其中：平行光管焦距为6m，其中六维微动平台采用卓立汉光的NFP-6561/6561L超高精密光纤专用六维滑台（现有产品），灵敏度＜1μm，采用光纤为数值孔径：0.14，纤芯直径9μm，对应MFD：10.4μm，光纤最大入射角
Figure 771248DEST_PATH_IMAGE036
为8°，衰减器波长范围1260~1650nm，最大衰减65dB。
运用此方法测试结果如下表：
表1离焦量与发散角关系
Figure 443669DEST_PATH_IMAGE037
被测激光通信终端天线口径为70mm，平行光管口径为400mm，信号光波长为1550nm，发散角为50μrad，传输距离
Figure 662292DEST_PATH_IMAGE038
为6000km，则根据公式计算FSL为-273.7dB，天线发射增益根据公式计算为98dB，天线接收增益为103dB，天线接收损耗为-15dB，则需要衰减的功率值
Figure 711150DEST_PATH_IMAGE026
为-57dB。此功率值为根据对应终端，模拟通信距离5000km所需进行的衰减值。若要模拟其他通信距离，根据实际终端发散角口径情况根据公式计算即可。
以上的实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。本发明未涉及的技术均可通过现有的技术加以实现。

Claims (4)

1.一种基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置，其特征是：包括一个平行光管，所述平行光管的一侧设置被测激光通信终端，所述平行光管的另一面设置一个分光棱镜用于将光束分为两路，其中一路汇聚在CCD探测器探测面上，另一路连接光纤接口，所述光纤接口连接光衰减器，所述光衰减器通过光纤连接激光器，所述光纤接口放置在一个六维微动平台上，所述CCD探测器、光纤衰减器、六维微动平台均与控制计算机连接。
2.根据权利要求1所述的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置，其特征是：所述分光棱镜采用分光比1：1的分光棱镜。
3.根据权利要求1所述的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置，其特征是：所述光纤衰减器采用数显可调光衰减器，衰减范围2.5~60dB。
4.一种用上述的基于光管模拟距离和发散角的激光通信测试装置进行激光通信测试的方法，其特征是：该方法为：
利用平行光管模拟远场接收，被测激光通信终端发射光束经平行光管后汇聚在CCD探测器探测面上，通过控制计算机采集光斑信息；光纤接口、六维微动平台、光纤衰减器、激光器用于模拟远场发射，通过控制计算机调节光纤衰减器对激光器发出光束进行衰减，达到模拟不同距离发射能量的目的；光纤接口下方由六维微动平台固定，六维微动平台可进行前后、上下、左右平移与偏摆，控制计算机用于控制六维微动平台进行前后平移，达到改变平行光管发散角的目的；
设平行光管焦距为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
，光纤模场直径为MFD，则当光纤在平行光管点处时，平行光管发散角
Figure 543750DEST_PATH_IMAGE002
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE003
(1)
控制计算机输出控制量控制六维微动平台进行前后离焦，设离焦量为
Figure DEST_PATH_IMAGE005
，则在平行光管焦点处光斑半径
Figure 853640DEST_PATH_IMAGE006
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE007
(2)
其中
Figure 455129DEST_PATH_IMAGE008
为激光器种类参数，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为光纤最大入射角；
则平行光管发散角
Figure 989010DEST_PATH_IMAGE010
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE011
(3)
即：
Figure 630776DEST_PATH_IMAGE012
(4)
设被测激光通信终端接收发散角为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
，对应波长为
Figure 354144DEST_PATH_IMAGE014
，被测激光通信终端实际应用距离为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
，则光束自由空间传输损耗FSL为：
Figure 872456DEST_PATH_IMAGE016
(5)
设被测激光通信终端天线口径为D，平行光管口径为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
，则天线接收接收损耗
Figure 143950DEST_PATH_IMAGE018
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE019
(6)
天线发射增益
Figure 718019DEST_PATH_IMAGE020
和天线接收增益
Figure DEST_PATH_IMAGE021
为：
Figure 307395DEST_PATH_IMAGE022
(7)
Figure DEST_PATH_IMAGE023
(8)
其中
Figure 149055DEST_PATH_IMAGE024
为另一端激光通信终端发射光束发散角；
根据另一端激光通信终端发射光功率设置激光器功率后，则需通过控制计算机控制光纤衰减器损耗
Figure DEST_PATH_IMAGE025
为：
Figure 539585DEST_PATH_IMAGE026
(9)
在实际激光通信测试时，根据所需发散角及公式(4)调节六维微动平台离焦量
Figure 508941DEST_PATH_IMAGE004
，实现不同的发散角，根据激光通信应用的距离和公式(9)调节衰减器的衰减值，以达到实际应用测试的目的。
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