CN114157358A - 激光通信中日凌地面模拟装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光通信中日凌地面模拟装置，解决现有面对日凌干扰，迫切需要日凌现象模拟装置以实现分析研究通信系统对日凌免疫情况的问题。装置包括箱体、设在箱体内的太阳光模拟单元和信号光模拟单元；太阳光模拟单元包括转台、模拟光源及沿模拟光源出射光路依次设置的激光光斑能量整形模块、光谱整形模块、滤光靶轮、第一准直物镜、半透半反镜和转台；滤光靶轮包括多个不同透光率的衰减片；半透半反镜对第一准直物镜出射光路反射；转台转动半透半反镜，模拟日凌期间内太阳相对地球的转动角速度；信号光模拟单元包括调制激光器及沿调制激光器出射光路依次设置的位移台、1/4波片和第二准直物镜；第二准直物镜出射的光束被上述半透半反镜透射。

Description

激光通信中日凌地面模拟装置

技术领域

本发明属于激光通信领域，具体涉及一种激光通信中日凌地面模拟装置。

背景技术

在卫星通信过程中，日凌会导致到达地球表面的太阳辐射达到最大值，地面接收终端在接收卫星信号的同时也会接收到大量的强太阳辐射，导致其无法识别出有用的卫星传输信号，严重时会导致通信中断，简称“日凌中断”，故日凌是对整个卫星激光通信链路可用性的一个关键影响因素。

目前，针对日凌干扰提出多种解决方案。其一，卫星通过微波、无线电等方式进行传递信号，通过地面天线来接收卫星信号，故通过设计来改变天线的一些参数(如：接收口径、3dB波束宽度等)，来减少太阳至接收终端的辐射时间，以此来减小日凌干扰；其二，为了进一步深入了解日凌现象，通过理论计算及数学建模来精确推导出日凌发生的日期，当日凌来临之时，切换不同轨道的卫星来实现正常通信，等日凌结束后，通过之前的卫星恢复到正常工作。

面对日凌干扰，传统的解决方案只是采取一定的措施来减小到达接收端的太阳辐射时间，或者避开日凌发生时间，而未对通信系统对日凌的免疫情况予以详细分析及研究。因此，迫切需要在地面进行日凌现象的精确模拟，以实现通信系统的信号光对日凌免疫情况的分析与研究。

发明内容

为了解决现有面对日凌干扰，是采取减小到达接收端的太阳辐射时间或避开日凌发生时间，迫切需要日凌现象模拟装置以实现分析研究通信系统对日凌免疫情况的技术问题，本发明提供了一种激光通信中日凌地面模拟装置。

为实现上述目的，本发明提供的技术方案是：

一种激光通信中日凌地面模拟装置，其特殊之处在于：包括箱体以及设置在箱体内的太阳光模拟单元和信号光模拟单元；

所述太阳光模拟单元包括转台、模拟光源以及沿模拟光源出射光路依次设置的激光光斑能量整形模块、光谱整形模块、滤光靶轮、第一准直物镜、半透半反镜和转台；

所述模拟光源采用宽谱段光纤激光器；

所述激光光斑能量整形模块用于对宽谱段光纤激光器出射的激光光斑进行能量匀化；

所述光谱整形模块用于对匀化后的光束进行光谱整形；

所述第一准直物镜用于模拟太阳光发散角的准平行光；

所述滤光靶轮包括多个不同透光率的衰减片，通过衰减片的切换与模拟光源的配合，实现太阳光模拟单元输出功率连续可调；

所述半透半反镜位于第一准直物镜的出射光路上，对第一准直物镜的出射光路反射；

所述转台用于转动半透半反镜，模拟日凌期间内太阳相对地球的转动角速度；

所述信号光模拟单元包括调制激光器以及沿调制激光器出射光路依次设置的位移台、1/4波片和第二准直物镜；

所述1/4波片用于将调制激光器出射的激光由线偏振光变为圆偏振光；

所述位移台用于控制调制激光器出射信号光的离焦；

所述第二准直物镜出射的光束被上述半透半反镜透射。

进一步地，所述转台的转角范围为0°～13°，运动角速度为0.0042°/s～5°/s。

进一步地，所述滤光靶轮包括3个衰减片，3个衰减片的透过率分别为50％、25％、12.5％。

进一步地，所述滤光靶轮和第一准直物镜之间设有折轴镜。

进一步地，所述箱体内壁涂覆消光漆；

所述宽谱段光纤激光器、转台、调制激光器、位移台上均裹有消光布。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1、本发明模拟装置包括太阳光模拟单元和信号光模拟单元，太阳光模拟单元和信号光模拟单元采用共轴输出，用于模拟日凌时到达激光通信信号接收终端入瞳处的杂散太阳辐射和信号光；本发明模拟装置结构紧凑，空间利用率较高，整个箱体体积小于1m³。

2、本发明太阳光模拟单元用来模拟地球外层空间太阳光辐射，能够在短时间内模拟出一定视场角的太阳光照特性，同时也能模拟太阳相对地球的角速度。信号光模拟单元能够提供稳定的光信号，并且系统具有一定的离焦量调节，通过调节离焦量来实现终端靶面对焦，以此实现稳定的跟踪和通信。本发明模拟装置可实现模拟太阳相应谱段的辐射、运动特性和激光信号光源，在激光通信载荷日凌免疫验证试验中起着十分重要的作用。

附图说明

图1为本发明激光通信中日凌地面模拟装置的原理图；

图2为本发明激光通信中日凌地面模拟装置的结构示意图；

其中，附图标记如下：

01-太阳光模拟单元，02-信号光模拟单元，03-接收终端；

1-模拟光源，2-激光光斑能量整形模块，3-光谱整形模块，4-折轴镜，5-第一准直物镜，6-滤光靶轮，7-转台，8-半透半反镜，9-调制激光器，10-位移台，11-1/4波片，12-第二准直物镜，13-箱体。

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。

如图1和图2所示，本发明一种激光通信中日凌地面模拟装置，主要包括箱体13以及设置在箱体13内的太阳光模拟单元01、信号光模拟单元02，太阳光模拟单元01和信号光模拟单元02采用共轴输出，用于模拟日凌时到达激光通信终端入瞳处的杂散太阳辐射和信号光，可为激光通信中信号光对日凌免疫情况研究奠定基础。

太阳光模拟单元01的功能是实现日凌期间内太阳辐射特性的模拟，主要包括模拟光源1和沿模拟光源1出射光路依次设置的激光光斑能量整形模块2、光谱整形模块3、滤光靶轮6、折轴镜4、第一准直物镜5、半透半反镜8，以及用于安装半透半反镜8的转台7。

模拟光源1采用宽谱段光纤激光器，可对太阳在通信波段(1550nm)附近光谱范围内的辐射进行模拟；太阳为均匀光源，而激光器输出的激光为高斯光束，故需对激光光斑进行能量匀化；太阳光在通信谱段附近几十纳米范围内的光谱辐亮度为变化量较小，可视为光谱均匀光源，对于光谱特性而言，宽谱段光纤激光器在不同波段对应光谱辐射亮度不同，且与太阳光谱相差较大，故需对激光器光谱进行整形；因此本发明在宽谱段光纤激光器的出射光路上依次设激光光斑能量整形模块2和光谱整形模块3，激光光斑能量整形模块2对激光器出射的激光光斑进行能量匀化，包括准直、匀化和聚焦光路实现光斑的匀化，以及用于与第一准直物镜的能量耦合；光谱整形模块3对匀化后的光束进行光谱整形，光谱整形模块采用光谱滤光片设计，对激光器输出光谱进行整形，使得其光谱匹配度与太阳的光谱匹配度在0.75～1.25。

折轴镜4用于折转光路，减小光学总长，增加系统空间利用率。第一准直物镜5用于模拟太阳光的发散角的准平行光，第一准直物镜5的出射光束需覆盖信号接收终端03入瞳处的口径；滤光靶轮6可进行不同透过率衰减片的切换，与连续可调的模拟光源1搭配，实现太阳光模拟单元01输出功率连续可调的功能；转台7可模拟日凌发生期间，太阳相对于地球(同步卫星)的角速度及通信终端接收的信号视场大小。

信号光模拟单元02是为信号接收终端03提供稳定出射的信号光，主要包括调制激光器9以及沿调制激光器9出射光路依次设置的高精度位移台10、1/4波片11和第二准直物镜12。

调制激光器9采用光纤激光器，出射激光为线偏振光，经过1/4波片11，出射光为圆偏振光，并可通过旋转1/4波片11改变主轴方向，实现左右旋圆偏光的切换；第二准直物镜12实现信号光的准直出射；高精度位移台10可确保信号光的准直输出，同时位移台10包含光栅尺，通过软件控制光纤激光器出射信号光的离焦，以补偿信号接收终端03的靶面离焦。

半透半反镜位于第一准直物镜和第二准直物镜的出射光路上，且对第一准直物镜的出射光路反射，对第二准直物的出射光路透射；半透半反镜8用于信号光与太阳光的近共轴光束输出，进而模拟日凌发生期间内入射至信号接收终端03的姿态。

本实施例日凌地面模拟装置实质是对在日凌发生期间内卫星通信接收端接收的太阳辐射和信号光进行地面模拟，为了实现精确模拟，从以下方面进行详细描述：

1)准直物镜设计

第一准直物镜5和第二准直物镜12设计思路相似。首先，两个准直物镜光学系统的出瞳直径必须大于信号接收终端03的口径，方可保证接收终端03能够接收到全部的信号；其次，分别考虑两个准直物镜光学系统的F数与其他光学系统(匀化系统)或光源(信号光)相匹配，由此可保证系统传输光束的能量效率。对于太阳光模拟单元01而言，其发散角是一个重要指标，可通过第一准直物镜5的离焦来实现太阳张角的模拟；

第一准直物镜5和第二准直物镜12的参数设计具体为：根据信号接收终端03的有效口径及空间尺寸要求确定两个准直物镜的F数；根据信号光的波段，确定两个准直物镜的工作波段，比如信号光的工作波段为1550nm，和太阳光模拟波段为1550±10nm，并通过软件设计可得到两个准直物镜的光学参数(玻璃片数、玻璃厚度、空气间隔、玻璃曲率半径等)。

2)系统输出功率范围

日凌地面模拟装置是对卫星信号接收终端03的杂散太阳辐射进行模拟。根据地球表面的标准太阳光谱数据，可计算出到达卫星接收端的功率。在日凌发生期间，接收端太阳的辐射随视场的变化而变化，故需要实现系统的功率连续输出，本实施例通过滤光靶轮6对系统剩余透过率进行补偿，通过模拟光源1与滤光靶轮6切换，可实现连续太阳辐射强度输出的精确模拟。本实施中通信终端口径为Φ200mm，太阳光模拟模块的工作谱段为1550±10nm，经过理论计算，太阳光模拟系统的输出最大光功率为130mW(@200mm)，利用滤光靶轮6不同透过率的衰减片(透过率T＝50％、25％、12.5％)设置不同档位，可实现输出功率在10％～100％范围内连续可调。

3)光源类型及特性(能量均匀性和光谱匹配度)

考虑到系统稳定性、透过率、空间利用率及工作谱段等因素，太阳光模拟单元01采用宽谱段光纤激光器作为模拟光源1，本实施例模拟光源1为C波段高功率光纤激光器，其输出波段为1530～1570nm，最大输出功率可达2.4W。

宽谱段光纤激光器的参数限定：激光器包含模拟太阳光的工作波段，且输出功率需要足够大，保证太阳光模拟模块输出功率大于第一准直物镜出瞳直径范围内的太阳辐射功率。

激光光斑能量整形模块2对宽谱段光纤激光器出射的光斑进行能量匀化，提高光斑的均匀性，其能量均匀性应大于80％；

对于光谱特性而言，宽谱段光纤激光器在不同波段对应光谱辐射亮度不同，且与太阳光谱相差较大，故对激光器光谱进行整形，整形后光谱特性与太阳光谱的匹配度在0.75～1.25。

4)转动角度和转动速度。

由于日凌发生期间太阳绕地球转动会导致不同视场范围内的信号接收终端03接收到的辐射发生变化，并且太阳在转动时的角速度也在发生变化，故本发明利用转台7的转角和转速分别来进行视场角和运动状态的模拟。本实施例中转台7的转角范围为0°～13°，控制精度为0.01°，运动角速度在0.0042°/s～5°/s。

5)信号光强度

卫星发射信号经大气衰减，到达地面信号接收端的信号强度极弱，在进行系统设计时需考虑弱光信号的实现。本实施例信号光模拟单元02出射的信号光强度小于-40dBm。

6)杂散光设计

由于日凌免疫试验装置是在模拟信号接收终端03空间背景中接收到的信号光与杂散辐射，故在地面建立日凌模拟系统时需要避免地面杂散光对系统输出的影响。由于信号光强度极弱，极易受到使用环境、结构表散射影响，导致信号光湮灭在除太阳光外的杂散光中，信号接收终端03无法提取信号。因此，为保证本实施例装置工程上的可实现性，需进行严格的杂散光仿真设计分析。为保证器件光散射造成影响，在实际使用时，可在箱体13内壁涂覆消光漆，以及在宽谱段光纤激光器、转台7、调制激光器9、位移台10上均裹有消光布，实现消杂散光设计，可进一步确保了弱信号光在工程上的可探测性(正常输出)。

以上仅是对本发明的优选实施方式进行了描述，并不将本发明的技术方案限制于此，本领域技术人员在本发明主要技术构思的基础上所作的任何变形都属于本发明所要保护的技术范畴。

Claims (5)

1.一种激光通信中日凌地面模拟装置，其特征在于：包括箱体(13)以及设置在箱体(13)内的太阳光模拟单元(01)和信号光模拟单元(02)；

所述太阳光模拟单元(01)包括转台(7)、模拟光源(1)以及沿模拟光源(1)出射光路依次设置的激光光斑能量整形模块(2)、光谱整形模块(3)、滤光靶轮(6)、第一准直物镜(5)、半透半反镜(8)；

所述模拟光源(1)采用宽谱段光纤激光器；

所述激光光斑能量整形模块(2)用于对宽谱段光纤激光器出射的激光光斑进行能量匀化；

所述光谱整形模块(3)用于对匀化后的光束进行光谱整形；

所述第一准直物镜(5)用于模拟太阳光发散角的准平行光；

所述滤光靶轮(6)包括多个不同透光率的衰减片，通过衰减片的切换与模拟光源(1)的配合，实现太阳光模拟单元(01)输出功率连续可调；

所述半透半反镜(8)位于第一准直物镜(5)的出射光路上，对第一准直物镜(5)的出射光路反射；

所述转台(7)用于转动半透半反镜(8)，模拟日凌期间内太阳相对地球的转动角速度；

所述信号光模拟单元(02)包括调制激光器(9)以及沿调制激光器(9)出射光路依次设置的位移台(10)、1/4波片(11)和第二准直物镜(12)；

所述1/4波片(11)用于将调制激光器(9)出射的激光由线偏振光变为圆偏振光；

所述位移台(10)用于控制调制激光器(9)出射信号光的离焦；

所述第二准直物镜(12)出射的光束被所述半透半反镜(8)透射。

2.根据权利要求1所述激光通信中日凌地面模拟装置，其特征在于：所述转台(7)的转角范围为0°～13°，运动角速度为0.0042°/s～5°/s。

3.根据权利要求2所述激光通信中日凌地面模拟装置，其特征在于：所述滤光靶轮(6)包括3个衰减片，3个衰减片的透过率分别为50％、25％、12.5％。

4.根据权利要求1至3任一所述激光通信中日凌地面模拟装置，其特征在于：所述滤光靶轮(6)和第一准直物镜(5)之间设有折轴镜(4)。

5.根据权利要求1所述激光通信中日凌地面模拟装置，其特征在于：所述箱体(13)内壁涂覆消光漆；

所述宽谱段光纤激光器、转台(7)、调制激光器(9)、位移台(10)上均裹有消光布。

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