CN1434581A

CN1434581A - 卫星激光通信模拟装置

Info

Publication number: CN1434581A
Application number: CN03115589A
Authority: CN
Inventors: 滕树云; 刘立人; 祖继锋; 刘德安; 周煜; 栾竹; 万玲玉
Original assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Current assignee: Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanics of CAS
Priority date: 2003-02-28
Filing date: 2003-02-28
Publication date: 2003-08-06
Anticipated expiration: 2023-02-28
Also published as: CN1234215C

Abstract

卫星激光通信模拟装置是借助于等效远场和小孔接收的方案实现远距离卫星激光通信的测量和验证装置。该装置包括：被测光学终端发射系统、傅立叶变换透镜、第一级放大透镜组、第二级至第N－1级放大透镜组、第N级放大透镜组、透反镜、小孔光阑和光电接收器，在透反镜的横向还设有噪声光源和变换光学系统。整个装置总的长度约为几十米，模拟实验可在实验室内完成。同时光信号的测量是在能够真正与激光通信中卫星之间相比拟的距离量级上进行的。因而本发明测量结果可靠且精度高。为了模拟来自地面的反射信号以及来自其他星体的干扰信号对激光通信的影响，本发明加入了噪声源，这对真实地模拟上天后的卫星之间的通信提供了各种可能性。

Description

卫星激光通信模拟装置

技术领域：

本发明与卫星激光通信有关，特别是一种在远距离自由空间卫星激光通信模拟装置，主要用于检验卫星之间激光通信中信号在远距离传输后的光强大小以及预测建立通信链路的可能性。

背景技术：

卫星激光通信通常涉及到数千至数万公里甚至更远距离之间的光波的传输，如此远的距离对发散光束的发散角及其能量有很高的要求，且对光学接收端的口径也有一定的限制，所以在地面上进行卫星激光通信模拟实验检测是很有必要的。

卫星激光通信模拟实验通常是在地面上相距数十公里的两个山头上进行的，但这种方法具有很大的缺陷。首先因为模拟的距离是有限的，其次在地面上进行模拟实验时大气的影响也是不容忽视的，所以用这种方法对卫星激光通信进行实验验证会给测量结果带来很大的误差，不能直接判断激光通信终端信号上天后能否实现卫星之间的通信。在地面上真实地模拟卫星之间的通信即涉及到数千至数万公里甚至更远距离之间的激光通信的实验至今还未见报道。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种卫星激光通信模拟装置，解决在地面实验室内直接实现远距离卫星激光通信中光信号的模拟测量和验证的问题。

本发明的技术构思是采用光学远场变换、级联放大器和等效口径接收在地面上的实验室内直接实现远距离卫星激光通信中光信号的模拟测量和验证。

本发明的具体技术解决方案如下：

一种卫星激光通信模拟装置，其特征在于沿光束方向它的构成依次包括：被

测光学终端发射系统、傅立叶变换透镜、第一级放大透镜组、第二级至第N-1

级透镜组、第N级透镜组、透反镜、小孔光阑和光电接收器，在该透反镜的横向还设有噪声光源和变换光学系统。所述的小孔光阑的口径d_x应满足：

d_{x} = \frac{d_{0} z}{z_{0}} = \frac{d_{0}}{z_{0}} \times f \times M_{1} \times M_{2} \cdot \cdot \cdot \times M_{N},

其中：d₀为星际间接收系统主镜的口径，

z_x为星际间接收系统之间的距离公里数，

f为傅立叶变换透镜的焦距，

M₁，M₂…，M_N分别为第一级、第二级…第N级放大透镜组的放大倍率。所述的第一级放大透镜组的口径D₁为：

其中：f为傅立叶变换透镜的焦距，

为傅立叶变换透镜的口径，

f₁为第一级放大透镜的焦距，

M₁为第一级放大透镜组的放大倍数，

θ为被测光学终端发射系统光束发散角。所述的第N级放大透镜组的口径D_N为：

D_{N} = \frac{f_{N}}{l_{N - 1,2}} (1 + \frac{1}{M_{N}}) D_{N - 1} + [1 + \frac{f_{N}}{l_{N - 1,2}} (1 + \frac{1}{M_{N}})] M_{1} {, M}_{2} . . . M_{N - 1} d,

其中：l_N-1，2为第N-1级放大透镜组的象距，

D_N-1为第N-1级放大透镜组的口径，

f_N为第N级放大透镜组的焦距，

d＝fθ为傅立叶变换焦面的光斑直径，f为傅立叶变换透镜的焦距，θ为被测光学终端发射系统光束发散角，

M₁，M₂…，M_N分别为第一级、第二级…第N级放大透镜组的放大倍率。

本发明卫星激光通信测量装置的技术效果：

本发明的卫星激光通信模拟装置是借助于等效远场和小孔接收的方案来模拟和测量远距离卫星激光通信中的光强信号的一种光学测量装置。它测量的光信号是在能够真正与激光通信中卫星之间相比拟的距离量级上进行模拟测量的。整个装置总的长度约为几十米，模拟实验可在实验室内完成。如果实验室内可保持一定的真空度，便可完全排除大气的影响。因而本发明的卫星激光通信测量装置测量精度高，测量结果可靠性强。另外本发明的卫星激光通信模拟测量装置还加入了噪声源，它既可以模拟来自地面的反射信号对激光通信的影响，可以模拟来自其他星体的干扰信号对激光通信的影响。这对真实地模拟上天后的卫星之间的通信提供了各种可能性。

附图说明：

图1为本发明的卫星激光通信模拟装置的结构框图。

图2为本发明中远场光斑形成的示意图。

图3为本发明中三级放大的等效模拟示意图。

具体实施方案：

本发明的卫星激光通信模拟装置的结构如图1所示，它包括被测量的光学终端发射系统1，傅立叶变换透镜2，第一级放大透镜组3，第二至第N-1级透镜组4，第N级放大透镜组5，噪声光源6，变换光学系统7，透反镜8，小孔光阑9，光电接收器10。

本发明的卫星激光通信装置具体结构可分为四部分。一是采用傅立叶变换透镜2将被测的光学终端发射系统1输出的光束在其焦平面上进行傅立叶变换形成远场光斑。二是采用第一级放大透镜组3、第二级至第N-1级透镜组4以及第N级放大透镜组5组成的级联式光学放大器将会聚于傅立叶变换透镜2焦面上的光斑进行光学放大。三是噪声光源6发出的噪声通过一定的变换光学系统7对信号光束产生干扰，噪声和信号通过透反镜8进行合束。四是利用等效于真实的接收口径的小孔光阑9来探测放大后的光斑，信号光强的探测由光电接收器10完成。各部分的具体实施如下：

光学终端发射系统1输出的具有一定发散角θ的发散光束，经过傅立叶变换透镜2后在其焦平面上得到具有一定尺寸大小的光斑。如图2所示，如果傅立叶变换透镜2的焦距为f，在傅立叶变换透镜2的焦平面上所得到的会聚光束光斑的直径为d，则：

d＝f·θ (1)

在傅立叶变换透镜2的焦平面上获得的光斑，再经N级放大透镜组放大。如图1所示，假设放大装置中的每一级放大透镜组的放大率分别为M₁，M₂…M_N，在第N级放大透镜组的象面上可以得到放大了M₁·M₂…M_N倍的光斑。由此获得这一光斑的等效传输距离为：

z＝f×M₁×M₂…×M_N (2)

由上式可知，如果放大装置的放大倍数足够大，则这一距离就可与一定的通信距离相比拟。

假定星际间接收系统是在相距z₀公里处的接收面上，主镜口径的直径为d₀。则在等效距离z＝f×M₁×M₂…×M_N处的小孔光阑9的直径满足

\frac{d_{0}}{z_{0}} = \frac{d_{x}}{z}

，即小孔光阑9的口径尺寸为，

d_{x} = \frac{d_{0} z}{z_{0}} = \frac{d_{0}}{z_{0}} \times f \times M_{1} \times M_{2} \cdot \cdot \cdot \times M_{N} - - - - - (3)

由傅立叶变换透镜2，N级放大透镜组以及小孔光阑9构成的装置即可以模拟测量距离z₀处的接收口径为d₀的实际工作条件。

此外，考虑到上天后的卫星进行通信时要受到来自太阳、星体或地面反射的背景光的干扰，本发明的卫星激光通信模拟装置中加入了噪声光源6。噪声光源6发出的噪声通过一定的变换光学系统7和透反镜8与通信信号整合，从而对信号光进行干扰。被噪声干扰的信号经小孔光阑9由模拟光学接收器10接收。

设计测量装置中各器件时，需要注意器件的光学参数应满足一定的物理和实际条件。星际激光通信中输出光束的发散角一般较小，通常为数微弧度至几毫弧度。光学终端发射系统1输出的光束的口径通常小于300毫米。因此确定：傅立叶变换透镜2的焦距为3米到10米左右。放大透镜的口径在毫米到几百毫米之间，相对孔径取为，放大透镜的焦距范围为：f＝15mm～1500mm。

此外在设计放大透镜的口径时，同时还要考虑到成象光斑对透镜尺寸的要求。确定透镜口径时可由简单的几何知识，按照成象比例关系由前一级被放大的光斑传播到后一级透镜处的有效口径来确定后一级透镜的口径。

口径为的平行光束经焦距为f的傅立叶透镜2变换后，在透镜的焦平面上会聚为一点，光束由该点发出再经第一级放大透镜组3成象。假设第一级放大透镜组3只包含一个透镜，其焦距为f₁，放大倍数为M₁，物距为l₁，象距为l₂，则这一放大透镜的口径的最小值D_1min为，

此外由于光学终端发射系统1输出的光束有一定的发散角θ，光束经傅立叶透镜变换后在其焦平面上形成直径为d＝f·θ的远场光斑。远场光斑经第一级放大透镜组3成象，透镜口径D_1max应满足，

由此可以确定第一级放大透镜组3的口径应大于或略大于D_1max。由于傅立叶变换透镜2的焦距相对较大，得到的D_1max相对较小，因而这一放大透镜的实际口径可做的小一些。

我们依次确定后面的放大透镜的口径。远场光斑经过第一级放大透镜组3至第N-1级放大透镜组放大后其直径被放大为M₁M₂…M_N-1d，假设第N-1级放大透镜组的口径为D_N-1，象距为l_N-1，2。同样第N级放大透镜的口径也应分别满足成象和远场光斑的要求。由成象公式，第N级放大透镜组5的口径的最小值为，

D_{N, \min} = \frac{l_{N, 1}}{l_{N - 1,2}} D_{N - 1} = D_{N - 1} [\frac{f_{N}}{l_{N - 1,2}} (1 + \frac{1}{M_{N}})] - - - (6)

此外放大透镜的口径还受到放大的远场光斑的影响，由此获得的第N级放大透镜组5的口径为，

D_{N, \max} = \frac{f_{N}}{l_{N - 1,2}} (1 + \frac{1}{M_{N}}) D_{N - 1} + [1 + \frac{f_{N}}{l_{N - 1,2}} (1 + \frac{1}{M_{N}})] M_{1} {, M}_{2} . . . M_{N - 1} d - - - - - (7)

一般来讲放大透镜的口径比由此得到的计算数值大一些就基本上满足成象的要求。

通常来讲透镜的有限口径会使成象的质量产生一定的失真。然而如果光电接收器10是在较小空间范围内接收放大后的光斑信号，相应于在每一级放大前与接收的这一部分信号对应的信号的范围D_N按照每一级的放大率缩小，因此在整个放大装置中较小的光斑尺寸对放大透镜的尺寸要求并非严格，我们在设计和制作放大透镜时，可将透镜的口径适量放大些，以进一步确保透镜不会给测量结果带来可观影响。

下面举一个具体实施例作进一步说明，假设发散角为20微弧度的激光光束在45000公里的自由空间内传输，星际间接收系统的主镜口径为250毫米。本发明中的模拟远距离传输的实例如图3所示，首先采用焦距为10米的傅立叶变换透镜2将发散光束会聚在透镜的焦平面上。据公式(1)，由此可获得直径为d＝f×θ＝0.2毫米的远场光斑。其次我们采用三级放大器将光束的远场光斑进行放大。三级放大透镜的放大倍数分别为M₁、M₂和M₃，三级放大率均取相同值，即M₁＝M₂＝M₃＝24。将以上具体数据代入公式(3)中，由此可以确定小孔光阑的口径为

d_{x} = \frac{d_{0} z}{z_{0}} = \frac{d_{0}}{z_{0}} \times f \times M_{1} \times M_{2} \cdot \cdot \cdot \times M_{N} = 0.768

毫米。三级放大透镜相对孔径均取

。按照公式(5)给出的关系式，第一级放大透镜3的的口径D_1max为0.22毫米，同理按照公式(7)可求出第二级放大透镜4的口径D_2max为97.477毫米，第三级放大透镜5的口径D_3max为126.72毫米。由于小孔光阑10的直径为0.768毫米，由此折算到第三级放大光斑和第二级放大光斑的口径分别为0.4608毫米和0.0015毫米。但为了器件制造方便，我们在实际中将三级放大透镜分别取50毫米、50毫米和100毫米，则三个放大透镜相应的焦距分别为150毫米、150毫米和300毫米。激光信号经过此装置后被光电接收器接收，此时探测器所探测到的信号与发散激光在自由空间传播到45000公里处口径为250毫米接收到的信号完全相似。本发明的这一装置的总长度为30米左右，当然在放大倍数一定的情况下，随着放大级次的提高，如使用四级放大或五级放大甚至更多级次放大，整个装置的长度会进一步缩短，此外使用焦距较小或相对口径小于1/3的透镜也会使整个装置缩短。

具体方案中的有关数据可见表一。

当然本发明中各个光学器件的尺寸以及链路中放大的级次都是可以调节或更换的。傅立叶变换透镜2的焦距可取为几米到十几米左右，放大透镜的口径可作成为毫米到几百毫米之间，小孔光阑的口径可在亚毫米至几十毫米的范围内进行调节，这样以来更能够灵活地模拟测量范围更远或接收口径更大的远距离通信中的传输信号。此外本发明的卫星激光通信测量装置中噪声光源同时也是可以更换的。当考虑其他卫星对激光通信的影响时，噪声光源相当于点光源。如果考虑其他星体如月球、火星或太阳等对激光通信的影响时，此时可采用具有一定发光面积的发射体作为噪声源来模拟星体对卫星激光通信的影响。经地面反射的光信号以及地球表面的大气层也会对激光通信产生影响，模拟这些影响时，可通过采用漫反射体或漫散射体作散射体作为噪声光源将噪声整合于光路中实现。

表一卫星激光通信模拟测量装置的有关参数的具体数据

光束发散角θμrad	光束会聚			第一级放大				第二级放大				第二级放大				接收口径d_xmm
	光束会聚																傅立叶透镜		光斑
	fm	φmm	dmm														傅立叶透镜		光斑	f₁mm	φ₁mm	M₁	d₁mm	f₂mm	φ₂mm	M₂	d₂m	f₃mm	φ₃mm	M₃	d₃m
	fm	φmm	dmm	20	10	300	0.2	150	50	24	4.8	150	50	24	0.12		300	100	24	f₁mm	φ₁mm	M₁	d₁mm	f₂mm	φ₂mm	M₂	d₂m	f₃mm	φ₃mm	M₃	d₃m	2.77	0.768

Claims

1、一种卫星激光通信模拟装置，其特点在于沿光束前进方向它的构成依次包括：被测光学终端发射系统(1)、傅立叶变换透镜(2)、第一级放大透镜组(3)、第二级至第N-1级放大透镜组(4)、第N级放大透镜组(5)、透反镜(8)、小孔光阑(9)、和光电接收器(10)，在该透反镜(8)的横向还设有噪声光源(6)和变换光学系统(7)。

2、根据权利要求1所述的卫星激光通信模拟装置，其特征在于所述的小孔光阑(9)的口径d_x应满足：

d_{x} = \frac{d_{0} z}{z_{0}} = \frac{d_{0}}{z_{0}} \times f \times M_{1} \times M_{2} \cdot \cdot \cdot \times M_{N},