CN201213261Y - 卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置 - Google Patents

Abstract

一种卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，该装置利用空间双通道结构实现光束的独立的正逆向双向传播。采用长焦距傅立叶透镜实现光学傅立叶远场变换，采用多级级联的中心采样4－f光学成像放大器模拟光场远距离传输，并采用扫描双面反射镜实现光路中双通道同角度反向扫描的原理模拟卫星之间相对运动。本实用新型可在实验室空间尺度下实现光束从近场分布到远场分布的转换，能够同时模拟两个被测激光通信终端的相互远场运动。主要用于两个卫星激光通信终端的双向瞄准、捕获和跟踪及通信性能的地面检测与验证。

Description

卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置

技术领域

本实用新型涉及卫星激光通信，特别是一种卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，主要用于卫星激光通信终端的瞄准、捕获和跟踪及通信性能的检测和验证。

背景技术

卫星激光通信包括卫星之间，卫星和其他飞行体之间，卫星和地面之间等的自由空间激光通信。为了保持两个相对运动的激光通信终端之间有稳定的通信链路，一个激光通信终端必须包含激光通信和光学捕获跟瞄两大分系统。由于卫星激光通信的作用距离为数百至数万公里，因此不可能在空间直接完成激光通信终端的性能检测和验证，所以激光通信终端的捕获跟瞄性能和通信性能的检测和验证评估必须在地面实验室内进行。

国外对卫星激光通信终端性能的检测和验证，在实验室内都采用平行光管的手段和半物理半仿真的方法。平行光管用于发射一个检验被测激光通信终端的波面或者用于接收被测激光通信终端的发射光束(参见：[1]B.Lauren and G.Planche，“Silexoverview after flight terminals campaign，”Proc.SPIE，Vol.2990，pp.10-22，1997)，这种方案可以单独检验一个激光通信终端，但不能对两个被测激光通信终端进行相互直接实施跟瞄和通信性能的检测验证。

发明内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，以解决在实验室有限的空间内保证两个卫星激光通信终端都一定处于对方的光学远场区域并产生相互的平动，以模拟卫星的相互运动的技术效果。应用于卫星激光通信终端的光学捕获跟瞄性能和远距离激光通信性能的实验室检测和验证，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。

本实用新型的技术构思是：基于光学傅立叶变换和中心采样4-f光学成像放大的原理实现光束的近场分布向远场分布的转换；利用空间双通道的结构实现光束的独立的正、逆双向传播，用双反射镜双通道同角度扫描的原理实现激光通信终端的相互远场运动，并采用多级级联的中心采样4-f光学成像放大系统实现无附加二次项相位因子的远场模拟。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，特点在于其构成包括：第一被测激光通信终端和第二被测激光通信终端，第一被测激光通信终端发射波长为λ₁的激光光束先经过第一傅立叶透镜，透过第一波分透反镜，由第一反射镜反射后，通过第一中心采样4-f光学成像放大器系统，由扫描双面反射镜的第一反射面反射，第二反射镜反射，进入第一发射目镜，由第二波分透反镜反射后的光束再通过第二傅立叶透镜抵达第二被测激光通信终端；

第二被测激光通信终端发射激光波长为λ₂的光束先通过第二傅立叶透镜，透过第二波分透反镜，由第三反射镜反射后，通过第二中心采样4-f光学成像放大器系统，再由扫描双面反射镜的第二反射面反射，经第四反射镜反射，进入第二发射目镜，由第一波分透反镜反射后的光束，再通过第一傅立叶透镜抵达第一被测激光通信终端；

所述的第一波分透反镜对波长为λ₁的激光高透，对波长为λ₂的激光高反；所述的第二波分透反镜对波长为λ₁的激光高反，对波长为λ₂的激光高透；

所述的第一波分透反镜放在第一傅立叶透镜之前，相应的第二波分透反镜放在第二傅立叶透镜之后；

所述的第一反射镜和第二反射镜对于λ₁光束高反，第三反射镜和第四反射镜对于波长λ₂的光束高反；

所述的扫描双面反射镜的第一反射镜面对于λ₁光束高反，第二反射镜面对于λ₂光束高反；

所述的第一傅立叶透镜的后焦面位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统的入瞳面上，第二傅立叶透镜的后焦面位于第二中心采样4-f光学成像放大器系统的入瞳面上；

所述的第一中心采样4-f光学成像放大器系统和第二中心采样4-f光学成像放大器系统是由N级的双透镜组构成的中心采样4-f光学成像放大器级联组成，放大倍率M＝M₁×M₂…×M_N，其中M₁、M₂，…M_N分别为第一级、第二级…第N级中心采样4-f光学成像放大器的放大倍率，满足 $M_N=-\frac{f_{N2}}{f_{N1}},$ f_N1和f_N2分别为第N级光学放大器的目镜和物镜的焦距；第N-1级中心采样4-f光学成像放大器的出瞳面与第N级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳面重合，在每一级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳面上均放置适合大小的小孔光阑起滤波作用，以防止杂散光的干扰；所述的第N级中心采样4-f光学成像放大器的目镜和物镜的口径d_N1和d_N2以及相应入瞳面的小孔光阑口径Φ_N满足：d_N1≈d_N2，d_N1>Φ_N，N≥2。

所述的第一发射目镜和第二傅立叶透镜组成第一发射望远镜系统，第二傅立叶透镜为第一发射望远镜系统的发射主镜；所述的第二发射目镜和第一傅立叶透镜组成第二发射望远镜系统，第一傅立叶透镜为第二发射望远镜系统的发射主镜；

所述的扫描双面反射镜可以位于第一发射望远镜系统的入瞳面处，也可以位于第一发射目镜与第二傅立叶透镜间的焦点之前或之后一段距离；

所述的扫描双面反射镜可以位于第二发射望远镜系统的入瞳面处，也可以位于第二发射目镜与第一傅立叶透镜间的焦点之前或之后一段距离。

所述的扫描双面反射镜可绕正交两个转动轴转动，双面高反，可采用二维电动的精密调整架，也可采用电机或其他驱动器驱动拨杆旋转双面反射镜以实现二维的角度偏转。

所述的扫描双面反射镜同时位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统的像面上和第二中心采样4-f光学成像放大器系统的像面上且l_A＝f_A，l₁＝f_M1、l_B＝f_B和l₂＝f_M2，其中：

f_A为第一傅立叶透镜的焦距，f_B为第二傅立叶透镜的焦距，

l₁为扫描双面反射镜与第一发射目镜的距离，

l₂为扫描双面反射镜与第二发射目镜的距离，

f_M1为第一发射目镜的焦距，f_M2为第二发射目镜的焦距，

l_B为第二被测激光通信终端发射口径与第二傅立叶透镜的距离，

l_A为第一被测激光通信终端发射口径与第一傅立叶透镜的距离。

本实用新型的技术效果：

本实用新型卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，利用光学傅立叶变换和级联中心采样4-f光学成像放大器实现了光束的远距离传输模拟，在空间频谱面采用双面反射镜进行双通道同角度扫描实现了卫星终端的轨道平移相对运动的模拟，可以在实验室有限的空间内保证两个卫星激光通信终端都一定处于对方的光学远场区域并产生相互的平动，以模拟卫星的相互运动。本实用新型可应用于卫星激光通信终端的光学瞄准、捕获和跟踪及通信性能的实验室检测，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。

附图说明

图1为本实用新型卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置实施例的光路示意图。

图2为本实用新型的单级中心采样4-f光学成像放大器结构示意图。

图中：1.1-第一被测激光通信终端，1.2-第一傅立叶透镜，1.3-第一波分透反镜，1.4-第一反射镜，1.5-第一4-f光学成像放大器系统，1.6-扫描双面反射镜，1.7-第二反射镜，1.8-第一发射目镜，1.9-第二波分透反镜，1.10-傅立叶透镜，1.11-第二被测激光通信终端，1.12-第三反射镜，1.13-第二4-f光学成像放大器系统，1.14-第四反射镜，1.15-第二发射目镜。2.1-小孔光阑/入瞳面，2.2-目镜，2.3-物镜，2.4出瞳面。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1为本实用新型卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置的实施例光路示意图。由图可见，本实用新型卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，构成包括：第一被测激光通信终端1.1和第二被测激光通信终端1.11，所述的第一被测激光通信终端1.1发射波长为λ₁的激光光束先经过第一傅立叶透镜1.2，透过第一波分透反镜1.3，由第一反射镜1.4反射后，通过第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5，由扫描双面反射镜1.6的第一反射镜面反射、第二反射镜1.7反射，进入第一发射目镜1.8，由第二波分透反镜1.9反射后的光束再通过第二傅立叶透镜1.10抵达第二被测激光通信终端1.11；

所述的第二被测激光通信终端1.11发射激光波长为λ₂的光束先通过第二傅立叶透镜1.10，透过第二波分透反镜1.9，由第三反射镜1.12反射后，通过第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13，再由所述的扫描双面反射镜1.6的第二反射面反射，经第四反射镜1.14反射，进入第二发射目镜1.15，由第一波分透反镜1.3反射后的光束，再通过第一傅立叶透镜1.2抵达第一被测激光通信终端1.1；所述的第一波分透反镜1.3对波长为λ₁的激光高透，对波长为λ₂的激光高反；所述的第二波分透反镜1.9对波长为λ₁的激光高反，对波长为λ₂的激光高透；所述的第一反射镜1.4和第二反射镜1.7对于波长λ₁光束高反，第三反射镜1.12和第四反射镜1.14对于波长λ₂的光束高反；所述的扫描双面反射镜1.6的第一反射镜面对于波长λ₁光束高反，第二反射镜面对于波长λ₂光束高反；所述的第一傅立叶透镜1.2的后焦面位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5的入瞳面上，第二傅立叶透镜1.10的后焦面位于第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13的入瞳面上。

第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束先通过第一傅立叶透镜1.2，透过第一波分透反镜1.3，由第一反射镜1.4反射，通过第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5后，由扫描双面反射镜1.6的第一反射面反射，经第二反射镜1.7反射，进入第一发射目镜1.8，由第二波分透反镜1.9反射后的光束再通过第二傅立叶透镜1.10抵达第二被测激光通信终端1.11，其光束传输遵循的坐标系如图1中的1A所示；

第二被测激光通信终端1.11发射的激光光束先通过第二傅立叶透镜1.10，再透过第二波分透反镜1.9，经第三反射镜1.12反射，通过第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13，由扫描双面反射镜1.6的第二反射面反射，经第四反射镜1.14反射，进入第二发射目镜1.15，由第一波分透反镜1.3反射后的光束再通过第一傅立叶透镜1.2抵达第一被测激光通信终端1.1，其光束传输遵循的坐标系如图1中的1B所示。

图2为本实用新型的单级中心采样4-f光学成像放大器结构示意图。它由两个焦距为f₁和f₂单透镜组成，f₁透镜的后焦面和f₂透镜的前焦面重合，放大倍数 $M=-\frac{f_2}{f_1}.$ 该系统的入瞳面2.1和出瞳面2.2为共轭面，在入瞳面上放置孔径函数为p(x，y)的小孔光阑起滤波作用，以防止杂散光的干扰。假设入瞳面的光场表示为e_i(x，y)，则经过中心采样4-f光学成像放大器后，在出瞳面上的输出光场为：

$e_p(x,y)=\frac{1}{M}{e}_i(\frac{x}{M},\frac{y}{M})p(\frac{x}{M},\frac{y}{M}).$

目镜和物镜的口径d₁和d₂以及相应入瞳面的小孔光阑口径Φ满足：

d₁≈d₂，d₁>Φ。

中心采样4-f光学成像放大器不仅对输入光场有放大作用，而且不产生额外的相位二次项，在入瞳面放置小孔光阑可对光场进行中心采样，以防止杂散光的干扰。

假设第一被测激光通信终端发射的光场为e_A0(x，y)，在空间实际条件下，光场传输几千至几万公里后，其接收端的光场分布是发射端的夫琅和费衍射：

$U_A(x,y)=K_z{E}_{A0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{1}z},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_{1}z}),---\left(1\right)$

其中： $K_z=\frac{\exp \left[j\frac{k}{2z}(x^2+y^2)\right]}{\mathrm{i\λz}},$

$E_{A0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{1}z},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_{1}z})$ 为e_A0(x，y)的傅立叶变换。

在自由空间远距离传输时发射光斑很大(数十至数百米)，而第二被测激光通信终端的接收口径一般为数百毫米，只能接收很小一部分的远场光斑，因此可取 $\exp \left[j\frac{k}{2z}(x^2+y^2)\right]\→1,$ 则K_z为常数。

在本实用新型中，第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束e_A0(x，y)首先通过第一傅立叶透镜1.2进行傅立叶远场变换，第一傅立叶透镜1.2的焦距f_A，第一被测激光通信终端1.1的发射口径与第一傅立叶透镜的距离为l_A。第一傅立叶透镜1.2的后焦面位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5的入瞳面上，第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5由多级的双透镜4-f光学成像放大器组成，总放大倍数为M_A1。第一发射目镜1.8和第二傅立叶透镜1.10组成第一发射望远镜系统，放大倍数为M_A2。扫描双面反射镜1.6位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5的像面上，与焦距为f_M1第一发射目镜1.8的距离为l₁。第二傅立叶透镜1.10的焦距f_B，第二被测激光通信终端1.11发射口径与第二傅立叶透镜1.10的距离为l_B。

第一被测激光终端1.1的发射光场e_A0(x，y)，通过第一傅立叶透镜1.2进行傅立叶远场变换，该第一傅立叶透镜1.2后焦面上的光场分布为：

$U_{A\→f_A}=K_{A0}{E}_{A0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A}),---\left(2\right)$

其中： $K_{A0}=\frac{\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A}(1-\frac{l_A}{f_A})(x^2+y^2)\right]}{j{\text{\λ}}_1{f}_A}.$ 将此傅立叶远场波面经过第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5放大M_A1倍后，扫描双面反射镜1.6的转动角度为θ，则在距离第二傅立叶透镜1.10距离为l_B处产生的第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束放大的和线性相位移的光学傅立叶变换光场：

$U_{A\→B}(x,y)=\{K_A{E}_{A0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A{M}_A},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A{M}_A})\exp [-\frac{j2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}(\frac{x\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{M_{A2}}+\frac{y\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{M_{A2}})]\},$   (3)

         $\⊗\left\{\frac{\exp \left(\mathrm{jk\Δ}{l}_1\right)}{j{\mathrm{\λ}}_1\mathrm{\Δ}{l}_1}\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{\mathrm{\λ\Δ}{l}_1}(x^2+y^2)\right]\right\}$

其中：M_A＝M_A1M_A2，

$K_A=\frac{\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{{\mathrm{\λ}}_1{M}_A^2{f}_A}(1-\frac{l_A}{f_A})(x^2+y^2)\right]}{j{\text{\λ}}_1{f}_A{M}_A}],$

$\mathrm{\Δ}{l}_1=l_B-f_B-M_{A2}^2(f_{M1}-l_1),$

表示卷积运算。

在l_A＝f_A，l₁＝f_M1和l_B＝f_B时，(3)式中的相位二次项因子将不存在，简化为：

$U_{A\→B}(x,y)=K_A{E}_{A0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A{M}_A},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_1{f}_A{M}_A})\exp [-\frac{j2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_1}(\frac{x\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{M_{A2}}+\frac{y\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{M_{A2}})]---\left(4\right)$

从(1)式和(4)式对比可以看出，令空间真实传输距离z＝f_AM_A时，U_A(x，y)＝U_A→B(x，y)。因此，在实验室条件下可以实现光束从近场分布到远场分布的变换，能够模拟卫星的远场远距离传输的模拟。

光场U_A→B(x，y)被第二被测激光通信终端1.11的主镜收集，在该主镜的焦面上产生该光场的光学傅立叶变换。设激光通信终端主镜的焦距为f_r2，其孔径函数和傅立叶变换分别为a_r2(x，y)和

接收终端口径相对于发射光斑很小，于是第二被测激光通信终端1.11的主镜焦平面上的光场分布为：

$U_{1\→2}=A_{r2}(x-\frac{\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{{\mathrm{\λ}}_1{M}_{A2}},y-\frac{\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{{\mathrm{\λ}}_1{M}_{A2}}).---\left(5\right)$

可见，这时第二被测激光通信终端1.11处于第一被测激光通信终端1.1的远场区域，扫描双面反射镜1.6的偏转将导致接收光斑的移动。

第二被测激光通信终端1.11发射口径上的激光光束e_B0(x，y)首先通过第二傅立叶透镜1.10进行傅立叶远场变换；第二傅立叶透镜1.10的焦面位于第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13的入瞳面上，第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13由多级的双透镜4-f光学成像放大器组成，总放大倍数为M_B1。第二发射目镜1.15和第一傅立叶透镜1.2组成第二发射望远镜系统，放大倍数为M_B2。扫描双面反射镜1.6位于第二4-f光学成像放大器系统1.13的像面上，与焦距为f_M2的第二发射目镜1.15的距离为l₂。

第二被测激光通信终端1.11发射的光场e_B0(x，y)在宇宙空间传输几千至几万公里后，其接收端的光场分布是发射端的夫琅和费衍射：

$U_B(x,y)=K_z{E}_{B0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{2}z},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_{2}z}),---\left(6\right)$

其中： $K_z=\frac{\exp \left[j\frac{k}{2z}(x^2+y^2)\right]}{i{\mathrm{\λ}}_{2}z},$

$E_{B0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_{2}z},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_{2}z})$ 为e_B0(x，y)的傅立叶变换。

在自由空间实际远距离传输条件下发射光斑很大(数十至数百米)，而第一被测激光通信终端的接收口径一般为数百毫米，只能接收很小一部分的远场光斑，因此可取 $\exp \left[j\frac{k}{2z}(x^2+y^2)\right]\→1,$ 则K_z为常数。

在本实用新型中第二被测激光终端1.11的发射光场e_B0(x，y)，先通过第二傅立叶透镜1.10进行傅立叶远场变换，其透镜后焦面上的光场分布为

$U_{B\→f_B}=K_{B0}{E}_{B0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B}),---\left(7\right)$

其中 $K_B=\frac{\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B}(1-\frac{l_B}{f_B})(x^2+y^2)\right]}{j{\text{\λ}}_2{f}_B}.$ 将此傅立叶远场波面经过第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13放大M_B1倍后，扫描双面反射镜1.6的转动角度为θ，则在距离第一傅立叶透镜1.2距离为l_A处产生的第二被测激光通信终端1.11发射的激光光束放大的和线性相位移的光学傅立叶变换光场：

$U_{B\→A}(x,y)=\{K_B{E}_{B0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B{M}_B},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B{M}_B})\exp \left[\frac{j2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}(\frac{x\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{M_{B2}}+\frac{y\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{M_{B2}})]\right\},$      (8)

         $\⊗\left\{\frac{\exp \left(\mathrm{jk\Δ}{l}_2\right)}{j{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\Δ}{l}_2}\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{{\mathrm{\λ}}_2\mathrm{\Δ}{l}_2}(x^2+y^2)\right]\right\}$

其中：M_B＝M_B1M_B2，

$K_B=\frac{\exp \left[\frac{\mathrm{j\π}}{{\mathrm{\λ}}_2{M}_B^2{f}_B}(1-\frac{l_B}{f_B})(x^2+y^2)\right]}{j{\text{\λ}}_2{f}_B{M}_B}],$

$\mathrm{\Δ}{l}_2=l_A-f_A-M_{B2}^2(f_{M2}-l_2),$

表示卷积运算。

在l_A＝f_A，l₂＝f_M2和l_B＝f_B时，(8)式中的相位二次项因子将不存在，可简化为：

$U_{B\→A}(x,y)=K_B{E}_{B0}(\frac{x}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B{M}_B},\frac{y}{{\mathrm{\λ}}_2{f}_B{M}_B})\exp [\frac{j2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_2}(\frac{x\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{M_{B2}}+\frac{y\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{M_{B2}})],---\left(9\right)$

从式(6)和式(9)对比可以看出，令空间真实传输距离z＝f_BM_B时，U_B(x，y)＝U_B→A(x，y)。因此，在实验室内可以实现光束从近场分布到远场分布的变换，能够模拟卫星的远场远距离传输的模拟。

光场U_B→A(x，y)被第一被测激光通信终端1.1的主镜收集，在该主镜的焦面上产生该光场的光学傅立叶变换。设激光通信终端主镜的焦距为f_r1，其孔径函数和傅立叶变换分别为a_r1(x，y)和

。接收终端口径相对于发射光斑很小，于是，第一被测激光通信终端1.1的主镜焦平面上的光场分布为：

$U_{2\→1}=A_r(x+\frac{\sin 2{\mathrm{\θ}}_x}{{{\mathrm{\λ}}_{2}M}_{B2}},y+\frac{\sin 2{\mathrm{\θ}}_y\mathrm{}}{{{\mathrm{\λ}}_{2}M}_{B2}}).---\left(10\right)$

可见，这时第一被测激光通信终端1.1处于第二被测激光通信终端1.11的远场区域，扫描双面反射镜1.6的偏转将导致接收光斑的移动。

扫描双面反射镜1.6的偏转将同时产生第一被测激光通信终端1.1的接收光斑的移动和第二被测激光通信终端1.11的接收光斑的移动，即可以模拟两个激光通信终端之间的相对运动。

下面是本实用新型装置一个具体实施例的参数：

假设激光通信链路是高轨卫星和低轨卫星之间，星间距离为45000km，第一被测激光通信终端和第二被测激光通信终端的口径都为Φ250mm，主镜焦距都为1m，激光发散度为20μrad，跟瞄精度为1μrad，检测验证的扫描角度为2°。

考虑双向光路的对称结构，第一傅立叶透镜1.2和第二傅立叶透镜1.10的设计完全相同，口径相同都为Φ600mm，远大于激光通信终端的口径，焦距相同(f_A＝f_B＝10m)；第一中心采样4-f光学成像放大器系统1.5和第二中心采样4-f光学成像放大器系统1.13都为三级结构相同的双透镜4-f光学成像放大器级联组成的，放大倍数和结构完全相同(M_A1＝M_B1＝100×100×90)。第一级中心采样4-f光学成像放大系统的放大倍数为100倍，目镜口径为Φ30mm，焦距为90mm，相对口径为物镜口径为Φ30mm，焦距为9m，小孔光阑尺寸取为0.3mm；第二级中心采样4-f光学成像放大系统的放大倍数为100倍，目镜口径为Φ30mm，焦距为90mm，物镜口径为Φ30mm，焦距为9m，小孔光阑尺寸取为3mm；第三级中心采样4-f光学成像放大系统的放大倍数为90倍，目镜口径为Φ30mm，焦距为90mm，物镜口径为Φ30mm，焦距为8.1m，小孔光阑尺寸取为5mm。

第一发射望远镜系统和第二发射望远镜系统都为双透镜组成的光学成像放大系统，其结构完全相同(M_A2＝M_B2＝5)，第一发射目镜1.8和第二发射目镜1.15的口径都为Φ300mm，焦距都为2m。

第一反射镜1.4和第三反射镜1.12的口径都为Φ200mm；第二反射镜1.7和第四反射镜1.14的口径都为Φ400mm；第一波分透反镜1.3和第二波分透反镜1.9口径都为Φ300mm；扫描双面反射镜1.6两面通光，口径为Φ200mm，偏转角度2θ＝M_A2×2°＝10°。

经试验表明，本实用新型装置可以在实验室有限的空间内保证两个卫星激光通信终端都一定处于对方的光学远场区域并产生相互的平动，以模拟卫星的相互运动。本实用新型可应用于卫星激光通信终端的光学捕获跟瞄性能和通信性能的实验室检测，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。

Claims (7)

1、一种卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，特征在于其构成包括：第一被测激光通信终端(1.1)和第二被测激光通信终端(1.11)，第一被测激光通信终端(1.1)发射波长为λ₁的激光光束先经过第一傅立叶透镜(1.2)，透过第一波分透反镜(1.3)，由第一反射镜(1.4)反射后，通过第一中心采样4-f光学成像放大器系统(1.5)，由扫描双面反射镜(1.6)的第一反射面反射、第二反射镜(1.7)反射，进入第一发射目镜(1.8)，由第二波分透反镜(1.9)反射后的光束再通过第二傅立叶透镜(1.10)抵达第二被测激光通信终端(1.11)；

第二被测激光通信终端(1.11)发射激光波长为λ₂的光束先通过第二傅立叶透镜(1.10)，透过第二波分透反镜(1.9)，由第三反射镜(1.12)反射后，通过第二中心采样4-f光学成像放大器系统(1.13)，再由所述的扫描双面反射镜(1.6)的第二反射面反射，经第四反射镜(1.14)反射，进入第二发射目镜(1.15)，由第一波分透反镜(1.3反射后的光束，再通过第一傅立叶透镜(1.2)抵达第一被测激光通信终端(1.1)；

所述的第一波分透反镜(1.3)对波长为λ₁的激光高透，对波长为λ₂的激光高反；所述的第二波分透反镜(1.9)对波长为λ₁的激光高反，对波长为λ₂的激光高透；

所述的第一反射镜(1.4)和第二反射镜(1.7)对于波长λ₁光束高反，第三反射镜(1.12)和第四反射镜(1.14)对于波长λ₂的光束高反；

所述的扫描双面反射镜(1.6)的第一反射镜面对于波长λ₁光束高反，第二反射镜面对于波长λ₂光束高反；

所述的第一傅立叶透镜(1.2)的后焦面位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统(1.5)的入瞳面上，第二傅立叶透镜(1.10)的后焦面位于第二中心采样4-f光学成像放大器系统(1.13)的入瞳面上。

2、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的第一中心采样4-f光学成像放大器系统(1.5)和第二中心采样4-f光学成像放大器系统(1.13)是由N级的双透镜组构成的中心采样4-f光学成像放大器级联组成，放大倍率M＝M₁×M₂…×M_N，其中N≥2，M₁、M₂、…、M_i、…M_N分别为第一级、第二级…第N级中心采样4-f光学成像放大器的放大倍率，满足 $M_i=-\frac{f_{i2}}{f_{i1}},$ fi₁和f_i2分别为第i级光学放大器的目镜和物镜的焦距，i＝1、2、3…N；第i-1级中心采样4-f光学成像放大器的出瞳面与第i级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳面重合，在每一级中心采样4-f光学成像放大器的入瞳面上均放置小孔光阑；所述的第N级中心采样4-f光学成像放大器的目镜和物镜的口径d_N1和d_N2以及相应入瞳面的小孔光阑口径Φ_N满足：d_N1≈d_N2，d_N1>Φ_N。

3、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的第一波分透反镜放在第一傅立叶透镜之前，相应的第二波分透反镜放在第二傅立叶透镜之后。

4、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的第一发射目镜和第二傅立叶透镜组成第一发射望远镜系统，第二傅立叶透镜为第一发射望远镜系统的发射主镜；所述的第二发射目镜和第一傅立叶透镜组成第二发射望远镜系统，第一傅立叶透镜为第二发射望远镜系统的发射主镜。

5、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的扫描双面反射镜位于第一发射望远镜系统的入瞳面处，或位于第一发射目镜与第二傅立叶透镜间的焦点之前或之后一段距离；所述的扫描双面反射镜位于第二发射望远镜系统的入瞳面处，或位于第二发射目镜与第一傅立叶透镜间的焦点之前或之后一段距离。

6、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的扫描双面反射镜具有绕两个正交转动轴转动的机构，该机构为二维电动的精密调整架，或电机或其他驱动器驱动拨杆旋转双面反射镜的机构。

7、根据权利要求1所述的卫星激光通信双终端双向远距离传输模拟与地面检测装置，其特征在于所述的扫描双面反射镜(1.6)同时位于第一中心采样4-f光学成像放大器系统(1.5)的像面上和第二中心采样4-f光学成像放大器系统(1.13)的像面上且l_A＝f_A，l₁＝f_M1、l_B＝f_B和l₂＝f_M2，其中：

f_A为第一傅立叶透镜(1.2)的焦距，f_B为第二傅立叶透镜(1.10)的焦距，

l₁为扫描双面反射镜(1.6)与第一发射目镜(1.8)的距离，

l₂为扫描双面反射镜(1.6)与第二发射目镜(1.15)的距离，

f_M1为第一发射目镜(1.8)的焦距，f_M2为第二发射目镜(1.15)的焦距，

l_B为第二被测激光通信终端(1.11)发射口径与第二傅立叶透镜(1.10)的距离，

l_A为第一被测激光通信终端(1.1)发射口径与第一傅立叶透镜(1.2)的距离。

Images