多功能空间激光通信地面测试系统及静态参数测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间激光通信领域，特别是涉及一种多功能空间激光通信地面测试系 统及静态参数测试方法。
【背景技术】
[0002] 空间激光通信系统作为一种有效载荷，无论是在研制完成后，还是在发射之前，都 要对其主要的技术指标进行严格的测试，这些指标包括动态参数如跟瞄精度、捕获特性、通 信误码率等，以及静态参数如超前瞄准误差、远场分布、光功率、静态指向误差等。一般空间 激光通信的距离为几百公里至几十万公里，甚至更远，而光端机的孔径在几厘米到几十厘 米，所以，光信号的接收为远场接收。空间激光通信地面测试可分为系统级别的测试、分系 统或模块级别的测试以及元件级别的测试。发射端机和接收端机可以统称为通信端机，简 称为端机。发射端机和接收端机共同组成一个相互耦合的系统，而所谓端机级系统测试是 指在实验室近距离条件下，两个通信端机整机，直接互相对准，进行捕获、跟瞄、通信等性能 指标的测试。端机级的系统性能测试的优点是"所见即所得"，即，其测试结果直接代表着被 测光通信系统在轨时的特性，而不需要再用仿真模型，推断在轨时的性能，是一种与在轨情 形最为接近地面测试方法，系统级别的测试在信道上一定是存在双向的光信号。
[0003]国内外比较典型的地面验证与测试系统有：欧空局ESA在SILEX计划中的地面 支撑测试设备 TTOGSE(Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系统测 试平台STB(System Test Bed)、日本星间激光通信实验室开发的验证系统GOAL(Ground Optical Assistance for LUCE)、日本ART光通信和射频通信研宄室研宄的自由空间激 光传输模拟器、美国喷气推进实验室JPL开发了 LTES(Lasercom Test and Evaluation Station)测试系统以及北京大学研制的激光通信远场特性参数测试系统。
[0004] 上述测试系统都是在近距离实验室条件下进行的与光信号相关的测试，其最终目 的就是得到端机未来在轨时的特性。无论什么样的地面验证与测试系统，欲使其测试结果 等价于实际在轨时的情形，必须满足光远场条件，或者模拟远场条件。在地面，由于大气的 影响，采用把发射端机和接收端机拉开远场距离的方法显然是不现实的，解决的方法有三 种，一种是拆掉光学天线进行测试的方法，由于光束孔径变小，远场条件容易得到满足，如 上文提到的ESA的SILEX计划就是采用这种方法，该方法后续要进行配套的部件、元件的 测试以及计算机仿真，才能间接得到端机系统在轨时的特性，过程繁冗，无法实现整机的测 试。另一种解决方法是采用长焦距的透镜进行远场模拟，这种方法是把端机发出的光束用 一套长焦距的透镜（实际也可能采用反射式的），在其焦平面上即可得到模拟的远场光信 号，为了使对方接收端机接收到与其在空间在轨时相对应的光功率，常使用一微孔在焦平 面进行波面取样，取样后的光信号传递给对方接收端机，微孔的尺寸按比例，对应于空间实 际接收天线的孔径。这种测试方法虽然是整机的测试，但只是实现了单方向的信号传输，而 实际的激光通信系统，需要每一个通信端机必须跟踪对方的信号，实现双向锁定，即，信道 上的光束一定是双向的。还有一种是模拟远场的测试方法，这种方法的原理是，由于在光通 信中，光信号的接收是远场接收，接收天线的孔径相对于入射波面的曲率非常小，因此，在 接收端机接收孔径范围内，入射光信号可以看成是均匀的平行光。根据这一原理，在一些地 面验证与测试方法当中，比如，跟瞄精度的测试，采用的是一束模拟的平行光束，入射到通 信端机中，以此来模拟对方端机发射的光束。这种方法仍然是属于单机的测试。
[0005] 上述三种满足远场条件的测试方法，或者不是整机的性能测试，或者在信道上仅 存在单向信号，与实际的双向信号不符，或者只是单个通信端机的测试，尚未实现两个端机 整机直接对准的系统级的测试。另一方面，目前国内外地面验证与测试系统，仅仅考虑了光 学远场的条件，没有考虑卫星间的相对运动、大气信道等因素的影响。例如，在星地激光通 信链路中，大气信道对光传输的影响是不可避免的。最后，从功能的角度，国内外的地面验 证系统针对动态指标和静态指标的测试都是采用两个分开的独立的系统，功能相对单一， 无法实现利用一个系统同时完成动态指标和静态指标多功能的地面测试。
[0006] 被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，未来在轨时，被测端机AT 和被测端机BT进行光通信。被测端机AT和BT所发射的光束可以是信标光、通信光或跟踪 光。现有的空间激光通信地面验证与测试技术，尚未实现在近距离处、端机级别的系统测 试，即近距离的直接端机间对准性能测试，同时，也没有实现在一个地面验证与测试系统中 既能测试动态参数，也能测试静态参数。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供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方法，该系统除了能够实现对动态参数的端机级别的系统测试，还能 进行静态参数的测试。
[0008] 本发明的技术方案是：
[0009] 一种多功能空间激光通信地面测试系统，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；其中，空间激光通信的动态参数测试模拟平台包括 A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收模拟器4、A端准直 光路5、A端大气信道模拟器6、B端背景光模拟器7、AB合束光路8、B端振动-相对运动模 拟器9、B端分光光路10、B端望远镜11、B端指向误差源模拟器12、B端远场接收模拟器 13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15、A端背景光模拟器16、BA合束光路17、A端 振动-相对运动模拟器18和计算机CPU 19 ;静态参数测量设备包括静态参数测量装置22 和用于将从被测端机AT出射的光束通过反射进入到静态参数测量装置22中的可移动平面 反射镜23 ;可移动平面反射镜23置于A端望远镜1和A端分光光路2之间；静态参数测量 装置22包括第一分光镜221、第一聚焦透镜222、相机223、第二分光镜224、第二聚焦透镜 225、光电接收元件226、出射激光器227、第三分光镜228、第三聚焦透镜229、面阵光电接收 元件2210、平面反射镜2211、角锥棱镜2212、遮光板2213、第四聚焦透镜2214、微孔2215及 准直透镜2216 ;当可移动平面反射镜23置于本测试系统的光路中，由被测端机AT出射的 光束通过反射进入到静态参数测量装置22,用于进行静态参数的测试；当可移动平面反射 镜23移出本测试系统的光路时，用于进行动态参数的端机级别的系统测试；被测端机AT出 射的光束依次经过A端望远镜1、A端分光光路2、A端指向误差源模拟器3、A端远场接收 模拟器4、A端准直光路5、A端大气信道模拟器6 ;与来自B端背景光模拟器7的光束经AB 合束光路8合束，再依次经过B端振动-相对运动模拟器9、B端分光光路10和B端望远镜 11，被被测端机BT接收后回馈一回馈光束；该回馈光束依次经过B端望远镜11、B端指向误 差源模拟器12、B端远场接收模拟器13、B端准直光路14、B端大气信道模拟器15 ;与来自 A端背景光模拟器16的光束经BA合束光路17合束，再依次经过A端振动-相对运动模拟 器18、A端分光光路2和A端望远镜1，由被测端机AT接收。
[0010] 上述静态参数测量设备中：
[0011] 第一聚焦透镜222、第二聚焦透镜225和第三聚焦透镜229均为反射或透射式聚焦 透镜。
[0012] 第一分光镜221和第二分光镜224为部分透射、部分反射型分光镜，而第三分光镜 228为二向色分光镜或偏振分光镜。
[0013] 相机223为CMOS或CCD相机。
[0014]光电接收元件226可用光电二极管或光电三极管来实现。
[0015] 从微孔2215出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微孔2215 位于准直透镜2216的焦点上。微孔2215的孔径在保证一定透过率的情况下，尽可能小。
[0016] 面阵光电接收元件2210可用面阵(XD相机或CMOS相机来实现。
[0017] 被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，采用上述多功能空间激光 通信地面测试系统，可实现对该光通信系统的动态参数进行端机级的系统测试，同时也能 对被测端机AT或被测端机BT进行静态参数的测试。
[0018] 上述多功能空间激光通信地面测试系统在工作时，若将可移动平面反射镜23置 于本测试系统的光路中，则通过静态参数测量装置进行静态参数的测试；而将可移动平面 反射镜23移出本测试系统的光路时，则静态参数测量装置不工作，而通过空间激光通信的 动态参数测试模拟平台进行动态参数的端机级别的系统测试。
[0019] 采用上述多功能空间激光通信地面测试系统对被测端机AT进行静态参数测试的 方法，通过静态参数测量装置对被测端机AT进行静态参数如超前瞄准误差、静态指向误 差、远场分布和光功率的测试，包括如下步骤：
[0020] 第一步，得到代表出射光束方向的聚焦光斑的位置
[0021] 这一步的光路参见图7中的虚框部分。这一步需将遮光板2213移出光路。出射 激光器227发射的光束首先进过第四聚焦透镜2214进行聚焦，第四聚焦透镜2214可用显 微物镜来实现；在第四聚焦透镜2214焦点处放置一微孔2215,微孔的孔径在保证一定透过 率的情况下，尽可能小，从微孔出射的发散光束经过准直透镜2216之后，出射平行光束，微 孔位于准直透镜2216的焦点上；平行光束经过第三分光镜228之后，大部分光反射，一小部 分光透射；透射的小部分光经过角锥棱镜2212之后，原路返回，经过第三分光镜228的反射 及第三聚焦透镜（反射或透射式）229之后，照射到面阵光电接收元件2210上形成聚焦光 斑，经过面阵光电接收元件2210光电转换，可以得到光斑在面阵光电接收元件2210上的位 置，经过对面阵光电接收元件2210标定后，该位置代表了出射光的方向，面阵光电接收元 件2210可用面阵CCD相机或CMOS相机来实现；反射的大部分光，进入到下面的第二步；
[0022] 第二步，得到来自于被测端机AT的平行光束
[0023] 这一步的光路参见图8中的虚框部分；上述经过第三分光镜228反射的大部分光， 照射到平面反射镜2211上，从平面反射镜2211反射，顺次经过第二分光光路224及第一分 光镜221后，入射到被测端机AT中，作为被测端机AT的接收光束，被测端机利用其精瞄光 电传感器对入射光束的方向进行探测，确定光束的方向，回馈一平行光束，