空间激光通信端机级系统测试方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及空间激光通信领域，特别是涉及一种空间激光通信端机级系统测试方 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和性能参数进行严格的测试，例如，跟瞄精度、捕获特性、通信误码 率等。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，而光端机的口径在几 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，而不需要再利用分系统级、部件级或元件级的测 试以及计算机仿真，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。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(LaSerC〇m 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。
[0003] 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，由于光束口径变小，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 际接收天线的口径。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，接收天线的口径相对于入射波面的曲率非常小，因此，在 接收端机接收口径范围内，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。
[0004] 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。
[0005] 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。
[0006] 综上所述，现有的空间激光通信地面验证与测试技术方法，尚未实现在近距离处、 端机级的系统测试，即近距离的直接端机间对准性能测试。
【发明内容】
[0007] 为了克服上述现有技术的不足，本发明提供一种空间激光通信端机级系统测试方 法，该方法可以实现空间激光通信端机级的系统测试，即两个通信端机在近距离处进行直 接对准性能测试，包括跟瞄特性（包括跟瞄精度和跟瞄带宽）、捕获特性（包括捕获时间和 捕获概率）、通信特性（包括误码率和探测灵敏度）等。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种空间激光通信端机级系统测试方法，该方法对两个通信端机在近距离处进行 直接对准性能包括跟瞄特性、捕获特性和通信特性的测试，包括如下步骤：
[0010] (一）对捕获特性的测试，依次包括如下步骤：
[0011] S1.被测端机AT发射信标光，由被测端机AT的控制计算机记录发射时间t1;由被 测端机AT的粗瞄万向节或精瞄转镜对瞄准不确定范围进行行列式或螺旋式扫描，出射光 束产生行列式或螺旋式扫描，该光束为宽口径平行光束A1 ;
[0012] S2.被测端机AT出射光束依次经过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，然后被被测端机BT的捕获传感器接收，得到聚焦光信号；
[0013] S3.被测端机BT的捕获传感器对该聚焦光信号进行图像处理，检测聚焦光斑的位 置和强度，获得入射光束的方向信息；
[0014] S4.调整被测端机BT的粗瞄万向节及精瞄转镜，使接收的入射光束的聚焦光斑位 于被测端机BT的捕获传感器视场中心，并且接收的入射光束也进入到精瞄光电传感器的 视场中，被测端机BT相对于接收的入射光束的方向，叠加一个超前瞄准角，发出回馈光束；
[0015] S5.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、A端望 远镜1，由被测2而机AT接收；
[0016] S6.由被测端机AT接收的入射光束进入到被测端机AT的捕获传感器视场及精瞄 传感器视场，通过捕获传感器和精瞄传感器进行图像处理，得到入射光束的方向和强度；
[0017] S7.调整被测端机AT的的粗瞄万向节、精瞄转镜，使入射光束位于捕获传感器和 精瞄光电传感器视场中心，叠加超前瞄准角，发出回馈光束；
[0018] S8.继续步骤S2-S7;上述过程反复进行，最终被测端机AT和被测端机BT实现相 互精密跟踪对方的跟踪光双向锁定，完成捕获过程，进入跟踪状态；若测试被测端机BT的 跟瞄特性转入S11;若测试被测端机AT的跟瞄特性转入S14;
[0019] S9.由被测端机AT的控制计算机记录实现双向锁定、完成捕获过程进入跟踪状态 的时间t 2;由12与步骤S1中t i的差得到捕获时间；
[0020] S10.重复步骤S1-S9多次测量，通过成功捕获过程的频率得到捕获概率值；
[0021] (二）对被测端机BT跟瞄特性的测试，依次包括如下步骤：
[0022] S11.当整个激光通信系统处在跟踪状态时，通过被测端机AT精瞄模块中的精瞄 光电传感器得到光斑位置变化；
[0023]S12