空间激光通信地面测试模拟平台的制作方法
【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地面测试模拟平 台。
【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。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。
[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，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地面测试模拟平 台，基于该平台，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。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：
[0009] 一种空间激光通信地面测试模拟平台，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以及计算机 CPU19;被测端机AT和被测端机BT共同组成一个光通信系统，被测端机AT所发出的平行光 束A1首先经过A端望远镜1进行缩束，出射的光束为窄口径的平行光束A2 ;光束A2经过A 端分光光路2出射光束A3进入到A端指向误差源模拟器3,出射方向产生抖动的平行光束 A4 ;光束A4进入到A端远场接收模拟器4中，出射发散光束A5 ;光束A5经过A端准直光路 5进行准直之后，变为窄口径的平行光束A6,进入到A端大气信道模拟器6中，出射幅度和 相位发生变化的光束A7 ;光束A7经过AB合束光路8与来自于B端背景光模拟器7的光束 合束，变成一束光A8出射；光束A8进入到B端振动-相对运动模拟器9中，出射方向发生 变化的光束A9 ;光束A9进入到B端分光光路10,出射光束A10 ;光束A10进入到B端望远 镜11中，变成宽口径的光束All出射；光束All再进入到被测端机BT中；同时被测端机BT 回馈出射的宽口径光束B1首先经过B端望远镜11变成窄口径平行光束B2 ;光束B2经过 B端分光光路10出射光束B3 ;光束B3进入到B端指向误差源模拟器12中，出射抖动平行 光束B4 ;光束B4进入到B端远场接收模拟器13中，出射发散光束B5 ;光束B5经过B端准 直光路14准直之后，变为窄口径平行光束B6,进入到B端大气信道模拟器15中；从B端大 气信道模拟器15出射幅度和相位发生变化的光束B7经过BA合束光路17与来自于A端背 景光模拟器16的光束合束，变成一束光B8 ;光束B8进入到A端振动-相对运动模拟器18 中，出射方向发生变化的光束B9 ;光束B9进入到A端分光光路2中，出射光束B10进入到A 端望远镜1中，从A端望远镜1出射宽口径的光束B11 ;光束B11再进入到被测端机AT中。
[0010] 上述空间激光通信地面测试模拟平台还包括第一光路转折平面反射镜20和第二 光路转折平面反射镜21 ;从被测端机BT反馈的出射光束经过B端分光光路10之后，反射 到第一光路转折平面反射镜20上，出射光束随后经过B端指向误差源模拟器12, B端指向 误差源模拟器12出射的光束经过第二光路转折平面反射镜21，再进入到B端远场接收模拟 器13中。
[0011] 上述空间激光通信地面测试模拟平台中，进一步地，A端望远镜1和B端望远镜11 结构相同，均包括入射窗111、第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面 反射镜114、平面反射镜115、出射窗116、真空泵117和密封真空罐118 ;第一非球面反射镜 112和第二非球面反射镜113组成一个等效物镜；第三非球面反射镜114相当于目镜，它的 焦点与第一非球面反射镜112和第二非球面反射镜113组成的等效物镜的焦点共焦；入射 窗111、第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非球面反射镜114、平面反射镜 115及出射窗116均位于密封真空罐118内部；真空泵117位于密封真空罐118外部，其通 过阀门管道与密封真空罐118连接；第一非球面反射镜112、第二非球面反射镜113、第三非 球面反射镜114均为离轴非球面反射元件；从AT或BT发射的光束，首先由入射窗111入射 到第一非球面反射镜112,出射光束到第二非球面反射镜113,再从第二非球面反射镜113 出射光束到第三非球面反射镜114,出射的光束经过平面反射镜11