一种激光通信终端真空测试系统的制作方法

本实用新型属于光学检测领域，涉及激光通信终端真空测试系统，尤其涉及一种空间激光通信终端真空条件下发散角、波相差、发射功率等参数的测试系统。

背景技术：

激光通信尤其是空间激光通信与传统微波空间通信的方式相比，具有高速、保密、抗干扰和轻小型等优势。随着空间遥感技术的发展，各类有效载荷将获取大量空间探测数据，这些数据需要实时传送至地面，供相关技术人员分析。目前卫星上常用的微波带宽约为百兆级别，已接近微波通信的理论极限，而实际的光纤激光通信传输速率高达40G/s，目前已经得到了实际应用，利用密集型光波复原技术(Densewavelength Division Multiplexing，DWDM)等光放大技术还可实现更高传输速率，地面上百吉级别光纤激光通信系统都已经商业化，因此采用激光进行通信将会大大减小数据传输压力。随着5.65G/s空间激光通信终端(Laser Communication Terminal,LCT)的成功实验，国外的几十吉比特率空间LCT也正处于研究和规划中，这些都充分证明了激光通信实际应用中的优势，所以以激光作为媒质进行通信可以很好的解决通信带宽瓶颈问题。

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。在热真空环境下，考核空间激光通信系统的关键指标，成为空间激光通信系统环境试验中的重中之重。

由于空间激光通信终端信息传输时需要至少台终端方能完成，而双终端对接信息传输测试需要的测试系统非常复杂，在热真空试验中想完成双终端对接测试的难度很大，因此，选择真空条件下对单端空间激光通信终端的关键指标进行测试。

单端激光通信终端的关键指标包括波相差、发散角和发射功率，如何在热真空条件下完成上述三项指标的测量，是验证单端激光通信终端热真空稳定性的难题。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种激光通信终端真空测试系统，实现单端激光通信终端热真空条件下波相差、发散角和发射功率等关键指标的测试。

本实用新型的技术解决方案是提供一种激光通信终端真空测试系统，其特殊之处在于：包括发散角测试系统、功率测试系统及波相差测试系统；

激光通信终端发射角度能够调节；

上述发散角测试系统包括沿激光通信终端一路出射光路依次设置的平行光管1与发散角测试模块2；上述发散角测试模块2包括三维平移台及设置在三维平移台上的光电耦合器；

上述激光通信终端发射与平行光管1同轴的光束；上述平行光管1接收激光通信终端发射的光束，并汇聚成像在发散角测试模块2的光电耦合器上；

上述激光通信终端与平行光管1位于真空环境中；

上述功率测试系统包括沿激光通信终端另一路出射光路依次设置的缩束系统6、第一分光镜8及位于第一分光镜8一路出射光路中的功率计12；

上述波相差测试系统包括位于第一分光镜8另一路出射光路中的第二分光镜9及分别位于第二分光镜9出射光路中的第二哈特曼波前传感器11与第一哈特曼波前传感器10；

上述激光通信终端发射与缩束系统6同轴的光束，发射光束经过缩束系统6后形成缩束平行光束，缩束平行光束经第一分光镜8分光，分别传输至功率计12与第二分光镜9上，第二分光镜9将光束再次进行分光后由第一哈特曼波前传感器10与第二哈特曼波前传感器11接收。

优选地，该测试系统还包括具有光学窗口5的真空罐3上述激光通信终端4位于真空罐3中，激光通信终端的出射光通过光学窗口5入射至缩束系统6；

上述平行光管1与真空罐3固连，平行光管1与真空罐3形成密闭的真空空间，该空间内可模拟真空环境。

优选地，为了提高发散角的测量精度，上述平行光管1为长焦距离轴抛物面反射式平行光管。一般认为焦距大于10m的平行光管为长焦距平行光管。

优选地，上述发散角测试模块2的感光面位于平行光管1的焦面处。

优选地，上述发散角测试模块2中的感光器件包括至少一个光谱范围为800nm～1600nm的CCD或CMOS器件；上述发散角测试模块2还包括位于感光器件前端的衰减片组，通过加入不同衰减倍率的衰减片组调整进入感光器件的能量。

优选地，上述缩束系统6由沿光路依次设置的离轴抛物面镜和目镜7组成，缩束倍率Γ的计算公式如公式(1)所示；

其中：L为激光通信终端4的出瞳直径；

a为两个哈特曼波前传感器的靶面的内切圆直径。

优选地，上述第一哈特曼波前传感器10与第二哈特曼波前传感器11的特征波长与空间激光通信的特征波长匹配。

优选地，上述真空罐3的直径为3m、长为5m，内部真空度可达1×10^-6Pa；

上述光学窗口5为Φ500mm直径窗口，窗口玻璃的材料为石英或微晶；

上述平行光管1为30m焦距、Φ1m口径的离轴抛物面反射式平行光管；

上述第一哈特曼波前传感器10的特征波长为808nm、830nm，上述第二哈特曼波前传感器11的特征波长为1541nm、1550nm；

缩束系统6的离轴抛物面镜为Φ250mm离轴抛物面镜；

上述参数并不仅仅限于所给的数据。

优选地，上述功率计12为积分球式功率计12，波长响应范围为800nm～1700nm，动态范围0.01W～10W。

本实用新型还提供一种基于上述的一种激光通信终端真空测试系统的激光通信终端真空测试方法，包括以下步骤：

步骤一：真空罐与平行光管内部同时抽真空，真空度达到1×10^-5Pa以内后，开始激光通信终端性能测试；

步骤二：调整激光通信终端，使得激光通信终端指向并对准平行光管；

步骤三：选择衰减片组，装入发散角测试模块中，打开激光通信终端发射激光光束；

步骤四：发散角测试模块根据所成光斑图像调整曝光时间；

步骤五：发散角测试模块连续采集六幅图像，计算不同图像对应的光斑直径D_i，根据公式(2)计算焦面处光斑直径单位为mm，根据公式(3)计算不同波长对应的发散角θ，单位为rad；

步骤六：调整激光通信终端的角度，使得激光通信终端指向并对准缩束系统；

步骤七：选择两组衰减片组，分别装入第一哈特曼波前传感器与第二哈特曼波前传感器前端，打开激光通信终端发射激光光束；

步骤八：功率计测量出射功率P₂，按照公式(4)计算激光通信终端发射光功率P₁；

其中，τ₁为缩束系统的透过率；τ₂为第一分光镜的反射率；

步骤九：第一哈特曼波前传感器接收808nm激光，通过调整其姿态得到出射光束波相差，第二哈特曼波前传感器接收1541nm激光，通过调整其姿态得到出射光束波相差。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型可完成单端激光通信终端的热真空试验，验证真空高低温过程中，激光通信终端的稳定性，是激光通信终端热真空试验过程中必不可少的测试系统；

2、本实用新型的激光通信终端真空测试系统，使用了两路分光，可使同时获取激光通信终端波相差和发射功率，测试过程稳定、可靠，能极大的提高测试效率，非常适合在工程测试中应用，该系统将测试的模块均置于真空环境之外，方便后续进行其余指标测试的扩张，其被改造功能很强大；

3、本实用新型使用长焦距平行光管进行发散角的测量，激光通信终端的发散角在微弧度量级，可以大大提高发散角的测量精度；

4、本实用新型使用了缩束系统和分光镜的设计，可以同时测量激光通信终端的两个波长的波相差，可实现激光通信终端波相差和输出功率的同时测量，系统结构稳定、重复性高，满足热真空试验的测试需求。

附图说明

图1是本实用新型所提供的一种激光通信终端真空测试系统发散角测试模块的结构示意图；

图2是本实用新型所提供的一种激光通信终端真空测试系统波相差和发射光功率测试模块的结构示意图；

图3是本实用新型所提供的一种激光通信终端真空测试系统波相差和发射光功率测试模块的放大图；

图中：1-平行光管；2-发散角测试模块；3-真空罐；4-激光通信终端；5-光学窗口；6-缩束系统；7-目镜；8-第一分光镜；9-第二分光镜；10-第一哈特曼波前传感器；11-第二哈特曼波前传感器；12-功率计。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施方式对本实用新型做进一步的描述。

从图1及图2可以看出，本实施例测试系统包括用于放置激光通信终端4的真空罐3，真空罐3的尺寸为3m直径、5m长，内部真空度可达1×10^-6Pa；真空罐3的一侧具有能够使光透过的石英或微晶光学窗口5，光学窗口5的直径为Φ500mm；其中激光通信终端4的出射光方向可调。

还包括位于激光通信终端4出射光路中的发散角测试系统、功率测试系统及波相差测试系统。

发散角测试系统包括沿光路设置的平行光管1及发散角测试模块2，平行光管1、激光通信终端4在同一个密闭空间中，该空间内可模拟真空环境，由于平行光管1的焦距和口径大，光学窗口5玻璃很难做到Φ1m口径，因此，将平行光管1与真空罐3连接在一起，做成一个密闭的空间，方便模拟真空环境；发散角测试模块2及功率测试系统与波相差测试系统均位于真空环境外，方便的进行位置的调整；本实施例中平行光管1是焦距为30m、Φ1m口径的离轴抛物面反射式平行光管1，其他实施例中不仅限于此参数；发散角测试模块2的感光面位于平行光管1的焦面处，发散角测试模块2中的感光器件为CCD或CMOS器件，光谱范围为800nm～1600nm，可以由一片感光器件完成，也可以通过更换不同波长范围的器件来满足整个测试光谱范围的需要；发散角模块的感光器件前端可加入衰减片组，通过加入不同衰减倍率的衰减片组来调整进入感光器件的能量。

激光通信终端4发射光束与平行光管1同轴，平行光管1接收激光通信终端4发射光束，经过会聚后成像在发散角测试模块2上。

功率测试系统包括沿光路设置的缩束系统6、第一分光镜8及功率计12，在本实施例中功率计12位于第一分光镜8的反射光路中，在其他实施例中功率计12也可以位于第一分光镜8的透射光路中，只要满足功率计12与波相差测试系统分别位于第一分光镜8不同的光路中即可。缩束系统6由Φ250mm离轴抛物面镜和目镜7组成，缩束倍率Γ的计算公式如公式(1)所示；

其中：L为激光通信终端4的出瞳直径；a为哈特曼波前传感器的靶面尺寸；

功率计12为积分球式功率计12，波长响应范围为800nm～1700nm，动态范围0.01W～10W；

波相差测试系统包括位于第一分光镜8透射光路中的第二分光镜9、位于第二分光镜9透射光路中的第一哈特曼波前传感器10及位于第二分光镜9透射光路中的第二哈特曼波前传感器11，在其他实施例中第一哈特曼波前传感器10及第二哈特曼波前传感器11位置可以互换；第一哈特曼波前传感器10的特征波长为808nm、830nm，第二哈特曼波前传感器11的特征波长为1541nm、1550nm；这些波长为空间激光通信的特征波长，但不仅限于这些波长；

激光通信终端4调整方位角后，发射光束与缩束系统6同轴，发射光束经过光学窗口5、缩束系统6后，形成缩束平行光束，经过第一分光镜8分光，分别传输到功率计12和第二分光镜9上，经过第二分光镜9分光后，分别由第一哈特曼波前传感器10和第二哈特曼波前传感器11接收。

同时，本实用新型还提供了一种基于如上所述的激光通信终端4真空测试方法，该方法包括以下步骤：

1)真空罐3与平行光管1内部同时抽真空，真空度达到1×10^-5Pa以内后，开始激光通信终端性能测试；

2)激光通信终端4调整指向与平行光管1对准；

3)根据事先计算选择合适的衰减片组装入发散角测试模块2中，打开激光通信终端4发射激光光束；

4)发散角测试模块2根据所成光斑图像调整合适的曝光时间，一般使所成像的灰度值不超过总的量化位数的80％为宜；

5)连续采集6幅图像，根据程序计算不同图像对应的光斑直径D_i，根据公式(2)计算通过公式(3)计算得到不同波长的发散角θ。

其中：θ为信号光发散角，单位：rad；

为焦面处的光斑直径，单位：mm；

6)激光通信终端4调整指向与缩束系统6对准；

7)根据事先计算选择合适的衰减片组装入哈特曼波前传感器前端，打开激光通信终端4发射激光光束；

8)功率计12测量出射功率P₂，按照公式(4)计算激光通信终端4发射光功率P₁；

其中：P₁为激光通信终端4发射光功率；

P₂为功率计12测得的出射功率；

τ₁为缩束系统6的透过率；τ₂为第一分光镜8的反射率；

9)第一哈特曼波前传感器10接收808nm激光，通过调整其姿态得到出射光束波相差，第二哈特曼波前传感器11接收1541nm激光，通过调整其姿态得到出射光束波相差。

本实用新型的激光通信终端真空测试系统，可以满足单端激光通信终端主要光学参数的测量，验证真空高低温过程中，激光通信终端的稳定性，是激光通信终端热真空试验过程中必不可少的测试系统。

本实用新型的激光通信终端真空测试系统，使用了两路分光，可使同时获取激光通信终端波相差和发射功率，测试过程稳定、可靠，能极大的提高测试效率，非常适合在工程测试中应用，该系统将测试的模块均置于真空环境之外，方便后续进行其余指标测试的扩张，其被改造功能很强大。

本实用新型的激光通信终端真空测试系统，选用了焦距较长的平行光管来完成发散角的测量，可以大大提高发散角的测量精度。