本发明属于激光通信领域，特别涉及了空间混沌激光通信系统地面终端大气效应估测系统和方法。
背景技术：
空间混沌激光通信技术是未来卫星通信技术的一个重要发展方向，其具有通信容量大、终端体积小和保密性好等优点。与传统微波通信技术相比，在卫星体积、重量和输出功率相当的条件下，激光通信技术可以实现几吉比特到几十吉比特每秒的数据传输能力，因此，对于星地激光通信的需求越来越迫切，对于其系统特性的研究也成为该领域的一大关注点。
传统空间混沌激光通信链路的两端都需要配置收发机，体积、重量、功耗较大，由于空间混沌激光通信具有有通信速率快、通信容量大等优点，因此研究轻小型、低功耗非对称空间混沌激光通信链路具有重要意义。在空间混沌激光通信上行链路中，光束由地球上的空间站传输，并由安装在卫星终端的光信号接收器接收，下行通道正好相反。在传输过程中，通信链路会受到大气效应的影响，这将导致通信光轴无法精确对准，大大影响着通信质量。
典型的空间混沌激光通信链路一般包括光学跟瞄子系统、通信子系统和传输信道(含大气信道)三部分。光学跟瞄子系统主要进行瞄准、捕获和跟踪(pat)，是空间混沌激光通信链路建立与保持的基础，该系统主要考虑的是捕获跟踪策略和对卫星平台的扰动具有补偿能力，一般包括粗瞄准系统和精瞄准系统。通信子系统包括发射部分和接收部分，与链路余量设计相关的因素主要包括：
(1)发送和接收部分：主要有望远镜收发形式、望远镜倍数、发射功率和接收灵敏度等指标。在工程系统设计时，各个指标都是相互制约的，比如，望远镜口径增大必然导致空间混沌激光通信终端设备体积和重量的增加，可能导致终端不满足卫星的约束条件，通过链路余量设计，可以很好地在各个相关项目权衡，得到最优化方案；
(2)传输信道部分:须要考虑空间混沌激光通信的距离和大气效应对激光通信质量的影响。空间混沌激光通信须要考虑大气层对激光传输的影响，大气对激光具有吸收与散射作用，同时由于大气始终处于运动状态，还必须考虑大气湍流效应。大气湍流效应对激光传输的影响主要包括：光束漂移起伏、光束到达角起伏、光束扩展与分裂以及光强闪烁。这些湍流效应的共同作用将影响到整个通信系统的性能。所以，空间混沌激光通信链路设计时，对大气的影响要足够重视。而针对大气各种效应，各个终端一般采用多孔径发射技术实现多激光束传输。针对链路余量设计，可以把大气的影响归结为传输路径上能量的损失。
技术实现要素：
为了解决上述背景技术提出的技术问题，本发明旨在提供空间混沌激光通信系统地面终端大气效应估测系统和方法，简单准确地估测空间混沌激光通信链路中的大气效应误差。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
一种空间混沌激光通信系统地面终端大气效应估测系统，包括地面发射模块、地面模拟模块、地面接收模块和星上反射模块，所述地面发射模块包括地面激光发射端、分束器和准直与预瞄准装置，所述地面模拟模块包括光纤和衰减片，所述地面接收模块包括探测器和数据处理器，所述星上反射模块为设置在所选卫星上的角反镜装置，光纤的长度与所选卫星的实际通信链路长度相等；地面激光发射端发射的激光经分束器分为两路，其中一路激光经过准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，回到地面的反射光被探测器接收后传入数据处理器，另一路激光经光纤和衰减片被探测器接收并传入数据处理器。
进一步地，所述角反镜装置包含多个方向的角反镜面。
进一步地，每个方向的角反镜面的直径在到达卫星的光斑直径的千分之五以下。
进一步地，所述地面接收模块还包括掺铒光纤放大器，反射光和光纤传输的光经掺铒光纤放大器放大后被探测器接收。
进一步地，所述探测器为雪崩光电二极管。
基于上述空间混沌激光通信系统地面终端大气效应估测系统的方法，包括以下步骤：
(1)地面激光发射端发射激光，经分束器分为两路激光，综合考虑所选卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，通过准直与预瞄准装置对其中一路激光进行准直和预瞄准处理，使得该路激光到达卫星时，卫星上的角反镜装置正好处于光斑中心附近；
(2)另一路激光经光纤和衰减片以模拟无大气效应的链路情况，最终被探测器接收并传入数据处理器，数据处理器根据接收到的信号计算无大气效应影响下空间混沌激光通信系统误码率的理论值；
(3)到达卫星的激光经角反镜装置反射回地面，最终被探测器接收并传入数据处理器，数据处理器根据接收到的反射信号计算大气效应影响下空间混沌激光通信系统误码率的实测值；
(4)比较步骤(3)和步骤(2)得到的实测值与理论值的差异，估算出大气效应对空间混沌激光通信系统的影响。
进一步地，所述衰减片的衰减系数α根据如下公式确定：
上式中，d为角反镜的直径，d为达到卫星的光斑的直径，h为卫星高度，θ为经准直与预瞄准装置后的激光发散角。
进一步地，所选卫星为高轨卫星，高轨卫星为地球同步卫星。
采用上述技术方案带来的有益效果：
(1)现有的空间混沌激光通信系统地面终端设计往往是基于已有的光学手册，其中存在很多链路冗余，这对本身就已经几乎接近各种指标极限的系统设计带来了很大的难度。这些参数往往来源于理论计算与数值仿真或者地面架设数千米的实验链路模拟空间混沌激光通信系统，并不够准确可靠。并且，由于不同大气条件下大气效应对空间混沌激光通信系统的影响存在一定偏差，本发明可以针对具体链路状况进行大气效应的估测，满足对空间混沌激光通信系统性能研究的需求；
(2)本发明充分利用已有卫星，不需要重新发射星上终端，并且探测及数据处理均在地面，符合对于空间混沌激光通信中轻小型、低功耗的要求，系统价格低廉，结构并不复杂，对空间混沌激光通信链路的设计有重要意义。
附图说明
图1是本发明的系统组成图；
图2是本发明激光发射、反射示意图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
现有空间混沌激光通信链路会受到大气效应的影响，包括大气本身对激光的吸收与散射作用以及由于大气运动引起的大气湍流效应对激光光束的影响。大气效应会导致激光光束在传输过程中的抖动和到达接收端的光斑能量概率密度的变化，在以信号光能量为主要探测方式的现行激光通信系统中，这会导致探测结果的较大的偏差，从而大大影响空间混沌激光通信系统的通信质量。并且，由于不同信道条件下的大气效应的存在差异。因此，较为准确地实验探测空间混沌激光通信链路中的大气效应误差，并且不需要重新发射星上终端，对于空间混沌激光通信系统的研究与建设具有重要意义。
如图1所示，一种空间混沌激光通信系统地面终端大气效应估测系统，包括地面发射模块、地面模拟模块、地面接收模块和星上反射模块，所述地面发射模块包括地面激光发射端、分束器和准直与预瞄准装置，所述地面模拟模块包括光纤和衰减片，所述地面接收模块包括探测器和数据处理器(计算机即可)，所述星上反射模块为设置在所选卫星上的角反镜装置，光纤的长度与所选卫星的实际通信链路长度相等；地面激光发射端发射的激光经分束器分为两路，其中一路激光经过准直与预瞄准装置发射至所选卫星，卫星上的角反镜装置将到达卫星的激光反射回地面，如图2所示，回到地面的反射光被探测器接收后传入数据处理器，另一路激光经光纤和衰减片被探测器接收并传入数据处理器。
角反镜装置包含多个方向的角反镜面，例如八面棱柱状角反镜装置。以确保不管激光从哪个方向打到卫星都有光束被反射，并且，为满足现代卫星轻便化、小型化的要求，角反镜的直径应该在到达卫星的光斑直径的千分之五以下，具体可取100mm。
探测器一般选用雪崩二极管(apd)。由于角反镜的接收面积远小于到达卫星时的光斑面积，这将导致接收端接收到的光强更小，且apd本身有暗噪声，为避免apd暗噪声对探测结果的较大影响，可在探测器前面设置掺铒光纤放大器(edfa)，对信号光进行放大。
基于上述系统的方法，步骤如下。
步骤1：地面激光发射端发射激光，经分束器分为两路激光，综合考虑所选卫星的轨道高度、运行周期以及通信链路长度，通过准直与预瞄准装置对其中一路激光进行准直和预瞄准处理，使得该路激光到达卫星时，卫星上的角反镜装置正好处于光斑中心附近；
步骤2：另一路激光经光纤和衰减片以模拟无大气效应的链路情况，最终被探测器接收并传入数据处理器，数据处理器根据接收到的信号计算无大气效应影响下空间混沌激光通信系统误码率的理论值；
步骤3：到达卫星的激光经角反镜装置反射回地面，最终被探测器接收并传入数据处理器，数据处理器根据接收到的反射信号计算大气效应影响下空间混沌激光通信系统误码率的实测值；
步骤4：比较步骤3和步骤2得到的实测值与理论值的差异，估算出大气效应对空间混沌激光通信系统的影响。
高轨卫星为地球同步卫星，由于其相对地面静止，不需要考虑地面卫星运行周期，预瞄准过程相对简单。但是对于低轨卫星，需综合考虑卫星所在轨道高度、卫星运行周期等，计算相对复杂。
衰减片用于模拟不计大气效应情况下空间混沌激光通信系统中的信号衰减，计算激光到达卫星所在高度时的光斑面积，则角反镜面积与光斑面积的比值(即直径平方的比值)即为衰减片的衰减系数。
以高轨卫星为例，其距离地面高度为h＝38000km，发射光束经过准直系统后，假设发散角θ为θ＝30μrad，到达高轨时，光斑直径为d，
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。