空间激光通信检测装置及方法

本发明涉及航空航天技术领域，特别涉及一种空间激光通信检测装置及方法。

背景技术：

空间激光通信以其高通信速率、大通信容量、强抗干扰能力、小型化、轻量化、低功耗、网络化等优点已成为当今军事保密通信、民用通信，空间信息网络化建设等竞相发展的研究热点。相比于传统的微波通信方式，激光通信以其巨大的优势在高速空间通信领域迅速发展。空间激光通信已不限于卫星间通信，卫星与其他飞行器，还包括星地、星月甚至火星与地球间的激光通信。以美国为首的包括法国、日本、德国、俄罗斯等发达国家都已在空间激光通信方面进行了大量验证和尝试。高低轨星间激光通信与星地微波通信的组合模式成为未来空间通信的发展趋势。抢占有限的轨道资源并进行卫星网络的组网是各国竞相争夺的先手。目前，美国spacex公司在其starlink项目中，已经成功实现了1箭60星的发射尝试，其目的显而易见。近年来，中国在空间激光通信研究紧跟欧美发达国家步伐，发展迅猛，已在星上实现了星间激光通信功能验证。随着中国实现空间激光通信卫星组网，大批量的空间激光通信终端也在紧锣密鼓的研制中。

空间激光通信的传输距离基本在百公里至万公里级别，在星上进行检测验证不仅操作不便，成本高并且无法保证成功率。因此，目前国内外普遍流行的方法即利用平行光管在实验室中模拟实现通信激光在长距离传输后的发出或接收到的信号光功率。

传统的平行光管为满足被测激光终端的光学发射接收口径需求，体积庞大，为保证稳定性，通常放置在专用的石质光学平台上进行操作。在桌面验证阶段，每次测试前，需要将平行光管的光轴与被测激光终端的光轴进行校准。由光学工程师进行手动标校完成，其过程繁复，低效。单台光学终端的调试工作即便对于经验丰富的工程师也需耗时一天才能完成。装星后，在一系列整星环境试验后，基本很难再对激光终端进行光学性能测试。但激光终端的光束发散角以及收、发链路性能是每个激光终端的关键功能保证。综上所述，传统的平行光管检测方法过程繁复，低效，且装星后，在一系列整星环境试验后，基本很难再对激光终端进行光学性能测试。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种空间激光通信检测装置及方法，以解决现有的传统的平行光管检测方法过程繁复，低效的问题。

本发明的目的还在于提供一种空间激光通信检测装置及方法，以解决现有的传统的平行光管检测方法在装星及整星环境试验后，基本很难再对激光终端进行光学性能测试的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种空间激光通信检测装置及方法，包括：

紧凑型光机，被配置为执行以下动作：

模拟平行光管的光路；以及

通过内置相机捕捉被测终端发出的信号光光斑位置，根据信号光光斑位置与目标中心的偏差，自动调节平行光管位置与被测终端的光轴精确标校，以满足快速智能化激光通信终端的检测；

紧凑型光机包括：

离轴双反望远系统，被配置为进行光学优化以缩小平行光管的体积；

空间双通道分光结构，被配置为通过两路空间激光收发接口实现收、发同时通信；

计算机实时图像处理模块，被配置为控制调节紧凑型光机位置，实现被测激光终端发散光束、光轴自动精确标校。

可选的，在所述的空间激光通信检测装置中，还包括：

遮光罩，被配置为容纳紧凑型光机；

俯仰转台，被配置为带动紧凑型光机相对于被测终端进行俯仰运动；

方位转台，被配置为带动紧凑型光机相对于被测终端进行绕z轴的旋转运动；

xy平移转台，被配置为带动紧凑型光机相对于被测终端进行xy平移运动；

垂直升降转台，被配置为带动紧凑型光机相对于被测终端进行垂直升降运动。

可选的，在所述的空间激光通信检测装置中，还包括激光平行收发光管，被配置为将被测终端发出的激光以平行且反向提供至激光发散角检测相机和空间双通道分光结构，其包括：

快反镜，被配置为将光路进行转向，以在离轴双反望远系统和两个能量分光片之间传递；

第一能量分光片，被配置为对光路的光源进行能量分光，以在空间双通道分光结构和快反镜之间传递；

第二能量分光片，被配置为对光路的光源进行能量分光，以在空间双通道分光结构和快反镜之间传递；

能量衰减片，被配置为对光路的光源进行能量衰减，以提供至激光发散角检测相机。

可选的，在所述的空间激光通信检测装置中，所述离轴双反望远系统包括：

离轴反射主镜，被配置为将光路进行转向以在被测终端和离轴反射次镜之间传递；

离轴反射次镜，被配置为将光路进行转向以在离轴反射主镜和激光平行收发光管之间传递；

所述空间双通道分光结构包括第一通道和第二通道，其中：

第一通道包括：第一信号光发射、第一光谱分光片和第一信号光接收；

第二通道包括：第二信号光发射、第二光谱分光片和第二信号光接收。

本发明还提供一种基于上述的空间激光通信检测装置的检测方法，所述空间激光通信检测装置进行空间激光设备发散角测试和地面通信测试，包括：

进行激光终端收发光轴校准；

进行空间激光发散角测试；

进行空间激光通信收发双向通信测试；

进行被测终端捕获跟瞄性能测试。

可选的，在所述的空间激光通信检测方法中，进行激光终端收发光轴校准包括：

紧凑型光机与被测终端相隔2-3米；

打开指示光瞄准激光器，根据指示光瞄准激光器的光斑位置调整紧凑型光机，使该光斑指向被测终端的接收窗口防护罩的中心位置后，关闭指示光瞄准激光器；

被测终端光学单元连接可见光激光笔并使激光笔出光，被测终端上电，根据可见光激光光斑发送指令调节被测终端的方位和俯仰位置，使该光斑覆盖紧凑型光机的接收窗口，关闭可见光激光笔，并将光纤连接回被测设备的光学单元；

被测终端与紧凑型光机收发光轴粗标校完成。

被测终端发出第一信号光，第一信号光被离轴反射主镜接收，依次经过离轴反射次镜、快反镜、第一能量分光片、第二能量分光片及能量衰减片后，最终第一信号光的光斑成像在激光发散角检测相机上；

紧凑型光机打开激光发散角检测相机，紧凑型光机根据激光发散角检测相机上光斑的位置，上位机自动调节紧凑型光机的方位俯仰位置，使被测设备所发出第一信号光的光斑位于激光发散角检测相机中心位置并记录第一位置(x1，y1)；

发送指令关闭第一信号光，并打开第二信号光，此时在激光发散角检测相机上出现第二信号光的光斑并记录第二位置(x2，y2)；

此时通过计算第一位置、第二位置的质心差值得到被测设备的收发同轴度误差；

假设紧凑型光机激光发散角检测相机的每个像元对应视场角为nμrad，则该被测终端的收发同轴度误差可表示为nμrad：

可选的，在所述的空间激光通信检测方法中，进行空间激光发散角测试包括：

完成激光终端收发光轴校准后，被测终端发出第一信号光，第一信号光光被离轴反射主镜接收，依次经过离轴反射次镜、快反镜、第一能量分光片、第二能量分光片及能量衰减片后，最终第一信号光的光斑成像在激光发散角检测相机上；

精细调节被测终端位置，以在激光发散角检测相机上出现圆形光斑，通过上位机调节相机曝光积分时间，使光斑仅中心点饱和并记录该饱和光强强度为i1，记录激光发散角检测相机的背景光强ibg；由于一般激光光强均符合高斯分布，根据下式：

计算得到该圆形光斑高斯分布的边缘点强度值i2，在该光斑上找到光强强度等于i2的第三位置(x3，y3)，并在该点的水平线上找到强度值等于i2的第四位置(x4，y4)其中，y4＝y3；

假设激光发散角检测相机的每个像元对应视场角为nμrad，则该被测终端信号光的发散角可表示为αμrad：

同理，依据上述方法测得第二信号光的发散角。

可选的，在所述的空间激光通信检测方法中，进行空间激光通信收发双向通信测试包括：

以第一信号光通信收发测试作为示意，在通信测试板的配合下，将通信测试板收发通道通过光纤连接到对应空间双通道分光结构，由通信测试板通过空间双通道分光结构发出第一信号光，被测终端接收第一信号光；

同时，由被测终端发出第二信号光，空间双通道分光结构接收第二信号光并通过光纤接入通信测试板；

被测终端与紧凑型光机自由空间建链完成，根据需求进一步测试被测终端在激光通信链路上的性能，包括高速率通信下的误码率检查、转发通信协议和状态数据传输。

可选的，在所述的空间激光通信检测方法中，进行被测终端捕获跟瞄性能测试包括：

通过上位机控制快反镜实现被测终端捕获跟瞄性能测试，当被测终端与紧凑型光机建链完成后，即由通信测试板信号通道发出第一信号光，通过光纤接入紧凑型光机，由被测终端接收；

通过上位机发出快反镜的控制信号，调制快反镜的位置使得输出的第一信号光的空间位置发生变化；

同步地，由被测终端发出平行第二信号光，紧凑型光机接收第二信号光，通过光纤经通信测试板信号通道接入通信测试板；

如果被测设备与紧凑型光机仍能建立正常通信，则判定被测设备能够捕获跟瞄由紧凑型光机造成的误差区域。

可选的，在所述的空间激光通信检测方法中，还包括：

紧凑型光机具备1550±15nm信号光发射、信号光接收；

第一信号光收发波长为：1545nm±0.2nm；第二信号光收发波长为：1560nm±0.2nm。

本发明的发明人通过研究发现，单颗卫星上装载至少异轨、同轨两个激光终端。由于日益迫切的星间组网建链需求，激光终端有以下特征：

数量上，根据星间组网拓扑结构，激光终端会成倍增加，例如单颗星异轨、同轨各两个激光终端即一星需要4个光学终端，使用传统标校方式，将耗时耗力；

体积上，根据链路预算，较小口径的收发窗口性能即可保证通信距离为500km到5000km的低轨星间通信建链，光学收发终端体积进一步减小，单星体积减小，在同一运载条件下可满足一箭多星，激光终端标校时无需使用传统大型平行光管，较小有效口径的平行光管也可实现标校；

结合以上两点，当制造大批量的空间组网激光通讯卫星时，使用传统的光学平行光管及方法仍可对激光终端进行光束发散角以及通信链路性能检测，但成本不可估量。

在本发明提供的空间激光通信检测装置及方法中，紧凑型光机模拟平行光管的光路；以及通过内置相机捕捉被测终端发出的信号光光斑位置，根据信号光光斑位置与目标中心的偏差，自动调节平行光管位置与被测终端的光轴精确标校，以满足快速智能化激光通信终端的检测；可解决在卫星桌面、装星阶段使用平行光管难以对空间激光通信终端进行智能化快速光轴标校以及远距离激光双向通信性能检测的问题。对于未来空间激光终端大批量研制过程中的标校检测及保证空间激光通信卫星组网具有很大的应用价值。

附图说明

图1是本发明一实施例空间激光通信终端双向传输光学地面检测装置示意图；

图2是本发明一实施例空间激光通信终端双向传输光学地面检测流程示意图；

图3是本发明一实施例激光终端收发光轴校准示意图；

图4是本发明一实施例激光终端发散角测试示意图；

图5是本发明一实施例第一信号光通信测试示意图；

图6是本发明一实施例第二信号光通信测试示意图；

图7是本发明一实施例被测终端捕获跟瞄性能测试示意图；

图中所示：1-遮光罩；2-离轴反射主镜；3-离轴反射次镜；4-快反镜；5-第一能量分光片；6-第二能量分光片；7-能量衰减片；8-激光发散角检测相机；9-第一信号光发射；10-第一光谱分光片；11-第二光谱分光片；12-第二信号光发射；13-第一信号光接收；14-第二信号光接收；15-俯仰转台；16-方位转台；17-xy平移转台；18-垂直升降转台；19-指示光瞄准激光器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式参考附图进一步阐述本发明。

应当指出，各附图中的各组件可能为了图解说明而被夸大地示出，而不一定是比例正确的。在各附图中，给相同或功能相同的组件配备了相同的附图标记。

在本发明中，除非特别指出，“布置在…上”、“布置在…上方”以及“布置在…之上”并未排除二者之间存在中间物的情况。此外，“布置在…上或上方”仅仅表示两个部件之间的相对位置关系，而在一定情况下、如在颠倒产品方向后，也可以转换为“布置在…下或下方”，反之亦然。

在本发明中，各实施例仅仅旨在说明本发明的方案，而不应被理解为限制性的。

在本发明中，除非特别指出，量词“一个”、“一”并未排除多个元素的场景。

在此还应当指出，在本发明的实施例中，为清楚、简单起见，可能示出了仅仅一部分部件或组件，但是本领域的普通技术人员能够理解，在本发明的教导下，可根据具体场景需要添加所需的部件或组件。另外，除非另行说明，本发明的不同实施例中的特征可以相互组合。例如，可以用第二实施例中的某特征替换第一实施例中相对应或功能相同或相似的特征，所得到的实施例同样落入本申请的公开范围或记载范围。

在此还应当指出，在本发明的范围内，“相同”、“相等”、“等于”等措辞并不意味着二者数值绝对相等，而是允许一定的合理误差，也就是说，所述措辞也涵盖了“基本上相同”、“基本上相等”、“基本上等于”。以此类推，在本发明中，表方向的术语“垂直于”、“平行于”等等同样涵盖了“基本上垂直于”、“基本上平行于”的含义。

另外，本发明的各方法的步骤的编号并未限定所述方法步骤的执行顺序。除非特别指出，各方法步骤可以以不同顺序执行。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的空间激光通信检测装置及方法作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

本发明的目的在于提供一种空间激光通信检测装置及方法，以解决现有的传统的平行光管检测方法过程繁复，低效的问题。

本发明的目的还在于提供一种空间激光通信检测装置及方法，以解决现有的传统的平行光管检测方法在装星及整星环境试验后，基本很难再对激光终端进行光学性能测试的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种空间激光通信检测装置及方法，包括：紧凑型光机，被配置为执行以下动作：模拟平行光管的光路；以及通过内置相机捕捉被测终端发出的信号光光斑位置，根据信号光光斑位置与目标中心的偏差，自动调节平行光管位置与被测终端的光轴精确标校，以满足快速智能化激光通信终端的检测；紧凑型光机包括：离轴双反望远系统，被配置为进行光学优化以缩小平行光管的体积；空间双通道分光结构，被配置为通过两路空间激光收发接口实现收、发同时通信；计算机实时图像处理模块，被配置为控制调节紧凑型光机位置，实现被测激光终端发散光束、光轴自动精确标校。

本发明涉及星间空间激光通信单机收发检测技术，具体涉及一种空间激光通信终端双向传输光学地面智能检测装置及一种空间激光通信终端双向传输光学地面智能检测方法。

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种空间激光通信终端双向传输光学地面智能检测装置及方法，使用紧凑型光机设计平行光管并通过内置相机捕捉被测终端发出的信号光光斑位置，根据该位置与目标中心的偏差自动调节该平行光管位置与该被测终端的光轴精确标校，以满足快速智能化激光通信终端的检测。本发明可解决在卫星桌面、装星阶段使用平行光管难以对空间激光通信终端进行智能化快速光轴标校以及远距离激光双向通信性能检测的问题。对于未来空间激光终端大批量研制过程中的标校检测及保证空间激光通信卫星组网具有很大的应用价值。

本发明的技术构思是：采用离轴双反望远系统光学优化设计缩小平行光管的体积；使用空间双通道分光结构实现收、发同时通信；利用计算机实时图像处理算法控制调节测试设备位置，实现被测激光终端发散光束、光轴自动精确标校。

本发明的技术解决方案如下：

该空间激光光学地检设备应包括激光平行收发光管、两路空间激光收发接口、通信激光发散角检测相机、可升降二维转台等，具体组成如图1所示，具体实施方案结合图2所示。本设备将用于空间激光设备发散角测试和地面通信测试。包括：激光终端收发光轴校准、空间激光发散角测试、空间激光通信收发双向通信测试、被测终端捕获跟瞄性能测试。

在本发明的一个实施例中，激光终端收发光轴校准包括：移动测试设备位置与被测终端相隔2-3米，如图3所示，打开测试设备指示光瞄准激光器19，根据该瞄准激光器光斑位置调整测试设备使该光斑指向被测终端的接收窗口防护罩的中心位置后，关闭指示光瞄准激光器19；激光终端光学单元连接可见光激光笔并使激光笔出光，被测终端上电，根据可见光激光光斑发送指令调节被测终端的方位和俯仰位置，使该光斑覆盖测试设备接收窗口，关闭可见光激光笔，并将光纤连接回被测设备光学单元；被测激光终端与测试设备收发光轴粗标校完成。被测终端发出信号光1，该信号光被离轴反射主镜2接收，依次经过离轴反射次镜3、快反镜4、第一能量分光片5、第二能量分光片6以及能量衰减片7后，最终信号光1的光斑成像在激光发散角检测相机8(红外相机)上；测试设备打开激光发散角检测相机8，测试设备根据激光发散角检测相机8上光斑的位置，上位机自动调节测试设备的方位俯仰位置(俯仰转台15，方位转台16)，使被测设备所发出信号光1的光斑位于红外相机中心位置并记录位置1(x1，y1)；发送指令关闭信号光1并打开信号光2，此时在激光发散角检测相机8上出现信号光2的光斑并记录位置2(x2，y2)；此时通过计算位置1、2的质心差值即可得到被测设备的收发同轴度误差。

假设测试设备激光发散角检测相机8的每个像元对应视场角为nμrad，则该被测终端的收发同轴度误差可表示为nμrad：

在本发明的一个实施例中，空间激光发散角测试包括：完成上述步骤的激光终端收发光轴校准后，被测终端发出信号光见图4，该信号光被离轴反射主镜2接收，依次经过离轴反射次镜3、快反镜4、第一能量分光片5、第二能量分光片6以及能量衰减片7后，最终信号光的光斑成像在激光发散角检测相机8上；精细调节被测终端位置(俯仰转台15，方位转台16)，可在激光发散角检测相机8上出现圆形光斑，通过上位机调节相机曝光积分时间，使光斑仅中心点饱和并记录该饱和光强强度为i1，记录激光发散角检测相机8的背景光强ibg；由于一般激光光强均符合高斯分布，根据下式：

可理论计算得到该圆形光斑高斯分布的边缘点强度值i2，在该光斑上找到光强强度等于i2的位置3(x3，y3)，并在该点的水平线上找到强度值等于i2的位置4(x4，y4)其中，y4＝y3。假设测试设备激光发散角检测相机8的每个像元对应视场角为nμrad，则该被测终端信号光的发散角可表示为αμrad：

同理，信号光2的发散角也可依据上述方法测得。

在本发明的一个实施例中，空间激光通信收发双向通信测试包括：如图5所示，以信号光1通信收发测试作为示意，在通信板的配合下，将通信测试板收发通道通过光纤连接到对应收发信号光通道，由通信测试板通过测试设备发出信号光1，被测终端接收信号光1的信号；同时，由被测终端发出信号光2，测试设备接收信号光2并通过光纤接入通信测试板。具体操作如下，由通信测试板信号通道1发出信号光1，通过光纤接入测试设备，由第一信号光发射9出射，经第一光谱分光片10分光以及第一能量分光片5反射进入快反镜4，最终由离轴反射次镜3和离轴反射主镜2准直扩束成平行光出射，由被测终端接收；同步地，由被测终端发出平行信号光2，测试设备接收信号光2，通过离轴反射主镜2接收，依次经过离轴反射次镜3、快反镜4、第一能量分光片5、第二能量分光片6反射，再由第二光谱分光片11分光后进入第二信号光接收14，通过光纤经信号通道2接入通信测试板。被测终端与测试设备自由空间建链完成，根据需求可以进一步测试被测终端在激光通信链路上的性能，例如高速率通信下的误码率检查、转发通信协议、各类状态数据传输等。类似地，见示意图6，可实现被测终端信号光2的自由空间建链通信性能检查，第二信号光发射12发射，第一信号光接收13接收。

在本发明的一个实施例中，被测终端捕获跟瞄性能测试包括：通过上位机控制快反镜4可实现被测终端捕获跟瞄性能测试，具体如下：如图7所示，当被测终端与测试设备建链完成后，即由通信测试板信号通道1发出信号光1，通过光纤接入测试设备，由第一信号光发射9出射，经第一光谱分光片10分光以及第一能量分光片5反射进入快反镜4，最终由离轴反射次镜3和离轴反射主镜2准直扩束成平行光出射，由被测终端接收；通过上位机发出快反镜的控制信号，调制快反镜的位置使得输出的信号光1的空间位置发生变化，例如圆形指向。同步地，由被测终端发出平行信号光2，测试设备接收信号光2，通过离轴反射主镜2接收，依次经过离轴反射次镜3、快反镜4、第一能量分光片5、第二能量分光片6反射，再由第二光谱分光片11分光后进入第二信号光接收14，通过光纤经信号通道2接入通信测试板。如果被测设备与测试设备仍能建立正常通信，则可判定被测设备能够捕获跟瞄由测试设备造成的误差区域。

本发明设计要求包括：

具备1550±15nm信号光发射、信号光接收；

收发波长：信号光1：1545nm±0.2nm、信号光2：1560nm±0.2nm；

收发同轴度优于2μrad；

有效口径≥200mm、离轴双反系统；

探测接收视场≥5mrad；

信号光发散角20μrad；信号光接收视场≥30μrad；

探测角分辨率优于10μrad；

组合焦距≥1m，组合面形优于λ/15；

具备激光通讯光学验收标校功能；

ingaas面阵相机；

最大帧速≥100hz(全幅)；

量子效率大于等于75％@1550nm；

响应谱段900nm-1700nm；

配合调节支架进行轻量化设计，总重小于60kg；

尺寸包络(不含支架)不大于0.8m×0.8m×1m；

环境温度：实验室或厂房环境温度20±5℃；

信号光发射接口：fc/apc，单模(9μm)；

信号光接收接口：fc/pc，单模(9μm)。

综上，上述实施例对空间激光通信检测装置及方法的不同构型进行了详细说明，当然，本发明包括但不局限于上述实施中所列举的构型，任何在上述实施例提供的构型基础上进行变换的内容，均属于本发明所保护的范围。本领域技术人员可以根据上述实施例的内容举一反三。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。