專利名稱：空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸模擬裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及衛星激光通信，特別是一種空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸模擬裝置。該裝置可在實驗室實現兩個被測通信終端的相互遠場運動，可應用于衛星激光通信終端的捕獲、跟瞄和通信性能的檢測與驗證。
背景技術：
衛星激光通信包括衛星之間，衛星和其它飛行體之間，衛星和地面之間等等的自由空間激光通信。為了保持兩個相對運動著的激光通信終端之間的穩定的通信鏈路，一個激光通信終端必須包含激光通信和光學捕獲跟瞄兩大分系統。衛星激光通信的作用距離為數百至數萬公里，因此不可能在空間直接完成激光通信終端的性能檢測和驗證，所以激光通信終端的捕獲跟瞄性能和通信性能的檢測和驗證評估必須在地面和實驗室內進行。
國外的衛星激光通信終端的研制單位在實驗室都采用平行光管的手段和半物理半仿真的方法檢測和驗證激光通信終端的性能，平行光管用于發射一個檢驗被測激光通信終端的波面或者用于接收被測激光通信終端的發射光束(見1.B.Laurent and G.Planche，“Silex overview after flightterminals campaign”，Proc.SPIE，Vol.2990，pp.10-22，1997)，這種方案可以單獨檢驗一個激光通信終端。但是，至今還沒有對兩個被測激光通信終端進行相互直接對接而實施跟瞄和通信性能的檢測驗證的方法。主要原因是還沒有一種光學方法可以在實驗室空間尺度下模擬實現光束從近場分布到遠場分布的轉換，而且是雙向的，并且能夠同時模擬衛星的遠場。在實踐中兩個衛星激光通信終端都一定處于對方的光學遠場區域內，而且除了本身的轉動外終端的相互平動才能產生光跟蹤的誤差信號。
發明內容
本發明要解決的技術問題是基于光學傅立葉變換和光學成像放大的原理實現光束的近場分布向遠場分布的轉換，提出一種空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸模擬裝置。它利用空間雙通道的結構實現光束的獨立的正、逆雙向傳播，同時提出在傅立葉空間頻率譜面進行雙反射鏡雙通道角度掃描的原理實現激光通信終端的相對平移，從而可以在實驗室空間采用光學模擬實現兩個被測激光通信終端的相互遠場運動，進而進行光學捕獲、跟瞄和遠距離激光通信的檢測和驗證。本裝置的結構簡單，原理可靠。
本發明的技術解決方案如下一種空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，特征在于其構成包括第一被測激光通信終端和第二被測激光通信終端，第一被測激光通信終端發射波長為λ1的激光光束先經第一傅立葉透鏡，透過第一波分透反鏡，通過第一光學成像放大系統，由掃描雙面反射鏡的第一反射面反射，第一反射鏡反射，通過第二光學成像放大系統，第二反射鏡反射到第二波分透反鏡，經第二波分透反鏡反射后的光束再通過第二傅立葉透鏡抵達第二被測激光通信終端；第二被測激光通信終端發射激光波長為λ2的光束先通過第二傅立葉透鏡，透過第二波分透反鏡，通過第三光學成像放大系統，由掃描雙面反射鏡的第二反射面反射，經第三反射鏡反射，通過第四光學成像放大系統，再由第四反射鏡反射到第一波分透反鏡，經第一波分透反鏡反射后的光束再通過第一傅立葉透鏡抵達第一被測激光通信終端；所述的第一波分透反鏡對波長為λ1的激光高透，對波長為λ2激光高反，所述的第二波分透反鏡對波長為λ1的激光高反，對波長為λ2激光高透；第一反射鏡和第二反射鏡對于λ1光束高反，第三反射鏡和第四反射鏡對于λ2光束高反；
掃描雙面反射鏡的第一反射鏡面對于λ1光束高反，第二反射鏡面對于λ2光束高反；第一傅立葉透鏡的焦面位于第一光學成像放大系統的物面上，第二傅立葉透鏡的焦面位于第三光學成像放大系統的物面上；第一光學成像放大系統的像面位于第二光學成像放大系統的物面上；第三光學成像放大系統的像面位于第四光學成像放大系統的物面上；所述的掃描雙面反射鏡處于第一光學成像放大系統的像面上和第三光學成像放大系統的像面上。
所述的第一波分透反射鏡放在第一傅立葉透鏡之前，相應的第二波分透反射鏡放在第二傅立葉透鏡之后。
所述的第二光學成像放大系統的像面位于第二被測激光通信終端之前。
所述的第四光學成像放大系統的像面位于第一被測激光通信終端之前。
所述的第一光學成像放大系統、第二光學成像放大系統、第三光學成像放大系統和第四光學成像放大系統由多級的單透鏡成像放大器組成，或單透鏡的單級光學成像放大器，或無透鏡。
所述的掃描雙面反射鏡可繞正交兩個轉動軸轉動，雙面高反，可采用二維電動的精密調整架，也可采用電機或其他驅動器驅動撥桿旋轉雙面發射鏡以實現二維的角度偏轉。
所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于還有一小孔接收系統，它由小孔光闌、會聚透鏡和光電探測器組成。
本發明的技術效果本發明通過光學傅立葉變換加級聯光學成像放大的方法實現了光束的遠距離傳輸模擬，在空間頻譜面采用雙面反射鏡進行雙通道角度掃描實現了衛星終端的軌道平移相對運動模擬，這樣可以在實驗室有限的空間內保證兩個衛星激光通信終端都一定處于對方的光學遠場區域，并產生相互的平動以模擬衛星的相互運動，本發明可應用于衛星激光通信終端的光學捕獲跟瞄性能和通信性能的實驗室檢測與驗證，對于空間激光通信終端的研制和發展具有很大的應用價值。
圖1為本發明系統總體光路示意2為本發明小孔接收裝置的結構示意中1.1-第一被測激光通信終端，1.2-第一傅立葉透鏡，1.3-第一波分透反鏡，1.4-第一光學成像放大系統，1.5-掃描雙面反射鏡，1.6-第一反射鏡，1.7-第二光學成像放大系統，1.8-第二反射鏡，1.9-第二波分透反鏡，1.10-第二傅立葉透鏡，1.11-第二被測激光通信終端，1.12-第三光學成像放大系統，1.13-第三反射鏡，1.14-第四光學成像放大系統，1.15-第四反射鏡。2.1-小孔，2.2-會聚透鏡，2.3-光電探測器。
具體實施例方式
本發明的原理圖見圖1的系統總體光路示意圖第一被測激光通信終端1.1發射的激光光束先通過第一傅立葉透鏡1.2，再通過第一波分透反射鏡1.3，再通過第一光學成像放大系統1.4，再由掃描雙面反射鏡1.5反射，再由第一反射鏡1.6反射，再通過第二光學成像放大系統1.7，再由第二反射鏡1.8反射到第二波分透反射鏡1.9，經過反射后的光束再通過第二傅立葉透鏡1.10抵達第二被測激光通信終端1.11；第二被測激光通信終端1.11發射的激光光束先通過第二傅立葉透鏡1.10，再通過第二波分透反射鏡1.9，再通過第三光學成像放大系統1.12，再由掃描雙面反射鏡1.5反射，再由第三反射鏡1.13反射，再通過第四光學成像放大系統1.14，再由第四反射鏡1.15反射到第一波分透反射鏡1.3，經過反射后的光束再通過第一傅立葉透鏡1.2抵達第一被測激光通信終端1.1。
第一波分透反鏡1.3可以放在第一傅立葉透鏡1.2之前，即，第一被測激光通信終端1.1發射的激光光束先通過第一波分透反鏡1.3再通過第一傅立葉透鏡1.2。同樣，第二波分透反鏡1.9可以放在第二傅立葉透鏡1.10之后，即，第二被測激光通信終端1.11發射的激光光束先通過第二波分透反鏡1.9再通過第二傅立葉透鏡1.10。
假設第一被測激光通信終端1.1發射口徑上的激光光束分布為a1(x，y)，波長為λ1；第二被測激光通信終端1.11發射口徑上的激光光束分布為a2(x，y)，波長為λ2。第一波分透反鏡1.3對于λ1光束通光而對于λ2光束反射，第二波分透反鏡1.9對于λ2光束通光而對于λ1光束反射。第一反射鏡1.6和第二反射鏡1.8對于λ1光束反射，第三反射鏡1.13和第四反射鏡1.15對于λ2光束反射，掃描雙面反射鏡1.5的第一鏡面對于λ1光束反射，而第二鏡面對于λ2光束反射。
第一被測激光通信終端1.1發射孔徑上的激光光束a1(x，y)首先通過第一傅立葉透鏡1.2進行傅立葉遠場變換，第一傅立葉透鏡1.2的焦距為f1，發射孔徑與傅立葉透鏡的距離為l1。第一傅立葉透鏡1.2的焦面位于第一光學成像放大系統1.4的物面上，第一光學成像放大系統1.4由多級的單透鏡成像放大器組成，總的放大倍數為±M1，其正號表示正像放大，負號表示倒像放大。第一光學成像放大系統1.4的像面位于第二光學成像放大系統1.7的物面上，第二光學成像放大系統1.7由多級的單透鏡成像放大器組成，總的放大倍數為±M2，其正號表示正像放大，負號表示倒像放大。第二光學成像放大系統1.7的像面位于第二傅立葉透鏡1.10之上。第二傅立葉透鏡1.10與第二被測激光通信終端1.11的距離為l2。掃描雙面反射鏡1.5處于第一光學成像放大系統1.4的像面上。設a1(x，y)的光學傅立葉變換為A1(xλ1f1,yλ1f1),]]>掃描雙面反射鏡1.5的轉動角為Δθ，則在第二光學成像放大系統1.7的像面上將產生第一被測激光通信終端1.1發射的激光光束的放大的和線性相位移的光學傅立葉變換
A′1(x,y)=KA1[x(±M1)(±M2)λ1f1,y(±M1)(±M2)λ1f1]]]>×exp[jπ(1-l1f1)x2+y2(M1M2)2λ1f1]exp[±j2πxsin(2Δθ)λ1(M2)]exp(jπx2+y2λ1MPifPi)---(1)]]>其中MPi為第二光學成像放大系統1.7的最后一級單透鏡光學成像放大器的放大倍數，fPi為其透鏡的焦距；K為常數。
通過第二傅立葉透鏡1.10后的光場為A′′1(x,y)=A′1(x,y)exp(-jπx2+y2λ1f2)---(2)]]>在l1＝f1的條件下令Mpifpi=f2]]>可以補償A″1(x，y)中存在的相位二次項。
第二傅立葉透鏡1.10后的光場將被第二被測激光通信終端1.11的主鏡收集，在該主鏡的焦面上產生光場A″1(x，y)的光學傅立葉變換，設激光通信終端主鏡的焦距為fr2，其孔徑函數和傅立葉變換分別為αr2(x，y)和Ar2(xλ1fr2,yλ1fr2).]]>當第二光學成像放大系統1.7的像面上的光斑足夠大時，第二被測激光通信終端1.11的主鏡焦面上的光斑光強分布為 可見這時第二被測激光通信終端1.11處于第一被測激光通信終端1.1的遠場區域，接收光斑尺寸與本身的衍射口徑有關；掃描雙面反射鏡1.5的偏轉將導致接收光斑的移動。
第二被測激光通信終端1.11發射孔徑上的激光光束a2(x，y)首先通過第二傅立葉透鏡1.10進行傅立葉遠場變換，第二傅立葉透鏡1.10的焦距為f1，第二被測激光通信終端1.11的發射孔徑與第二傅立葉透鏡1.10的距離為l2。第二傅立葉透鏡1.10的焦面位于第三光學成像放大系統1.12的物面上，第三光學成像放大系統1.12由多級的單透鏡成像放大器組成，總的放大倍數為±M3，其正號表示正像放大，負號表示倒像放大。第三光學成像放大系統1.12的像面位于第四光學成像放大系統1.14的物面上，第四光學成像放大系統1.14由多級的單透鏡成像放大器組成，總的放大倍數為±M4，其正號表示正像放大，負號表示倒像放大。第四光學成像放大系統1.14的像面位于第一傅立葉透鏡1.2之上。第一傅立葉透鏡1.2與第一被測激光通信終端1.1的距離為l1。掃描雙面反射鏡1.5處于第三光學成像放大系統1.12的像面上。設a2(x，y)的光學傅立葉變換為A2(xλ2f2,yλ2f2),]]>掃描雙面反射鏡1.5的轉動角為Δθ，則在第四光學成像放大系統1.14的像面上將產生第二被測激光通信終端1.11發射的激光光束的放大的和線性相位移的光學傅立葉變換A′2(x,y)=KA2[x(±M3)(±M4)λ2f2,y(±M3)(±M4)λ2f2]]]>×exp[jπ(1-l2f2)x2+y2(M3M4)2λ2f2]exp[±j2πxsin(2Δθ)λ2(M4)]exp(jπx2+y2λ2MSifSi)---(4)]]>其中MSi為第四光學成像放大系統1.14的最后一級單透鏡光學成像放大器的放大倍數，fSi為其透鏡的焦距；K為常數。
通過第四傅立葉透鏡1.14后的光場為A′′2(x,y)=A′2(x,y)exp(-jπx2+y2λ2f1)---(5)]]>在l2＝f2的條件下令MSifSi=f1]]>可以補償A″2(x，y)中存在的相位二次項。
第一傅立葉透鏡1.2后的光場將被第一被測激光通信終端1.1的主鏡收集，在該主鏡的焦面上產生光場A″2(x，y)的光學傅立葉變換，設激光通信終端主鏡的焦距為fr1，其孔徑函數和傅立葉變換分別為ar1(x，y)和Ar1(xλ2fr1,yλ2fr1).]]>當即第四光學成像放大系統1.14的像面上的光斑足夠大時，第一被測激光通信終端1.1的主鏡焦面上的光斑光強分布為 可見這時第一被測激光通信終端1.1處于第二被測激光通信終端1.11的遠場區域，接收光斑尺寸與本身的衍射口徑有關；掃描雙面反射鏡1.5的偏轉將導致接收光斑的移動。
掃描雙面反射鏡1.5的偏轉將可以同時產生第一被測激光通信終端1.1的接收光斑尺寸的移動和第二被測激光通信終端1.11的接收光斑尺寸的移動，即可以模擬兩個激光通信終端之間的相對運動。
該裝置也可以對于一個自由空間激光通信終端進行遠距離激光通信檢測，如果仍然保持第一被測激光通信終端1.1為被測終端，則第二被測激光通信終端1.11應當被圖2所示的小孔接收系統所替代。圖2中，從第二傅立葉透鏡1.10發出的光束將首先被小孔2.1限制接收口徑，再通過會聚透鏡2.2集光，然后被光電探測器2.3探測。這時等效傳輸距離為L=M1M2f1dhdt---(7)]]>其中，dh為小孔的直徑，dt為激光通信終端的真實口徑的數值。
第一光學成像放大系統1.4，第二光學成像放大系統1.7，第三光學成像放大系統1.12和第四光學成像放大系統1.14可以是單透鏡的單級光學成像放大器，也可以是由單級光學成像放大器接聯而成的多級光學成像放大器，也可以不用放大器成為放大倍數為+1的直接傳遞。
如果第n級單級光學成像放大器的透鏡的焦距為fni，物距為ln，1i，像距為ln，2i，放大倍數為Mni，則有1ln,1i+1ln,2i=1fni,---(8)]]>Mni=ln,2iln,1i.---(9)]]>該單級光學成像放大器的輸入為發散球面波，光斑直徑為dn，1i，中心距離為Ln，1i，則其放大后的發散球面波的光斑直徑為dn，2i和中心距離為Ln，2i為dn,2i=Mnidn,1i,---(10)]]>Ln,2i=MnifniLn,1ifniMni+Ln,1i≈Mnifni.---(11)]]>在第n級單級光學成像放大器的像面上的上述球面波是第(n+1)級單級光學成像放大器的物面輸入。
第n級單級光學成像放大器為了保證不擋光，透鏡的最小口徑n，mini為 由于掃描雙面反射鏡的掃描，第n級單級光學成像放大器的輸入可能存在偏轉角度αni，其產生光斑在透鏡上的移動，因此為了保證通光，透鏡的最小口徑應當修正為n，min′i為
假定第N級單級光學成像放大器是第二光學成像放大系統的第一級，則αNi=2θ,---(14)]]>αN+si=2θMNiMN+1i...MN+s-1i.---(15)]]>因此，每個放大器的透鏡口徑必須遠遠大于上述定義的最小口徑 第一傅立葉透鏡1.2的口徑為1第一被測激光通信終端1.1的口徑為r，1，第二傅立葉透鏡1.10的口徑為2第二被測激光通信終端1.11的口徑為r，2，為了盡量減少光學傅立葉變換的傳遞函數的影響應當滿足如下條件1＞＞r，1， (13)2＞＞r，2。
(14)下面通過實施例對本發明作進一步說明。
假設激光通信鏈路是高軌衛星和低軌衛星之間，星間距離為40000km，激光通信終端的口徑為φ250mm，主鏡焦距為1m，激光發散度為20μrad，跟瞄精度為1μrad。設定檢測驗證的掃描角度為180mrad(～10°)。
考慮雙向光路的對稱結構安排第一傅立葉透鏡1.2和第二傅立葉透鏡1.10的設計完全相同，口徑相同(1＝2)，焦距相同(f1＝f2)；第一光學成像放大系統1.4和第三光學成像放大系統1.12均為單級成像放大器，其結構完全相同(M1＝M3)；第二光學成像放大系統1.7和第四光學成像放大系統1.14均為雙級成像放大器，其結構完全相同(M2＝M4)。
設計傅立葉透鏡的焦距f1＝10m，設計M1＝-20，設計M2＝+400(即-20×-20)，因此等效傳輸距離f1M1M2＝80km。兩個傅立葉透鏡的口徑設計為1＝2＝φ500mm，遠大于激光通信終端的口徑，傅立葉透鏡的衍射極限為4μrad。
因而，第一級單級成像放大系統1.1的物面上的發散球面波直徑為φ0.2mm，第二級單級成像放大系統1.7的物面上的發散球面波直徑為φ4mm，第三級單級成像放大系統1.12的物面上的發散球面波直徑為φ80mm，第一光學成像放大系統1.1為單級成像放大器，設計焦距為50mm，口徑為φ40mm，放大倍數為20。第二級學成像放大系統1.7由兩個單級成像放大器組成，前一個單級成像放大器，焦距為50mm，口徑為φ40mm，放大倍數為20。后一個單級成像放大器，焦距為500mm，口徑為φ250mm，放大倍數為20，其焦距的設計也滿足補償條件。所有的單級成像放大器均滿足口徑關系。
掃描雙面反射鏡1.5的偏轉對于激光通信終端接收光斑的角度偏轉率為5μrad×(Δθ/mrad)，激光通信終端的跟瞄精度相當于反射鏡轉動0.2mrad。
采用圖2的結構進行遠距離激光通信性能測試，下表給出了等效傳播距離和小孔2.1直徑的關系
權利要求
1.一種空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，特征在于其構成包括第一被測激光通信終端(1.1)和第二被測激光通信終端(1.11)，自第一被測激光通信終端(1.1)發射波長為λ1的激光光束先經第一傅立葉透鏡(1.2)，透過第一波分透反鏡(1.3)，通過第一光學成像放大系統(1.4)，由掃描雙面反射鏡(1.5)的第一反射面反射，第一反射鏡(1.6)反射，通過第二光學成像放大系統(1.7)，第二反射鏡(1.8)反射到第二波分透反鏡(1.9)，經第二波分透反鏡(1.9)反射后的光束再通過第二傅立葉透鏡(1.10)抵達第二被測激光通信終端(1.11)；第二被測激光通信終端(1.11)發射激光波長為λ2的光束先通過第二傅立葉透鏡(1.10)，透過第二波分透反鏡(1.9)，通過第三光學成像放大系統(1.12)，由掃描雙面反射鏡(1.5)的第二反射面反射，經第三反射鏡(1.13)反射，通過第四光學成像放大系統(1.14)，再由第四反射鏡(1.15)反射到第一波分透反鏡(1.3)，經第一波分透反鏡(1.3)反射后的光束再通過第一傅立葉透鏡(1.2)抵達第一被測激光通信終端(1.1)；所述的第一波分透反鏡(1.3)對波長為λ1的激光高透，對波長為λ2激光高反，所述的第二波分透反射鏡(1.9)對波長為λ1的激光高反，對波長為λ2激光高透；第一反射鏡(1.6)和第二反射鏡(1.8)對于λ1光束高反，第三反射鏡(1.13)和第四反射鏡(1.15)對于λ2光束高反；掃描雙面反射鏡(1.5)的第一反射鏡面對于λ1光束高反，第二反射鏡面對于λ2光束高反；第一傅立葉透鏡(1.2)的焦面位于第一光學成像放大系統(1.4)的物面上，第二傅立葉透鏡(1.10)的焦面位于第三光學成像放大系統(1.12)的物面上；第一光學成像放大系統(1.4)的像面位于第二光學成像放大系統(1.7)的物面上；第三光學成像放大系統(1.12)的像面位于第四光學成像放大系統(1.14)的物面上；所述的掃描雙面反射鏡(1.5)處于第一光學成像放大系統(1.4)的像面上和第三光學成像放大系統(1.12)的像面上。
2.根據權利要求1所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于所述的第一波分透反射鏡(1.3)放在第一傅立葉透鏡(1.2)之前，相應的第二波分透反射鏡(1.9)放在第二傅立葉透鏡(1.10)之后。
3.根據權利要求1所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于所述的第二光學成像放大系統(1.7)的像面位于第二被測激光通信終端(1.11)之前。
4.根據權利要求1所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于所述的第四光學成像放大系統(1.14)的像面位于第一被測激光通信終端(1.1)之前。
5.根據權利要求1所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于所述的第一光學成像放大系統(1.4)、第二光學成像放大系統(1.7)、第三光學成像放大系統(1.12)和第四光學成像放大系統(1.14)由多級的單透鏡成像放大器組成，或單透鏡的單級光學成像放大器，或無透鏡。
6.根據權利要求1所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于所述的掃描雙面反射鏡(1.5)具有兩個正交偏轉軸。
7.根據權利要求1至6任一項所述的空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其特征在于還有一小孔接收系統，它依次由小孔光闌(2.1)、會聚透鏡(2.2)和光電探測器(2.3)組成。
全文摘要
一種空間激光通信運動雙終端遠距離傳輸的模擬裝置，其構成是雙通道對稱系統第一被測激光通信終端發射波長為λ
文檔編號H04B10/08GK1658539SQ20051002320
公開日2005年8月24日 申請日期2005年1月10日 優先權日2005年1月10日
發明者劉立人, 萬玲玉, 曲偉娟, 王利娟, 許楠, 欒竹, 劉德安, 周煜 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所