多功能空間激光通信地面測試系統及靜態參數測試方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及空間激光通信領域，特別是涉及一種多功能空間激光通信地面測試系 統及靜態參數測試方法。
【背景技術】
[0002] 空間激光通信系統作為一種有效載荷，無論是在研制完成后，還是在發射之前，都 要對其主要的技術指標進行嚴格的測試，這些指標包括動態參數如跟瞄精度、捕獲特性、通 信誤碼率等，以及靜態參數如超前瞄準誤差、遠場分布、光功率、靜態指向誤差等。一般空間 激光通信的距離為幾百公里至幾十萬公里，甚至更遠，而光端機的孔徑在幾厘米到幾十厘 米，所以，光信號的接收為遠場接收。空間激光通信地面測試可分為系統級別的測試、分系 統或模塊級別的測試以及元件級別的測試。發射端機和接收端機可以統稱為通信端機，簡 稱為端機。發射端機和接收端機共同組成一個相互耦合的系統，而所謂端機級系統測試是 指在實驗室近距離條件下，兩個通信端機整機，直接互相對準，進行捕獲、跟瞄、通信等性能 指標的測試。端機級的系統性能測試的優點是"所見即所得"，即，其測試結果直接代表著被 測光通信系統在軌時的特性，而不需要再用仿真模型，推斷在軌時的性能，是一種與在軌情 形最為接近地面測試方法，系統級別的測試在信道上一定是存在雙向的光信號。
[0003]國內外比較典型的地面驗證與測試系統有：歐空局ESA在SILEX計劃中的地面 支撐測試設備 TTOGSE(Terminal Test Optical Ground Support Equipment)和系統測 試平臺STB(System Test Bed)、日本星間激光通信實驗室開發的驗證系統GOAL(Ground Optical Assistance for LUCE)、日本ART光通信和射頻通信研宄室研宄的自由空間激 光傳輸模擬器、美國噴氣推進實驗室JPL開發了 LTES(Lasercom Test and Evaluation Station)測試系統以及北京大學研制的激光通信遠場特性參數測試系統。
[0004] 上述測試系統都是在近距離實驗室條件下進行的與光信號相關的測試，其最終目 的就是得到端機未來在軌時的特性。無論什么樣的地面驗證與測試系統，欲使其測試結果 等價于實際在軌時的情形，必須滿足光遠場條件，或者模擬遠場條件。在地面，由于大氣的 影響，采用把發射端機和接收端機拉開遠場距離的方法顯然是不現實的，解決的方法有三 種，一種是拆掉光學天線進行測試的方法，由于光束孔徑變小，遠場條件容易得到滿足，如 上文提到的ESA的SILEX計劃就是采用這種方法，該方法后續要進行配套的部件、元件的 測試以及計算機仿真，才能間接得到端機系統在軌時的特性，過程繁冗，無法實現整機的測 試。另一種解決方法是采用長焦距的透鏡進行遠場模擬，這種方法是把端機發出的光束用 一套長焦距的透鏡（實際也可能采用反射式的），在其焦平面上即可得到模擬的遠場光信 號，為了使對方接收端機接收到與其在空間在軌時相對應的光功率，常使用一微孔在焦平 面進行波面取樣，取樣后的光信號傳遞給對方接收端機，微孔的尺寸按比例，對應于空間實 際接收天線的孔徑。這種測試方法雖然是整機的測試，但只是實現了單方向的信號傳輸，而 實際的激光通信系統，需要每一個通信端機必須跟蹤對方的信號，實現雙向鎖定，即，信道 上的光束一定是雙向的。還有一種是模擬遠場的測試方法，這種方法的原理是，由于在光通 信中，光信號的接收是遠場接收，接收天線的孔徑相對于入射波面的曲率非常小，因此，在 接收端機接收孔徑范圍內，入射光信號可以看成是均勻的平行光。根據這一原理，在一些地 面驗證與測試方法當中，比如，跟瞄精度的測試，采用的是一束模擬的平行光束，入射到通 信端機中，以此來模擬對方端機發射的光束。這種方法仍然是屬于單機的測試。
[0005] 上述三種滿足遠場條件的測試方法，或者不是整機的性能測試，或者在信道上僅 存在單向信號，與實際的雙向信號不符，或者只是單個通信端機的測試，尚未實現兩個端機 整機直接對準的系統級的測試。另一方面，目前國內外地面驗證與測試系統，僅僅考慮了光 學遠場的條件，沒有考慮衛星間的相對運動、大氣信道等因素的影響。例如，在星地激光通 信鏈路中，大氣信道對光傳輸的影響是不可避免的。最后，從功能的角度，國內外的地面驗 證系統針對動態指標和靜態指標的測試都是采用兩個分開的獨立的系統，功能相對單一， 無法實現利用一個系統同時完成動態指標和靜態指標多功能的地面測試。
[0006] 被測端機AT和被測端機BT共同組成一個光通信系統，未來在軌時，被測端機AT 和被測端機BT進行光通信。被測端機AT和BT所發射的光束可以是信標光、通信光或跟蹤 光。現有的空間激光通信地面驗證與測試技術，尚未實現在近距離處、端機級別的系統測 試，即近距離的直接端機間對準性能測試，同時，也沒有實現在一個地面驗證與測試系統中 既能測試動態參數，也能測試靜態參數。
【發明內容】
[0007] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種多功能空間激光通信地面測試 系統及靜態參數測試方法，該系統除了能夠實現對動態參數的端機級別的系統測試，還能 進行靜態參數的測試。
[0008] 本發明的技術方案是：
[0009] 一種多功能空間激光通信地面測試系統，該測試系統包括空間激光通信的動態參 數測試模擬平臺和靜態參數測量設備；其中，空間激光通信的動態參數測試模擬平臺包括 A端望遠鏡1、A端分光光路2、A端指向誤差源模擬器3、A端遠場接收模擬器4、A端準直 光路5、A端大氣信道模擬器6、B端背景光模擬器7、AB合束光路8、B端振動-相對運動模 擬器9、B端分光光路10、B端望遠鏡11、B端指向誤差源模擬器12、B端遠場接收模擬器 13、B端準直光路14、B端大氣信道模擬器15、A端背景光模擬器16、BA合束光路17、A端 振動-相對運動模擬器18和計算機CPU 19 ;靜態參數測量設備包括靜態參數測量裝置22 和用于將從被測端機AT出射的光束通過反射進入到靜態參數測量裝置22中的可移動平面 反射鏡23 ;可移動平面反射鏡23置于A端望遠鏡1和A端分光光路2之間；靜態參數測量 裝置22包括第一分光鏡221、第一聚焦透鏡222、相機223、第二分光鏡224、第二聚焦透鏡 225、光電接收元件226、出射激光器227、第三分光鏡228、第三聚焦透鏡229、面陣光電接收 元件2210、平面反射鏡2211、角錐棱鏡2212、遮光板2213、第四聚焦透鏡2214、微孔2215及 準直透鏡2216 ;當可移動平面反射鏡23置于本測試系統的光路中，由被測端機AT出射的 光束通過反射進入到靜態參數測量裝置22,用于進行靜態參數的測試；當可移動平面反射 鏡23移出本測試系統的光路時，用于進行動態參數的端機級別的系統測試；被測端機AT出 射的光束依次經過A端望遠鏡1、A端分光光路2、A端指向誤差源模擬器3、A端遠場接收 模擬器4、A端準直光路5、A端大氣信道模擬器6 ;與來自B端背景光模擬器7的光束經AB 合束光路8合束，再依次經過B端振動-相對運動模擬器9、B端分光光路10和B端望遠鏡 11，被被測端機BT接收后回饋一回饋光束；該回饋光束依次經過B端望遠鏡11、B端指向誤 差源模擬器12、B端遠場接收模擬器13、B端準直光路14、B端大氣信道模擬器15 ;與來自 A端背景光模擬器16的光束經BA合束光路17合束，再依次經過A端振動-相對運動模擬 器18、A端分光光路2和A端望遠鏡1，由被測端機AT接收。
[0010] 上述靜態參數測量設備中：
[0011] 第一聚焦透鏡222、第二聚焦透鏡225和第三聚焦透鏡229均為反射或透射式聚焦 透鏡。
[0012] 第一分光鏡221和第二分光鏡224為部分透射、部分反射型分光鏡，而第三分光鏡 228為二向色分光鏡或偏振分光鏡。
[0013] 相機223為CMOS或CCD相機。
[0014]光電接收元件226可用光電二極管或光電三極管來實現。
[0015] 從微孔2215出射的發散光束經過準直透鏡2216之后，出射平行光束，微孔2215 位于準直透鏡2216的焦點上。微孔2215的孔徑在保證一定透過率的情況下，盡可能小。
[0016] 面陣光電接收元件2210可用面陣(XD相機或CMOS相機來實現。
[0017] 被測端機AT和被測端機BT共同組成一個光通信系統，采用上述多功能空間激光 通信地面測試系統，可實現對該光通信系統的動態參數進行端機級的系統測試，同時也能 對被測端機AT或被測端機BT進行靜態參數的測試。
[0018] 上述多功能空間激光通信地面測試系統在工作時，若將可移動平面反射鏡23置 于本測試系統的光路中，則通過靜態參數測量裝置進行靜態參數的測試；而將可移動平面 反射鏡23移出本測試系統的光路時，則靜態參數測量裝置不工作，而通過空間激光通信的 動態參數測試模擬平臺進行動態參數的端機級別的系統測試。
[0019] 采用上述多功能空間激光通信地面測試系統對被測端機AT進行靜態參數測試的 方法，通過靜態參數測量裝置對被測端機AT進行靜態參數如超前瞄準誤差、靜態指向誤 差、遠場分布和光功率的測試，包括如下步驟：
[0020] 第一步，得到代表出射光束方向的聚焦光斑的位置
[0021] 這一步的光路參見圖7中的虛框部分。這一步需將遮光板2213移出光路。出射 激光器227發射的光束首先進過第四聚焦透鏡2214進行聚焦，第四聚焦透鏡2214可用顯 微物鏡來實現；在第四聚焦透鏡2214焦點處放置一微孔2215,微孔的孔徑在保證一定透過 率的情況下，盡可能小，從微孔出射的發散光束經過準直透鏡2216之后，出射平行光束，微 孔位于準直透鏡2216的焦點上；平行光束經過第三分光鏡228之后，大部分光反射，一小部 分光透射；透射的小部分光經過角錐棱鏡2212之后，原路返回，經過第三分光鏡228的反射 及第三聚焦透鏡（反射或透射式）229之后，照射到面陣光電接收元件2210上形成聚焦光 斑，經過面陣光電接收元件2210光電轉換，可以得到光斑在面陣光電接收元件2210上的位 置，經過對面陣光電接收元件2210標定后，該位置代表了出射光的方向，面陣光電接收元 件2210可用面陣CCD相機或CMOS相機來實現；反射的大部分光，進入到下面的第二步；
[0022] 第二步，得到來自于被測端機AT的平行光束
[0023] 這一步的光路參見圖8中的虛框部分；上述經過第三分光鏡228反射的大部分光， 照射到平面反射鏡2211上，從平面反射鏡2211反射，順次經過第二分光光路224及第一分 光鏡221后，入射到被測端機AT中，作為被測端機AT的接收光束，被測端機利用其精瞄光 電傳感器對入射光束的方向進行探測，確定光束的方向，回饋一平行光束，