专利名称：空间激光通信运动双终端远距离传输模拟装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及卫星激光通信，特别是一种空间激光通信运动双终端远距离传输模拟装置。该装置可在实验室实现两个被测通信终端的相互远场运动，可应用于卫星激光通信终端的捕获、跟瞄和通信性能的检测与验证。
背景技术：
卫星激光通信包括卫星之间，卫星和其它飞行体之间，卫星和地面之间等等的自由空间激光通信。为了保持两个相对运动着的激光通信终端之间的稳定的通信链路，一个激光通信终端必须包含激光通信和光学捕获跟瞄两大分系统。卫星激光通信的作用距离为数百至数万公里，因此不可能在空间直接完成激光通信终端的性能检测和验证，所以激光通信终端的捕获跟瞄性能和通信性能的检测和验证评估必须在地面和实验室内进行。
国外的卫星激光通信终端的研制单位在实验室都采用平行光管的手段和半物理半仿真的方法检测和验证激光通信终端的性能，平行光管用于发射一个检验被测激光通信终端的波面或者用于接收被测激光通信终端的发射光束(见1.B.Laurent and G.Planche，“Silex overview after flightterminals campaign”，Proc.SPIE，Vol.2990，pp.10-22，1997)，这种方案可以单独检验一个激光通信终端。但是，至今还没有对两个被测激光通信终端进行相互直接对接而实施跟瞄和通信性能的检测验证的方法。主要原因是还没有一种光学方法可以在实验室空间尺度下模拟实现光束从近场分布到远场分布的转换，而且是双向的，并且能够同时模拟卫星的远场。在实践中两个卫星激光通信终端都一定处于对方的光学远场区域内，而且除了本身的转动外终端的相互平动才能产生光跟踪的误差信号。
发明内容
本发明要解决的技术问题是基于光学傅立叶变换和光学成像放大的原理实现光束的近场分布向远场分布的转换，提出一种空间激光通信运动双终端远距离传输模拟装置。它利用空间双通道的结构实现光束的独立的正、逆双向传播，同时提出在傅立叶空间频率谱面进行双反射镜双通道角度扫描的原理实现激光通信终端的相对平移，从而可以在实验室空间采用光学模拟实现两个被测激光通信终端的相互远场运动，进而进行光学捕获、跟瞄和远距离激光通信的检测和验证。本装置的结构简单，原理可靠。
本发明的技术解决方案如下一种空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，特征在于其构成包括第一被测激光通信终端和第二被测激光通信终端，第一被测激光通信终端发射波长为λ1的激光光束先经第一傅立叶透镜，透过第一波分透反镜，通过第一光学成像放大系统，由扫描双面反射镜的第一反射面反射，第一反射镜反射，通过第二光学成像放大系统，第二反射镜反射到第二波分透反镜，经第二波分透反镜反射后的光束再通过第二傅立叶透镜抵达第二被测激光通信终端；第二被测激光通信终端发射激光波长为λ2的光束先通过第二傅立叶透镜，透过第二波分透反镜，通过第三光学成像放大系统，由扫描双面反射镜的第二反射面反射，经第三反射镜反射，通过第四光学成像放大系统，再由第四反射镜反射到第一波分透反镜，经第一波分透反镜反射后的光束再通过第一傅立叶透镜抵达第一被测激光通信终端；所述的第一波分透反镜对波长为λ1的激光高透，对波长为λ2激光高反，所述的第二波分透反镜对波长为λ1的激光高反，对波长为λ2激光高透；第一反射镜和第二反射镜对于λ1光束高反，第三反射镜和第四反射镜对于λ2光束高反；
扫描双面反射镜的第一反射镜面对于λ1光束高反，第二反射镜面对于λ2光束高反；第一傅立叶透镜的焦面位于第一光学成像放大系统的物面上，第二傅立叶透镜的焦面位于第三光学成像放大系统的物面上；第一光学成像放大系统的像面位于第二光学成像放大系统的物面上；第三光学成像放大系统的像面位于第四光学成像放大系统的物面上；所述的扫描双面反射镜处于第一光学成像放大系统的像面上和第三光学成像放大系统的像面上。
所述的第一波分透反射镜放在第一傅立叶透镜之前，相应的第二波分透反射镜放在第二傅立叶透镜之后。
所述的第二光学成像放大系统的像面位于第二被测激光通信终端之前。
所述的第四光学成像放大系统的像面位于第一被测激光通信终端之前。
所述的第一光学成像放大系统、第二光学成像放大系统、第三光学成像放大系统和第四光学成像放大系统由多级的单透镜成像放大器组成，或单透镜的单级光学成像放大器，或无透镜。
所述的扫描双面反射镜可绕正交两个转动轴转动，双面高反，可采用二维电动的精密调整架，也可采用电机或其他驱动器驱动拨杆旋转双面发射镜以实现二维的角度偏转。
所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于还有一小孔接收系统，它由小孔光阑、会聚透镜和光电探测器组成。
本发明的技术效果本发明通过光学傅立叶变换加级联光学成像放大的方法实现了光束的远距离传输模拟，在空间频谱面采用双面反射镜进行双通道角度扫描实现了卫星终端的轨道平移相对运动模拟，这样可以在实验室有限的空间内保证两个卫星激光通信终端都一定处于对方的光学远场区域，并产生相互的平动以模拟卫星的相互运动，本发明可应用于卫星激光通信终端的光学捕获跟瞄性能和通信性能的实验室检测与验证，对于空间激光通信终端的研制和发展具有很大的应用价值。
图1为本发明系统总体光路示意2为本发明小孔接收装置的结构示意中1.1-第一被测激光通信终端，1.2-第一傅立叶透镜，1.3-第一波分透反镜，1.4-第一光学成像放大系统，1.5-扫描双面反射镜，1.6-第一反射镜，1.7-第二光学成像放大系统，1.8-第二反射镜，1.9-第二波分透反镜，1.10-第二傅立叶透镜，1.11-第二被测激光通信终端，1.12-第三光学成像放大系统，1.13-第三反射镜，1.14-第四光学成像放大系统，1.15-第四反射镜。2.1-小孔，2.2-会聚透镜，2.3-光电探测器。
具体实施例方式
本发明的原理图见图1的系统总体光路示意图第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束先通过第一傅立叶透镜1.2，再通过第一波分透反射镜1.3，再通过第一光学成像放大系统1.4，再由扫描双面反射镜1.5反射，再由第一反射镜1.6反射，再通过第二光学成像放大系统1.7，再由第二反射镜1.8反射到第二波分透反射镜1.9，经过反射后的光束再通过第二傅立叶透镜1.10抵达第二被测激光通信终端1.11；第二被测激光通信终端1.11发射的激光光束先通过第二傅立叶透镜1.10，再通过第二波分透反射镜1.9，再通过第三光学成像放大系统1.12，再由扫描双面反射镜1.5反射，再由第三反射镜1.13反射，再通过第四光学成像放大系统1.14，再由第四反射镜1.15反射到第一波分透反射镜1.3，经过反射后的光束再通过第一傅立叶透镜1.2抵达第一被测激光通信终端1.1。
第一波分透反镜1.3可以放在第一傅立叶透镜1.2之前，即，第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束先通过第一波分透反镜1.3再通过第一傅立叶透镜1.2。同样，第二波分透反镜1.9可以放在第二傅立叶透镜1.10之后，即，第二被测激光通信终端1.11发射的激光光束先通过第二波分透反镜1.9再通过第二傅立叶透镜1.10。
假设第一被测激光通信终端1.1发射口径上的激光光束分布为a1(x，y)，波长为λ1；第二被测激光通信终端1.11发射口径上的激光光束分布为a2(x，y)，波长为λ2。第一波分透反镜1.3对于λ1光束通光而对于λ2光束反射，第二波分透反镜1.9对于λ2光束通光而对于λ1光束反射。第一反射镜1.6和第二反射镜1.8对于λ1光束反射，第三反射镜1.13和第四反射镜1.15对于λ2光束反射，扫描双面反射镜1.5的第一镜面对于λ1光束反射，而第二镜面对于λ2光束反射。
第一被测激光通信终端1.1发射孔径上的激光光束a1(x，y)首先通过第一傅立叶透镜1.2进行傅立叶远场变换，第一傅立叶透镜1.2的焦距为f1，发射孔径与傅立叶透镜的距离为l1。第一傅立叶透镜1.2的焦面位于第一光学成像放大系统1.4的物面上，第一光学成像放大系统1.4由多级的单透镜成像放大器组成，总的放大倍数为±M1，其正号表示正像放大，负号表示倒像放大。第一光学成像放大系统1.4的像面位于第二光学成像放大系统1.7的物面上，第二光学成像放大系统1.7由多级的单透镜成像放大器组成，总的放大倍数为±M2，其正号表示正像放大，负号表示倒像放大。第二光学成像放大系统1.7的像面位于第二傅立叶透镜1.10之上。第二傅立叶透镜1.10与第二被测激光通信终端1.11的距离为l2。扫描双面反射镜1.5处于第一光学成像放大系统1.4的像面上。设a1(x，y)的光学傅立叶变换为A1(xλ1f1,yλ1f1),]]>扫描双面反射镜1.5的转动角为Δθ，则在第二光学成像放大系统1.7的像面上将产生第一被测激光通信终端1.1发射的激光光束的放大的和线性相位移的光学傅立叶变换
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为第二光学成像放大系统1.7的最后一级单透镜光学成像放大器的放大倍数，fPi为其透镜的焦距；K为常数。
通过第二傅立叶透镜1.10后的光场为A′′1(x,y)=A′1(x,y)exp(-jπx2+y2λ1f2)---(2)]]>在l1＝f1的条件下令Mpifpi=f2]]>可以补偿A″1(x，y)中存在的相位二次项。
第二傅立叶透镜1.10后的光场将被第二被测激光通信终端1.11的主镜收集，在该主镜的焦面上产生光场A″1(x，y)的光学傅立叶变换，设激光通信终端主镜的焦距为fr2，其孔径函数和傅立叶变换分别为αr2(x，y)和Ar2(xλ1fr2,yλ1fr2).]]>当第二光学成像放大系统1.7的像面上的光斑足够大时，第二被测激光通信终端1.11的主镜焦面上的光斑光强分布为 可见这时第二被测激光通信终端1.11处于第一被测激光通信终端1.1的远场区域，接收光斑尺寸与本身的衍射口径有关；扫描双面反射镜1.5的偏转将导致接收光斑的移动。
第二被测激光通信终端1.11发射孔径上的激光光束a2(x，y)首先通过第二傅立叶透镜1.10进行傅立叶远场变换，第二傅立叶透镜1.10的焦距为f1，第二被测激光通信终端1.11的发射孔径与第二傅立叶透镜1.10的距离为l2。第二傅立叶透镜1.10的焦面位于第三光学成像放大系统1.12的物面上，第三光学成像放大系统1.12由多级的单透镜成像放大器组成，总的放大倍数为±M3，其正号表示正像放大，负号表示倒像放大。第三光学成像放大系统1.12的像面位于第四光学成像放大系统1.14的物面上，第四光学成像放大系统1.14由多级的单透镜成像放大器组成，总的放大倍数为±M4，其正号表示正像放大，负号表示倒像放大。第四光学成像放大系统1.14的像面位于第一傅立叶透镜1.2之上。第一傅立叶透镜1.2与第一被测激光通信终端1.1的距离为l1。扫描双面反射镜1.5处于第三光学成像放大系统1.12的像面上。设a2(x，y)的光学傅立叶变换为A2(xλ2f2,yλ2f2),]]>扫描双面反射镜1.5的转动角为Δθ，则在第四光学成像放大系统1.14的像面上将产生第二被测激光通信终端1.11发射的激光光束的放大的和线性相位移的光学傅立叶变换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为第四光学成像放大系统1.14的最后一级单透镜光学成像放大器的放大倍数，fSi为其透镜的焦距；K为常数。
通过第四傅立叶透镜1.14后的光场为A′′2(x,y)=A′2(x,y)exp(-jπx2+y2λ2f1)---(5)]]>在l2＝f2的条件下令MSifSi=f1]]>可以补偿A″2(x，y)中存在的相位二次项。
第一傅立叶透镜1.2后的光场将被第一被测激光通信终端1.1的主镜收集，在该主镜的焦面上产生光场A″2(x，y)的光学傅立叶变换，设激光通信终端主镜的焦距为fr1，其孔径函数和傅立叶变换分别为ar1(x，y)和Ar1(xλ2fr1,yλ2fr1).]]>当即第四光学成像放大系统1.14的像面上的光斑足够大时，第一被测激光通信终端1.1的主镜焦面上的光斑光强分布为 可见这时第一被测激光通信终端1.1处于第二被测激光通信终端1.11的远场区域，接收光斑尺寸与本身的衍射口径有关；扫描双面反射镜1.5的偏转将导致接收光斑的移动。
扫描双面反射镜1.5的偏转将可以同时产生第一被测激光通信终端1.1的接收光斑尺寸的移动和第二被测激光通信终端1.11的接收光斑尺寸的移动，即可以模拟两个激光通信终端之间的相对运动。
该装置也可以对于一个自由空间激光通信终端进行远距离激光通信检测，如果仍然保持第一被测激光通信终端1.1为被测终端，则第二被测激光通信终端1.11应当被图2所示的小孔接收系统所替代。图2中，从第二傅立叶透镜1.10发出的光束将首先被小孔2.1限制接收口径，再通过会聚透镜2.2集光，然后被光电探测器2.3探测。这时等效传输距离为L=M1M2f1dhdt---(7)]]>其中，dh为小孔的直径，dt为激光通信终端的真实口径的数值。
第一光学成像放大系统1.4，第二光学成像放大系统1.7，第三光学成像放大系统1.12和第四光学成像放大系统1.14可以是单透镜的单级光学成像放大器，也可以是由单级光学成像放大器接联而成的多级光学成像放大器，也可以不用放大器成为放大倍数为+1的直接传递。
如果第n级单级光学成像放大器的透镜的焦距为fni，物距为ln，1i，像距为ln，2i，放大倍数为Mni，则有1ln,1i+1ln,2i=1fni,---(8)]]>Mni=ln,2iln,1i.---(9)]]>该单级光学成像放大器的输入为发散球面波，光斑直径为dn，1i，中心距离为Ln，1i，则其放大后的发散球面波的光斑直径为dn，2i和中心距离为Ln，2i为dn,2i=Mnidn,1i,---(10)]]>Ln,2i=MnifniLn,1ifniMni+Ln,1i≈Mnifni.---(11)]]>在第n级单级光学成像放大器的像面上的上述球面波是第(n+1)级单级光学成像放大器的物面输入。
第n级单级光学成像放大器为了保证不挡光，透镜的最小口径n，mini为 由于扫描双面反射镜的扫描，第n级单级光学成像放大器的输入可能存在偏转角度αni，其产生光斑在透镜上的移动，因此为了保证通光，透镜的最小口径应当修正为n，min′i为
假定第N级单级光学成像放大器是第二光学成像放大系统的第一级，则αNi=2θ,---(14)]]>αN+si=2θMNiMN+1i...MN+s-1i.---(15)]]>因此，每个放大器的透镜口径必须远远大于上述定义的最小口径 第一傅立叶透镜1.2的口径为1第一被测激光通信终端1.1的口径为r，1，第二傅立叶透镜1.10的口径为2第二被测激光通信终端1.11的口径为r，2，为了尽量减少光学傅立叶变换的传递函数的影响应当满足如下条件1＞＞r，1， (13)2＞＞r，2。
(14)下面通过实施例对本发明作进一步说明。
假设激光通信链路是高轨卫星和低轨卫星之间，星间距离为40000km，激光通信终端的口径为φ250mm，主镜焦距为1m，激光发散度为20μrad，跟瞄精度为1μrad。设定检测验证的扫描角度为180mrad(～10°)。
考虑双向光路的对称结构安排第一傅立叶透镜1.2和第二傅立叶透镜1.10的设计完全相同，口径相同(1＝2)，焦距相同(f1＝f2)；第一光学成像放大系统1.4和第三光学成像放大系统1.12均为单级成像放大器，其结构完全相同(M1＝M3)；第二光学成像放大系统1.7和第四光学成像放大系统1.14均为双级成像放大器，其结构完全相同(M2＝M4)。
设计傅立叶透镜的焦距f1＝10m，设计M1＝-20，设计M2＝+400(即-20×-20)，因此等效传输距离f1M1M2＝80km。两个傅立叶透镜的口径设计为1＝2＝φ500mm，远大于激光通信终端的口径，傅立叶透镜的衍射极限为4μrad。
因而，第一级单级成像放大系统1.1的物面上的发散球面波直径为φ0.2mm，第二级单级成像放大系统1.7的物面上的发散球面波直径为φ4mm，第三级单级成像放大系统1.12的物面上的发散球面波直径为φ80mm，第一光学成像放大系统1.1为单级成像放大器，设计焦距为50mm，口径为φ40mm，放大倍数为20。第二级学成像放大系统1.7由两个单级成像放大器组成，前一个单级成像放大器，焦距为50mm，口径为φ40mm，放大倍数为20。后一个单级成像放大器，焦距为500mm，口径为φ250mm，放大倍数为20，其焦距的设计也满足补偿条件。所有的单级成像放大器均满足口径关系。
扫描双面反射镜1.5的偏转对于激光通信终端接收光斑的角度偏转率为5μrad×(Δθ/mrad)，激光通信终端的跟瞄精度相当于反射镜转动0.2mrad。
采用图2的结构进行远距离激光通信性能测试，下表给出了等效传播距离和小孔2.1直径的关系
权利要求
1.一种空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，特征在于其构成包括第一被测激光通信终端(1.1)和第二被测激光通信终端(1.11)，自第一被测激光通信终端(1.1)发射波长为λ1的激光光束先经第一傅立叶透镜(1.2)，透过第一波分透反镜(1.3)，通过第一光学成像放大系统(1.4)，由扫描双面反射镜(1.5)的第一反射面反射，第一反射镜(1.6)反射，通过第二光学成像放大系统(1.7)，第二反射镜(1.8)反射到第二波分透反镜(1.9)，经第二波分透反镜(1.9)反射后的光束再通过第二傅立叶透镜(1.10)抵达第二被测激光通信终端(1.11)；第二被测激光通信终端(1.11)发射激光波长为λ2的光束先通过第二傅立叶透镜(1.10)，透过第二波分透反镜(1.9)，通过第三光学成像放大系统(1.12)，由扫描双面反射镜(1.5)的第二反射面反射，经第三反射镜(1.13)反射，通过第四光学成像放大系统(1.14)，再由第四反射镜(1.15)反射到第一波分透反镜(1.3)，经第一波分透反镜(1.3)反射后的光束再通过第一傅立叶透镜(1.2)抵达第一被测激光通信终端(1.1)；所述的第一波分透反镜(1.3)对波长为λ1的激光高透，对波长为λ2激光高反，所述的第二波分透反射镜(1.9)对波长为λ1的激光高反，对波长为λ2激光高透；第一反射镜(1.6)和第二反射镜(1.8)对于λ1光束高反，第三反射镜(1.13)和第四反射镜(1.15)对于λ2光束高反；扫描双面反射镜(1.5)的第一反射镜面对于λ1光束高反，第二反射镜面对于λ2光束高反；第一傅立叶透镜(1.2)的焦面位于第一光学成像放大系统(1.4)的物面上，第二傅立叶透镜(1.10)的焦面位于第三光学成像放大系统(1.12)的物面上；第一光学成像放大系统(1.4)的像面位于第二光学成像放大系统(1.7)的物面上；第三光学成像放大系统(1.12)的像面位于第四光学成像放大系统(1.14)的物面上；所述的扫描双面反射镜(1.5)处于第一光学成像放大系统(1.4)的像面上和第三光学成像放大系统(1.12)的像面上。
2.根据权利要求1所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于所述的第一波分透反射镜(1.3)放在第一傅立叶透镜(1.2)之前，相应的第二波分透反射镜(1.9)放在第二傅立叶透镜(1.10)之后。
3.根据权利要求1所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于所述的第二光学成像放大系统(1.7)的像面位于第二被测激光通信终端(1.11)之前。
4.根据权利要求1所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于所述的第四光学成像放大系统(1.14)的像面位于第一被测激光通信终端(1.1)之前。
5.根据权利要求1所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于所述的第一光学成像放大系统(1.4)、第二光学成像放大系统(1.7)、第三光学成像放大系统(1.12)和第四光学成像放大系统(1.14)由多级的单透镜成像放大器组成，或单透镜的单级光学成像放大器，或无透镜。
6.根据权利要求1所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于所述的扫描双面反射镜(1.5)具有两个正交偏转轴。
7.根据权利要求1至6任一项所述的空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其特征在于还有一小孔接收系统，它依次由小孔光阑(2.1)、会聚透镜(2.2)和光电探测器(2.3)组成。
全文摘要
一种空间激光通信运动双终端远距离传输的模拟装置，其构成是双通道对称系统第一被测激光通信终端发射波长为λ
文档编号H04B10/08GK1658539SQ20051002320
公开日2005年8月24日 申请日期2005年1月10日 优先权日2005年1月10日
发明者刘立人, 万玲玉, 曲伟娟, 王利娟, 许楠, 栾竹, 刘德安, 周煜 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所