專利名稱：激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自由空間激光通信，特別是一種用于相干激光通信終端地面檢測驗(yàn)證 的激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，主要用于在全物理模擬信道條件下對相干及非相 干激光通信終端的瞄準(zhǔn)/捕獲/跟蹤性能和通信性能的測試。
背景技術(shù)：
自由空間激光通信的主要數(shù)據(jù)傳輸信道為低軌衛(wèi)星(Low Earth 0rbit_LE0)-地 球同步衛(wèi)星(Geo Synchronous Orbit-GEO)、GEO-GEO、GEO-光學(xué)地面站。采用相干激光通 信體制是目前解決衛(wèi)星之間數(shù)據(jù)傳輸瓶頸主要技術(shù)手段之一，但由于衛(wèi)星激光通信的特殊 性和復(fù)雜性，衛(wèi)星激光通信終端在進(jìn)行在軌飛行之前必須在地面進(jìn)行一系列的檢測驗(yàn)證， 以保障在軌的正常工作。在 先技術(shù)(Tetsuya Miyazaki, Keizo Inagaki and Masayuki Fujise, Multigigabit optical transmission experiment through a free-space simulator. Proc. of SPIE，Vol. 2123，1994，56-65)描述的自由空間激光傳輸模擬器只能模擬小于 3000km的傳輸距離，并且不適用于相干激光通信終端性能的測試。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)不能對相干激光通信終端測試的不足，提供 一種激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，該裝置提供實(shí)際激光數(shù)據(jù)傳輸信道的全物理模 擬環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對激光相干和非相干通信終端的瞄準(zhǔn)/捕獲/跟蹤性能和通信性能的測試，對 相干激光通信終端的研制和發(fā)展有很大的應(yīng)用前景。本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思是基于光學(xué)傅立葉變換和級(jí)聯(lián)的中心采樣4_f光學(xué)成像放大 的原理實(shí)現(xiàn)光束無附加二次相位因子的自由空間遠(yuǎn)距離傳輸模擬，采用自由空間2X4光 學(xué)90°橋接器進(jìn)行相干探測，實(shí)現(xiàn)對相干激光通信終端通信性能的測試，采用位置探測器 對激光通信終端瞄準(zhǔn)/捕獲/跟蹤性能的測試。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，特征在于其構(gòu)成包括長焦距傅立葉變 換主鏡、分光平板、孔徑光闌、級(jí)聯(lián)中心采樣4_f光學(xué)成像放大器、采樣小孔、擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡、 自由空間2X4光學(xué)90°橋接器、本振激光光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)1、高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路、 第一轉(zhuǎn)像目鏡、分光棱鏡、第二轉(zhuǎn)像目鏡、測試用激光光源、準(zhǔn)直系統(tǒng)2、位置探測器組成。所述的級(jí)聯(lián)中心采樣4_f光學(xué)成像放大器的入瞳面和傅立葉變換主鏡的后焦面 重合，出瞳面和采樣小孔(4)所在平面重合，擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)的入瞳和采樣小孔(4)所在平 面重合。所述的級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器是由N個(gè)雙透鏡組成的中心采樣4-f光 學(xué)成像放大器級(jí)聯(lián)組成，放大倍率M = MiXM2X. . . XMN，其中Mi，M2，. . . MN分別為第一級(jí)、第二級(jí)，...第財(cái)及中心采樣44光學(xué)成像放大器的放大倍率，滿足^%=-|^，、和^分別
為第N級(jí)光學(xué)成像放大器的物鏡和目鏡的焦距；第N-1級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器的 出瞳與第N級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器的入瞳重合，在每一級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像 放大器的入瞳放置合適大小的小孔光闌起濾波作用。所述的第一轉(zhuǎn)像目鏡和第二轉(zhuǎn)像目鏡組成1 1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)，位置探測器的光敏面 和第二轉(zhuǎn)像目鏡的后焦面重合。所述的自由空間2X4光學(xué)90°橋接器(6)用來將被測激光通信終端的信號(hào)光和 本振光進(jìn)行合束后進(jìn)行相干探測。本發(fā)明的技術(shù)效果本發(fā)明激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，利用光學(xué)傅立葉變換和級(jí)聯(lián)的中心 采樣4-f光學(xué)成像放大的原理實(shí)現(xiàn)光束無附加二次相位因子的自由空間遠(yuǎn)距離傳輸模擬， 采用自由空間2X4光學(xué)90°橋接器進(jìn)行相干探測，實(shí)現(xiàn)對相干激光通信終端通信性能的 測試，采用位置探測器對激光通信終端瞄準(zhǔn)/捕獲/跟蹤性能的測試。本發(fā)明對于空間激 光通信終端的研制和發(fā)展具有很大的應(yīng)用價(jià)值。


圖1為本發(fā)明激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置實(shí)施例的光路示意圖。圖2為本發(fā)明的單級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器結(jié)構(gòu)示意圖。圖中1_長焦距傅立葉變換主鏡，2-分光平板，3-級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放 大器，4-采樣小孔，5-擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡，6-自由空間2X4光學(xué)90°橋接器，7-第一轉(zhuǎn)像目鏡， 8-分光棱鏡，9-第一準(zhǔn)直透鏡，10-第二轉(zhuǎn)像目鏡，11-位置探測器，12-測試用激光光源， 13-第一小孔光闌，14-第二準(zhǔn)直透鏡，15-高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路，16-本振激光光源。 3. 1-第二小孔光闌/入瞳面，3. 2-目鏡，3. 3-物鏡，3. 4出瞳面。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請參閱圖1，圖1為本發(fā)明激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置實(shí)施例的光路 示意圖。由圖可見，本發(fā)明激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，構(gòu)成包括長焦距傅立葉 變換主鏡(1)，分光平板(2)，級(jí)聯(lián)中心采樣4-f 光學(xué)成像放大器(3)，采樣小孔(4)，擴(kuò)束望 遠(yuǎn)鏡(5)，自由空間2X4光學(xué)90°橋接器(6)，第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)，分光棱鏡(8)，第一準(zhǔn)直 透鏡(9)，第二轉(zhuǎn)像目鏡(10)，位置探測器(11)，測試用激光光源(12)，第一小孔光闌(13)， 第二準(zhǔn)直透鏡(14)，高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路(15)，本振激光光源(16)。測試用激光光源12經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡(9)準(zhǔn)直后，依次透過分光棱鏡(8)，第一轉(zhuǎn)像 目鏡(7)后經(jīng)分光平板(2)反射，長焦距傅立葉變換主鏡(1)后為平行光出射，照亮被測激 光通信終端。激光通信終端接收到測試裝置的激光后，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，同時(shí)發(fā)射信號(hào)激光經(jīng) 長焦距傅立葉變換主鏡1后，由分光平板2分為兩路透射光路和反射光路，所述的透射光 路經(jīng)級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)，采樣小孔(4)，然后由擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后和本振激光光源(16)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入自由空間2X4光學(xué)90°橋接器(6)，然 后由高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路(15)接收即可進(jìn)行相干激光通信終端通信性能的測試。 反射光路經(jīng)過第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)后變?yōu)橹欣^平行光束，經(jīng)分光棱鏡(8)反射后，由第二轉(zhuǎn)像 目鏡(10)會(huì)聚在位置探測器(14)的光敏面上，用來進(jìn)行位置誤差的探測。圖2為本發(fā)明的單級(jí)中心采樣4_f光學(xué)成像放大器結(jié)構(gòu)示意圖。它由兩個(gè)焦距 為的目鏡3. 2和f2的物鏡3. 3組成，透鏡的后焦面和f2透鏡的前焦面重合，放大倍數(shù)
# = 。中心采樣4-f光學(xué)成像放大器不僅對輸入光場有放大作用，而且不產(chǎn)生額外的相
位二次項(xiàng)，在入瞳面放置小孔光闌3. 1可對光場進(jìn)行中心采樣，以防止雜散光的干擾。假設(shè)被測激光通信終端的口徑為①，采樣小孔(4)的直徑為d，長焦距傅立葉變換 主鏡(1)的焦距為f，級(jí)聯(lián)中心采樣4-f 光學(xué)成像放大器(3)的放大倍率為M，那么激光相 干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬裝置摸擬的傳輸距離L為L = M X fX —
d假設(shè)中繼光束的直徑為<p，則擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)的放大倍數(shù)3為
<p
B =-P d下面是本發(fā)明裝置一個(gè)具體實(shí)施例的參數(shù)假設(shè)激光通信鏈路是高軌衛(wèi)星和低軌衛(wèi)星之間，星間距離為45000km，被測激光通 信終端口徑都為①150mm,激光發(fā)散度為20 u rad,跟瞄精度為1 y rad,通信體制為零差相 干探測。為了兼顧加工難度和跟瞄檢驗(yàn)精度，選擇長焦距傅立葉變換主鏡(1)的通光口徑 為300mm，焦距10m。根據(jù)鏈路距離可以推算出級(jí)聯(lián)中心采樣4_f光學(xué)成像放大器(3)的放 大倍率M = 3000，選擇放大級(jí)數(shù)為三級(jí)，第一級(jí)、第二級(jí)和第三級(jí)的放大倍率分別為30X、 10X、10X。每一級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器的入瞳直徑和出瞳直徑均為1mm和10mm。 第一采樣小孔(4)直徑為0. 1mm。被測激光通信終端發(fā)射的光束經(jīng)過長焦距傅立葉變換主 鏡(1)后，在其焦面上為直徑為0. 2mm的遠(yuǎn)場分布，經(jīng)過級(jí)聯(lián)中心采樣4-f 光學(xué)成像放大器 (3)放大后為直徑為600mm的遠(yuǎn)場光斑，假設(shè)中繼光束的直徑為2mm，那么擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)的放大倍數(shù)為3 = 20。通過改變級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)的放大倍率和采樣小孔(4)的直 徑，可以獲得不同鏈路距離條件下通信誤碼率的測試，也可以用于固定誤碼率條件下激光 通信終端作用距離的測試。經(jīng)試驗(yàn)表明，本發(fā)明裝置可以在實(shí)驗(yàn)室有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)對相干激光通信終端和 非相干激光通信終端的通信性能和光跟瞄性能進(jìn)行檢測，對于空間激光通信終端的研制和 發(fā)展具有很大的應(yīng)用價(jià)值。
權(quán)利要求
一種激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，特征在于其構(gòu)成包括長焦距傅立葉變換主鏡(1)，在該長焦距傅立葉變換主鏡(1)的光軸上依次是分光平板(2)、級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)、采樣小孔(4)、擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)、自由空間2×4光學(xué)90°橋接器(6)和高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路(15)，在所述的分光平板(2)的反射光路上依次是第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)、分光棱鏡(8)、第一準(zhǔn)直透鏡(9)和測試用激光光源(12)，在所述的分光棱鏡(8)的反射光方向依次是第二轉(zhuǎn)像目鏡(10)和位置探測器(11)，在所述的自由空間2×4光學(xué)90°橋接器(6)的另一輸入光路依次由本振激光光源(16)、第二準(zhǔn)直透鏡(14)和第一小孔光闌(13)，本發(fā)明激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，構(gòu)成包括長焦距傅立葉變換主鏡(1)，分光平板(2)，級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)，采樣小孔(4)，擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)，自由空間2×4光學(xué)90°橋接器(6)，第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)，分光棱鏡(8)，第一準(zhǔn)直透鏡(9)，第二轉(zhuǎn)像目鏡(10)，位置探測器(11)，測試用激光光源(12)，第一小孔光闌(13)，第二準(zhǔn)直透鏡(14)，高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路(15)，本振激光光源(16)，測試用激光光源(12)經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡(9)準(zhǔn)直后，依次經(jīng)過分光棱鏡(8)，第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)，分光平板(2)和長焦距傅立葉變換主鏡(1)后為平行光出射，照亮被測激光通信終端。激光通信終端接收到測試裝置的激光后，進(jìn)入跟蹤狀態(tài)，同時(shí)發(fā)射信號(hào)激光經(jīng)長焦距傅立葉變換主鏡(1)后，由分光平板(2)分為兩束透射光束和反射光束，透射光束經(jīng)級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)，采樣小孔(4)，然后由擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡(5)進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后和本振激光光源(16)準(zhǔn)直后的光束進(jìn)入自由空間2×4光學(xué)90°橋接器(6)，然后由高速光信號(hào)解調(diào)和鎖相電路(15)接收，進(jìn)行相干激光通信終端通信性能的測試，所述的反射光束經(jīng)過第一轉(zhuǎn)像目鏡(7)后變?yōu)橹欣^平行光束，經(jīng)分光棱鏡(8)反射后，由第二轉(zhuǎn)像目鏡(10)會(huì)聚在位置探測器(14)的光敏面上，用來進(jìn)行位置誤差的探測，圖2為本發(fā)明的單級(jí)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器結(jié)構(gòu)示意圖，它由兩個(gè)焦距為f1和f2單透鏡組成，f1透鏡(3.2)的后焦面和f2透鏡(3.3的前焦面重合，放大倍數(shù)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器不僅對輸入光束有放大作用，而且不產(chǎn)生額外的相位二次項(xiàng)，在入瞳面放置第二小孔光闌(3.1)可對光束進(jìn)行中心采樣，以防止雜散光的干擾，假設(shè)被測激光通信終端的口徑為Φ，采樣小孔(4)的直徑為d，長焦距傅立葉變換主鏡(1)的焦距為f，級(jí)聯(lián)中心采樣4-f光學(xué)成像放大器(3)的放大倍率為M，那么激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬裝置摸擬的傳輸距離L為FSA00000164708100021.tif,FSA00000164708100022.tif
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，其特征在于所述的第 一轉(zhuǎn)像目鏡(7)和第二轉(zhuǎn)像目鏡(10)組成1 1轉(zhuǎn)像系統(tǒng)或者1 N轉(zhuǎn)像系統(tǒng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，其特征在于所述的自 由空間2X4光學(xué)90°橋接器(6)用來將被測激光通信終端的信號(hào)光和本振激光進(jìn)行合束 后進(jìn)行相干探測，其結(jié)構(gòu)為自由空間、或光纖、或波導(dǎo)，其端口為2X4、或2X2、或2X6。
全文摘要
一種激光相干數(shù)據(jù)傳輸信道模擬測試裝置，該裝置利用長焦距傅立葉變換主鏡實(shí)現(xiàn)光學(xué)傅立葉遠(yuǎn)場變換、多級(jí)級(jí)聯(lián)的中心采樣4-f光學(xué)成像放大和比例縮小的原理實(shí)現(xiàn)全物理模擬激光遠(yuǎn)距離傳輸，并采用自由空間2×4光學(xué)90°橋接器將被測激光通信終端發(fā)射的信號(hào)光和本振激光進(jìn)行合成后進(jìn)行相干探測，實(shí)現(xiàn)對相干激光通信終端通信性能的測試，同時(shí)也可以對激光通信終端的光跟瞄性能進(jìn)行測試。本裝置采用一體化設(shè)計(jì)、模塊化組裝技術(shù)，具有結(jié)構(gòu)簡單、可擴(kuò)展性強(qiáng)的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)H04B10/12GK101873181SQ20101020129
公開日2010年10月27日 申請日期2010年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月13日
發(fā)明者劉立人, 孫建鋒, 戴恩文, 閆愛民, 魯偉 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所