基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法。本發(fā)明的光傳輸模擬系統(tǒng)包括縮束望遠(yuǎn)鏡、大氣信道模擬器、背景光模擬器、合束光路、發(fā)射誤差源模擬器、聚焦光路和碳納米管光電探測器；其中，縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成一個等效的傅里葉變換透鏡，在焦平面的位置放置碳納米管光電探測器，進(jìn)行波面取樣，得到入射光束的遠(yuǎn)場分布。本發(fā)明模擬距離將比傳統(tǒng)的采用微孔的模擬方法提高兩個數(shù)量級；考慮了大氣信道、衛(wèi)星平臺的振動、背景光、軌道誤差等多重因素的影響，具有更貼近空間激光通信端機在軌時的情形；可以直接得到電流信號，省去了傳統(tǒng)模擬方法中的光電轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)；響應(yīng)波段寬、響應(yīng)時間短；整體結(jié)構(gòu)簡單，同時精度高。
【專利說明】基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及空間激光通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于碳納米管光電探測器的光傳輸 模擬系統(tǒng)及其模擬方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 空間激光通信端機作為衛(wèi)星的一種有效載荷，無論是在研制完成后，還是在發(fā)射 之前，都要在地面對其主要的技術(shù)指標(biāo)和性能參數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的測試，例如，跟瞄精度、捕獲 特性、通信誤碼率等。通信端機分為發(fā)射端機和接收端機，二者共同組成一個相互耦合的系 統(tǒng)，即空間激光通信系統(tǒng)。對于空間激光通信系統(tǒng)的測試可分為系統(tǒng)級別、端機級別、分系 統(tǒng)級別以及模塊級別。國內(nèi)外比較典型的地面驗證與測試系統(tǒng)有：歐空局ESA在SILEX計 劃中的地面支撐測試設(shè)備 TTOGSE (Terminal Test Optical Ground Support Equipment) 和系統(tǒng)測試平臺STB(System Test Bed)、日本星間激光通信實驗室開發(fā)的驗證系統(tǒng) GOAL (Ground Optical Assistance for LUCE)等。
[0003] 上述測試系統(tǒng)都是在近距離實驗室條件下進(jìn)行的與光信號相關(guān)的測試，其最終目 的就是得到空間激光通信系統(tǒng)未來在軌時的特性。由于實際的光通信的距離很遠(yuǎn)，一般在 幾百公里到幾十萬公里，甚至上億公里，因此，光信號的接收是遠(yuǎn)場接收。在地面，由于大氣 的影響，采用把發(fā)射端機和接收端機拉開遠(yuǎn)場距離的方法顯然是不現(xiàn)實的。因此，對于各種 地面驗證與測試系統(tǒng)，不管是基于什么原理和方法，都要求在滿足遠(yuǎn)場接收條件的情況下， 在近距離處獲得被測端機或系統(tǒng)在軌時的性能。遠(yuǎn)場光傳輸?shù)孛婺M技術(shù)，是地面驗證與 測試系統(tǒng)中最核心的技術(shù)，其含義是在滿足遠(yuǎn)場條件的情況下，接收端機獲得與其在軌時 相對應(yīng)的光信號或電信號，用于端機或系統(tǒng)各種性能指標(biāo)的測試。
[0004] 為了滿足遠(yuǎn)場條件，一種方法是拆掉光學(xué)天線進(jìn)行測試，將光束孔徑變小，從而滿 足遠(yuǎn)場條件，如上文提到的ESA的SILEX計劃就是采用這種方法。該方法后續(xù)要進(jìn)行配套的 元件、部件級別的測試以及計算機仿真，才能得到端機系統(tǒng)在軌時的特性。這種方法過程繁 冗、不直接，而且只是部件或分系統(tǒng)級別的測試，不是整機的測試。更常用的方法是采用長 焦距的透鏡進(jìn)行遠(yuǎn)場模擬，這種方法是把端機發(fā)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遠(yuǎn)場光信號，長焦距透鏡也叫傅里葉變換透鏡。
[0005] 地面驗證與測試系統(tǒng)，光滿足遠(yuǎn)場條件是不夠的，因為，遠(yuǎn)場只是模擬了發(fā)射的部 分，要被對方的接收端機接收，還涉及到接收的部分，即，接收端機必須接收到與其在軌時 接收的光功率相對應(yīng)的光信號或電信號（光傳輸過程）。傳統(tǒng)的光傳輸模擬方法是在長焦 距透鏡焦上面得到發(fā)射端機發(fā)射光束的遠(yuǎn)場分布后，用一微孔進(jìn)行取樣接收，把接收的光 信號再傳遞給接收端機。這種方法的缺點是能夠模擬的通信距離非常有限，通常只能模擬 1000公里以內(nèi)的通信距離，而這個距離只能模擬一部分低軌道衛(wèi)星之間或星地之間的激光 通信，不能模擬更遠(yuǎn)的通信距離（如同步衛(wèi)星GE0與低軌道衛(wèi)星LE0之間的通信、月地之 間的光通信、深空探測光通信等等）。為了能模擬更遠(yuǎn)的通信距離，有研究人員對聚焦的入 射光斑進(jìn)行多級光學(xué)成像放大器，然后用微孔接收。這種方法雖然增大了模擬的通信距離， 但需要對光學(xué)放大倍數(shù)進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定，如果標(biāo)定存在誤差，其后果將造成遠(yuǎn)場分布的"錯 位"，直接影響模擬的準(zhǔn)確程度。另外，如透鏡存在像差，則會造成遠(yuǎn)場分布的"變形"，也會 影響到傳輸模擬精度。因此，目前的遠(yuǎn)場光傳輸模擬方法尚存在通信模擬距離近，或者系統(tǒng) 調(diào)試繁冗、精度難以保證、光路設(shè)計像質(zhì)要苛刻等問題。
[0006] 另一方面，目前國內(nèi)外地面驗證與測試系統(tǒng)，對于遠(yuǎn)場光傳輸?shù)哪M，僅僅考慮了 光學(xué)遠(yuǎn)場條件，沒有考慮大氣信道、空間背景光、衛(wèi)星平臺的擾動等因素的影響，而實際中， 這些影響因素是存在（大氣信道因素存在于各種軌道衛(wèi)星與地面之間的光通信）。因此，模 擬的結(jié)果與實際狀況有一定的差距。
[0007] 綜上所述，現(xiàn)有的遠(yuǎn)場光傳輸模擬方法模擬距離有限，難以滿足實際需要，或者雖 然能夠模擬遠(yuǎn)距離，但存在模擬方法調(diào)試繁冗、精度難以保證、光路設(shè)計像質(zhì)要苛刻等問 題。此外，還沒有考慮如大氣信道、空間背景光、衛(wèi)星平臺的擾動等因素的影響，模擬結(jié)果與 實際狀況有一定的差距。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出了一種基于碳納米管光電探測器的光傳 輸模擬系統(tǒng)及其模擬方法，在滿足遠(yuǎn)場條件的同時，考了 了大氣、空間背景光、衛(wèi)星平臺振 動等其他一些因素，模擬的結(jié)果與實際情況更加接近。
[0009] 本發(fā)明的一個目的在于提供一種基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明的基于碳納米管光電探測器的遠(yuǎn)場光傳輸模擬系統(tǒng)包括：縮束望遠(yuǎn)鏡、大 氣信道模擬器、背景光模擬器、合束光路、發(fā)射誤差源模擬器、聚焦光路和碳納米管光電探 測器；其中，縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成一個等效的傅里葉變換透鏡；發(fā)射端機發(fā)出平行 光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光束；平行光束經(jīng)過大氣信道模擬 器，強度和相位發(fā)生變化，通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景光合并；合并后的光束 進(jìn)入發(fā)射誤差源模擬器，光束方向發(fā)生變化，產(chǎn)生抖動；經(jīng)由聚焦光路匯聚，得到聚焦光斑， 光斑照射在碳納米管光電探測器上；碳納米管光電探測器位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成 的等效傅里葉變換透鏡的焦平面上，對波平面進(jìn)行取樣；從碳納米管光電探測器出射的電 信號由接收端機接收。
[0011] 縮束望遠(yuǎn)鏡對來自發(fā)射端機的寬孔徑波束進(jìn)行孔徑縮小，從而出射窄孔徑的平行 光束，以利于后續(xù)的大氣信道模擬器和發(fā)射誤差源模擬器的工作。
[0012] 大氣信道模擬器用來模擬大氣信道對光束的強度和相位的影響，包括光調(diào)制器和 空間光調(diào)制器；光調(diào)制器調(diào)整光束的強度，用來模擬光信號在大氣信道中傳播時強度的衰 減；空間光調(diào)制器用來模擬大氣湍流引起的光束的相位變化。
[0013] 背景光模擬器用來模擬接收端機所接收到的背景雜光干擾，包括寬光譜光源和準(zhǔn) 直光路，寬光譜光源出射發(fā)散光，經(jīng)準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直，再通過合束光路，與大氣信道模擬器出 射的光束合起來，進(jìn)入發(fā)射誤差源模擬器。
[0014] 發(fā)射誤差源模擬器用來模擬接收端機自身所在的航天器平臺的振動，以及發(fā)射端 機和接收端機之間的相對運動、軌道誤差等，可以采用擺動執(zhí)行元件，如PZT擺鏡來實現(xiàn)， PZT擺鏡擺動的幅度越大，代表發(fā)射各種影響發(fā)射端機的出射光束指向的誤差越大。經(jīng)過發(fā) 射誤差源模擬器的光束方向發(fā)生變化，產(chǎn)生抖動，再經(jīng)過碳納米管光電探測器對波平面進(jìn) 行取樣并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換后，輸出信號最終被接收端機接收。
[0015] 碳納米管光電探測器位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成的等效傅里葉變換透鏡的 焦平面，碳納米管光電探測器的感光區(qū)域沿著垂直于光軸的方向放置。經(jīng)過發(fā)射誤差源模 擬器的平行光束由聚焦光路聚焦形成光斑，由于發(fā)射誤差源模擬器的作用，使光斑產(chǎn)生抖 動，光斑代表光束的遠(yuǎn)場分布，采用碳納米管光電探測器在焦平面對遠(yuǎn)場分布進(jìn)行取樣，并 將光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出，該電流信號的大小對應(yīng)于接收端機在軌時的光信號，碳納 米管光電探測器將電流信號傳遞給接收端機，接收端機進(jìn)行特性指標(biāo)的測試。
[0016] 本發(fā)明的另一個目的在于提供一種基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng) 的模擬方法。
[0017] 本發(fā)明的基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)的模擬方法，包括以下步 驟：
[0018] 1)發(fā)射端機發(fā)出平行光束，發(fā)射端機發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束， 得到窄孔徑的平行光束；
[0019] 2)平行光束經(jīng)過大氣信道模擬器，強度和相位發(fā)生變化；
[0020] 3)通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景光合束；
[0021] 4)合并后的光束進(jìn)入發(fā)射誤差源模擬器，光束方向發(fā)生變化，產(chǎn)生抖動；
[0022] 5)光束經(jīng)過聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的遠(yuǎn)場分布，碳納米管光 電探測器位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成的等效傅里葉變換透鏡的焦平面位置；
[0023] 6)碳納米管光電探測器對波平面進(jìn)行取樣，部分光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出；
[0024] 7)碳納米管光電探測器將輸出電流信號傳遞給接收端機。
[0025] 本發(fā)明的基本理論依據(jù)是：利用一個傅立葉變換透鏡，可以在其焦平面上獲得入 射光束的遠(yuǎn)場分布；理論推導(dǎo)可以得出，碳納米管光電探測器輸出的電流信號與入射的光 功率是成比例關(guān)系的，碳納米管光電探測器在傅里葉變換透鏡焦平面上進(jìn)行波面取樣，就 可以獲得與接收端機在軌時相一致的電信號。
[0026] 本發(fā)明與傳統(tǒng)采用微孔的模擬方法有本質(zhì)的區(qū)別。首先，傳統(tǒng)所采用的微孔進(jìn)行 波面取樣的方法是基于菲涅爾衍射理論來進(jìn)行取樣傳輸?shù)?，而碳納米管光電探測器是用過 其感光部分實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換，輸出的是電信號；其次，目前，碳納米管光電探測器的取樣窗口 的兩個方向的尺寸納米級別的，遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)微孔的幾個微米的取樣窗口，因此，模擬通信距 離更遠(yuǎn)。假如模擬的通信距離為z，接收端機實際的天線孔徑為D，傅里葉變換透鏡的等效 焦距為f，取樣窗口的直徑為則有如下的理論公式 ：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述光傳輸模擬系 統(tǒng)包括：縮束望遠(yuǎn)鏡、大氣信道模擬器、背景光模擬器、合束光路、發(fā)射誤差源模擬器、聚焦 光路和碳納米管光電探測器；其中，縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成一個等效的傅里葉變換透 鏡；發(fā)射端機發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到窄孔徑的平行光束；平行光 束經(jīng)過大氣信道模擬器，強度和相位發(fā)生變化，通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景 光合并；合并后的光束進(jìn)入發(fā)射誤差源模擬器，光束方向發(fā)生變化，產(chǎn)生抖動；經(jīng)由聚焦光 路匯聚，得到聚焦光斑，光斑照射在碳納米管光電探測器上；碳納米管光電探測器位于縮束 望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成的等效傅里葉變換透鏡的焦平面上，對波平面進(jìn)行取樣；從碳納米 管光電探測器出射的電信號由接收端機接收。
2. 如權(quán)利要求1所述的光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述大氣信道模擬器包括光調(diào) 制器和空間光調(diào)制器；所述光調(diào)制器調(diào)整光束的強度，用來模擬光信號在大氣信道中傳播 時強度的衰減；所述空間光調(diào)制器用來模擬大氣湍流引起的光束的相位變化。
3. 如權(quán)利要求1所述的光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述背景光模擬器包括寬光譜 光源和準(zhǔn)直光路，所述寬光譜光源出射發(fā)散光，經(jīng)準(zhǔn)直光路準(zhǔn)直，再通過合束光路，與大氣 信道模擬器出射的光束合起來。
4. 如權(quán)利要求1所述的光傳輸模擬系統(tǒng)，其特征在于，所述碳納米管光電探測器的感 光區(qū)域沿著垂直于光軸的方向放置。
5. -種基于碳納米管光電探測器的光傳輸模擬系統(tǒng)的模擬方法，其特征在于，所述模 擬方法包括以下步驟： 1) 發(fā)射端機發(fā)出平行光束，發(fā)射端機發(fā)出平行光束，進(jìn)入到縮束望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行縮束，得到 窄孔徑的平行光束； 2) 平行光束經(jīng)過大氣信道模擬器，強度和相位發(fā)生變化； 3) 通過合束光路與背景光模擬器發(fā)出的背景光合束； 4) 合并后的光束進(jìn)入發(fā)射誤差源模擬器，光束方向發(fā)生變化，產(chǎn)生抖動； 5) 光束經(jīng)過聚焦光路聚焦形成光斑，光斑代表入射光束的遠(yuǎn)場分布，碳納米管光電探 測器位于縮束望遠(yuǎn)鏡和聚焦光路組成的等效傅里葉變換透鏡的焦平面位置； 6) 碳納米管光電探測器對波平面進(jìn)行取樣，部分光信號轉(zhuǎn)換成電流信號輸出； 7) 碳納米管光電探測器將輸出電流信號傳遞給接收端機。
【文檔編號】G02B27/00GK104378157SQ201410601605
【公開日】2015年2月25日 申請日期:2014年10月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月31日
【發(fā)明者】王建民 申請人:北京大學(xué)