自由空间激光远距离传输的地面模拟研究

万玲玉 , 刘立人 , 张明丽
(中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学实验室 , 上海 201800)
摘要 根据透镜的傅里叶变换性质 ,提出了采用光学傅里叶变换加级联光学成像放大并结合有限口径接收的方法 来实现自由空间激光光束远距离传输的实验室模拟 。由此原理设计了自由空间激光远距离传输模拟装置 ,该装置 主要由大口径 、长焦距的傅里叶变换平行光管和三级成像放大镜所组成 ,最大等效传输距离达 21 4 ×105 km ,可用 于星间激光通信终端综合通信性能的评估 ,在设定的误码率下测量终端可能的通信距离 ,或者在设定的作用通信 距离下检测通信的误码率 。 关键词 光通信 ;星间激光通信 ;远距离传输模拟 ;光学傅里叶变换 ;级联放大 中图分类号 TN 929. 13 文献标识码 A
面模拟装置的采样口径 。从中可看出等效传输距离
由傅里叶变换透镜的焦距 、放大成像镜的放大倍数 、
终端接收口径和成像面的波前采样口径所决定 。在
终端接收口径和傅里叶变换透镜焦距一定的情况
下 ,可通过改变放大倍数和采样口径的大小来实现
不同等效传输距离的模拟 ,在此基础上可进行星间
激光通信终端的综合通信性能测试 。为测量方便 ,
值
γ = z/ <,
(5)
其单位为 km/ mm ,例如传输 45000 km/ <250 mm
孔径的接收等效于 960 km/ <51 33 mm 孔径的接 收 ,由此可进行星间激光通信光束远距离传输的地
面模拟 ,其等效传输距离为
ze
=
fβ<1 <2
,
(6)
<1 为实际的星间激光通信终端的接收口径 , <2 为地
Ii ( x , y)
=
λ2
(
1 fβ)
2
×
κut ( x0 , y0 ) exp
- jλ2πfβ( x x 0 + ywenku.baidu.com 0 )
d x0 d y0
2
,
(3)
令 z = βf ,有
Iz ( x , y) = Ii ( x , y) 。
(4)
此外 ,注意到星间激光通信终端的接收功率不
仅和接收端的光强分布有关 ,还和接收口径有关 ,定 义等效接收因子γ为传播距离 z 与接收口径 < 的比
采用后者进行设计 。
3 系统设计与分析
调研表明星间激光通信终端的口径为 <50～ 250 mm ,通信距离为几百至十几万千米 。据此特 点 ,设计自由空间激光光束远距离传输模拟器主要 由大口径 、长焦距傅里叶变换平行光管和三级成像 放大器组成 ,系统光路见图 2 ,其中傅里叶变换平行 光管的焦距为15 m ,每级放大 40 倍 。理想情况下 , 在模拟器的第三级光学成像面上的光强分布为光束 在自由空间传输960 km的光强分布 ,如在每一级的
第
32 卷 第 2005 年 10
10 月
期
中 国 激 光 C H IN ESE J OU RNAL O F L A SERS
文章编号 : 025827025 (2005) 1021367204
Vol. 32 , No . 10 October , 2005
自由空间激光远距离传输的地面模拟研究
Measurement place Third imaging plane Second imaging plane First imaging plane
ze / km 2 ,400～240 ,000
60～6 ,000 1. 5～150
设计完成的傅里叶变换透镜和成像放大镜皆为
高质量的光学元件 ,成像质量小于衍射极限 ,其剩余
目前国外普遍采取的是半物理半仿真的方法[3～11 ] , 但它不能给出星间通信距离2误码率关系 ,不能全面 评估星间激光通信终端的通信能力 。理想的办法是 在地面进行星间通信链路的模拟并进行测试 ,这需 要首先实现远距离激光光束传输的实验室空间物理 模拟 。傅里叶变换透镜可实现光束近场分布到远场 分布的转换 。国际上只有日本真正考虑了采用长焦 距的平行光管来实现光束的较远距离传输模拟[12] , 他们设计和研制了 171 5 m 焦距的平行光管 ,模拟 了最大为 50 km 的传输距离 。本文提出光学傅里
Abstract According to Fourier t ransfo rming p roperties of lens , a met hod for simulating long2distance p ropagation of laser beam in f ree2space by Fo urier2t ransform , cascade imaging magnification and t he wavef ro nt sampling wit h t he limited2apert ure was p ropo sed. A long2distance p ropagation simulator was designed by t his p rinciple , which mainly co nsist s of a Fourier2t ransfo rm lens of big apert ure and lo ng focal lengt h and following t hree optical imaging amplifiers and it s maximum equivalent p ropagatio n distance reaches 2. 4 ×105 km. It can be used for evaluating t he co mmunicatio n performances of t he intersatellite laser co mmunicatio n terminals , particularly fo r measuring t he bit erro r2rate under a constant t ransmissio n distance o r fo r testing t he equivalent t ransmission distance under a constant bit erro r2rate. Key words optics co mmunicatio n ; intersatellite laser co mmunicatio n ; lo ng2distance p ropagation simulation ; optical Fourier2t ransform ; cascade imaging amplificatio n
图 2 系统示意图 Fig. 2 System architect ure
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
10 期 万玲玉 等 : 自由空间激光远距离传输的地面模拟研究
1 引 言
星间激光通信技术被认为是解决微波瓶颈的有 效手段而成为未来空间通信发展的一大趋势 ,近年 来成为国内外的研究热点 ,其终端性能的地面检测 验证亦成为重要的研究方向[1～6] 。星间激光通信 中 ,光信号需在自由空间传输几千至几万千米才被 接收 ,如何在地面对星间激光通信终端的接收功能 和通信性能进行检测与验证是一个亟待解决的问 题 。直接检测受场地限制和大气影响基本不现实 。
© 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
1368
中 国 激 光 32 卷
叶变换加级联光学放大的方法来实现超长焦距的傅 里叶光学变换 ,同时结合有限口径的接收来实现超 远距离光束的等效传输 ,由此可进行星间激光通信 终端的通信性能评估 。该模拟方案属全物理仿真 , 不需要任何参数即可在实验室内对星间激光通信终 端进行远距离接收功能和通信性能检测 ,直接给出 通信距离2误码率关系 。
If ( x , y)
=
1 λ2 f
2
×
κut ( x0 , y0 ) exp
- jλ2πf ( x x 0 + y y 0 )
d x0 d y0
2
,
(2) 式中 f 为傅里叶变换平行光管的焦距 。比较式 (1) 和式 (2) 得二者的差别仅在于 z 和 f ,如将此远场波 面进行放大 , 设放大率为β, 在理想情况下 , 放大像 面的光强分布 Ii ( x , y) 为
2 原 理
自由空间远距离激光光束的等效传输原理见图 1 。绝大部分星间激光通信终端都工作在远场条件 下 ,星上光端机发出的光束在宇宙空间传输几千至
图 1 自由空间激光远距离传输模拟原理 Fig. 1 Principles of t he simulator
几万千米 ,其接收端的光场分布是发射端的夫琅和 费衍射场 ,接收功率是接收口径内的光强积分 ,设发 射端的光场复振幅分布为 ut ( x0 , y0 ) ,则接收端的光 强分布 Iz ( x , y) 为
Table 1 Equivalent propagation distance ( the diameter of telescope aperture of the intersatellite laser communication terminal is the range of <50 ～ 250 mm , the diameter of sampling aperture on the every imaging plane is the range of <1～20 mm)
Iz ( x , y)
=
1 λ2 z2
×
κut ( x0 , y0 ) exp
- j λ2πz ( x x 0 + y y 0 )
d x0 d y0
2
,
(1) 式中 z 为传输距离 ,λ为通信波长 。
傅里叶变换透镜可实现光束近场分布到远场分
布的转换 ,如使发射光束通过一大口径傅里叶变换 透镜 (透镜孔径大于发射光束口径) , 光束在透镜后 焦面上的光强分布 If ( x , y) 为
收稿日期 :2004209220 ; 收到修改稿日期 :2005206227 基金项目 :国家 863 计划 (2002AA712026) 资助项目 。 作者简介 :万玲玉 (1975 —) ,女 ,广西灵川县人 ,中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学实验室博士研究生 ,主要从 事星间激光通信的地面检测与验证技术研究 。E2mail :wanlingyu @so hu. com
On2Ground Simulation Technology f or Free2Space Laser Long2Distance Propagation
WAN Ling2yu , L IU Li2ren , ZHAN G Ming2li
( S han g hai I nstit ute of O ptics an d Fi ne Mechanics , T he Chi nese A ca dem y of S ciences , S han g hai 201800 , Chi na)
1369
像面用 <1～20 mm的小孔进行采样接收 ,对于口径 为 <50～250 mm的星间激光通信系统 ,其远场条件 为大于 3～621 5 km ,由终端接收口径和模拟系统采 样口径所确定的等效传输距离范围约为几十千米到 2. 4 ×105 km ,如表 1 所示 。
表 1 等效传输距离估算( 星间激光通信终端接收口径 <50～250 mm;本装置采样接收口径 <1～20 mm)
波像差产生的影响可用小像差近似下的斯塔尔判断
进行估算[13 ,14] ,斯塔尔光强 S 的定义为有像差衍射
图形中的最大亮度与无像差衍射图形的最大亮度之
比 , 如波像差 u 满足条件 W
<
1 k