CN109960031B - 浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法 - Google Patents

浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法 Download PDF

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Abstract

一种浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法，***包括激光器、自适应光学模块、中继镜模块以及目标模块。仿真装置中增设能够模拟上行大气湍流空间以及模拟下行大气湍流空间的大气湍流模拟装置。本发明具备自适应光学模块，能够在不同强度大气湍流下，进行光束净化和校正大气湍流像差；且信标激光器放置在目标模块处，给自适应光学模块提供上行和下行大气湍流的像差信息。仿真装置具备大气湍流和自适应光学模块，能够在不同强度大气湍流下，进行光束净化和校正大气湍流像差的模拟仿真。同时可以根据待仿真浮空器激光中继镜***参数，按照自适应光学和大气光学的物理规律来进行分析来确定仿真装置参数，从而构建对应的仿真装置实现仿真。

Description

浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法
技术领域
本发明属于浮空器激光中继镜***仿真技术领域，具体涉及一种浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法。
背景技术
浮空器激光中继镜***是通过放置在一定海拔处的浮空器上的中继镜接收地面光源向其发射的激光束，接收光束经中继镜模块控制后重定向聚焦发射到目标模块上，从而完成激光能量的远距离传输，所以浮空器激光中继镜***首先具有避开障碍物的优点。由于自适应光学模块能够校正大气湍流导致的像差，所以配置了自适应光学模块的浮空器激光中继镜***一般具备降低大气对激光传输影响和提高激光的传输效率的优点。
现有的浮空器激光中继镜***的仿真一般有纯数学、物理模型仿真和全实物仿真两种方法。纯数学、物理模型仿真研究一般由于某些模型不够精确，得不到接近实际运行的结果，甚至有时与实际的***运行结果相差巨大。而采用实物来进行实验研究，成本高而且研发周期长。
美国海军研究生院搭建了实验室三轴卫星中继镜光束控制模拟实验平台，开展了中继镜***飞行平台光束控制的研究[David M.Meissner.A three degree of freedomtest bed for nanosatellite and cubest attitudedynamics,determination andcontrol[D].Naval Postgraduate School,December 2009:1-76]。这个模拟实验平台包括光源模块、中继镜的三轴卫星模拟器、目标模块和控制处理模块组成。但是这个中继镜光束控制模拟实验平台首先没有大气湍流和自适应光学等模块，无法进行光束净化和控制等方面的模拟仿真；另外也没有根据真实的中继镜***参数，按照自适应光学和大气光学的物理规律来进行分析来确定仿真装置参数。
因此，现在急需一种带大气湍流和自适应光学模块的浮空器激光中继镜***仿真装置以及仿真装置参数的分析方法来解决上述现有技术中存在的问题。
发明内容
针对现有浮空器激光中继镜***以及仿真技术的不足，本发明的目的在于提供一种浮空器激光中继镜***及其仿真装置和仿真方法。
为实现本发明的技术目的，采用以下技术方案：
一种浮空器激光中继镜***，包括激光器、自适应光学模块、中继镜模块以及目标模块；激光器以及自适应光学模块放置在地面，中继镜模块放置在浮空器上；激光器发射出的激光光束经自适应光学模块实现激光光束净化和校正大气湍流像差后发射出来后通过上行传输路径上的上行大气湍流空间传输至浮空器上的中继镜模块，激光光束经中继镜模块聚焦发射出来后通过下行传输路径上的下行大气湍流空间传播到目标模块。定义激光光束从激光器到中继镜模块是上行传输路径；中继镜模块至目标模块是下行传输路径。
所述目标模块上设有信标激光器，用于给自适应光学模块提供上行和下行大气湍流的像差信息。其中信标激光器所产生的信标光光束的波长小于激光器所产生激光光束的波长。自适应光学模块包括倾斜镜、波前校正器、1#分光镜、激光波前传感器、信标光波前传感器和波前控制器。目标模块上的信标激光器发射出的信标光经下行大气湍流空间传输到中继镜模块，到达中继镜模块后再通过上行大气湍流空间传输至自适应光学模块中的1#分光镜，信标光波前传感器接收从1#分光镜透射的信标光；激光器发射的激光光束依次经自适应光学模块中的倾斜镜、波前校正器传输至1#分光镜，其中大部分激光光束经1#分光镜反射出来后通过上行大气湍流空间传输至中继镜模块，经中继镜模块后通过下行大气湍流空间传输到目标模块。经分光镜透射出来的小部分激光光束由激光波前传感器接收，波前控制器把激光波前传感器和信标光波前传感器得到的波前数据相加后得到总的波前畸变，根据直接斜率法得到相应的相位控制信号(直接斜率法可参考申请号CN201210364084.8的发明专利，名称为：一种共焦扫描成像***及其像差控制方法)，将相位控制制信号施加到波前校正器上，生成与波前控制器计算得到总的波前畸变相反的畸变。
中继镜模块包括1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜。在中继镜模块中，信标光的传播光路与激光器发射激光光束的传播光路共光路。其中自适应光学模块传输至中继镜模块的激光光束的传播光路依次是经过1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜。目标模块上的信标激光器传输至中继镜模块的信标光的传播光路顺序是：光束依次经过2#全反射凹双曲面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜和1#全反射凹双曲面镜。具体地，自适应光学模块传输至中继镜模块的激光光束传输至由1#全反射凹双曲面镜和1#全反射凸双曲面镜组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的激光光束依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜组成的离轴望远镜***后输出，输出的激光光束通过下行大气湍流空间传输至目标模块上。
目标模块上信标激光器传输至中继镜模块的信标光传输至由2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的信标光依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由1#全反射凹双曲面镜和1#全反射凸双曲面镜组成的离轴望远镜***后输出，输出的信标光通过上行大气湍流空间传输至自适应光学模块。
本发明提供一种上述浮空器激光中继镜***的仿真装置，包括：
仿真用激光器，产生激光光束；
仿真用自适应光学模块，实现激光光束净化和校正大气湍流像差的功能；
大气湍流模拟装置，产生大气湍流，模拟上行大气湍流空间以及模拟下行大气湍流空间；
仿真用中继镜模块，模拟浮空器上的中继镜模块，实现激光光束中继传输；
仿真用目标模块，由光斑分析仪和信标激光器组成，可实现中继传输至目标模块处激光功率的测量以及信标光的产生。其中信标光的波长小于激光器所产生激光光束的波长。
大气湍流模拟装置包括上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器。上行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用自适应光学模块传输到仿真用中继镜模块的上行传输路径上的模拟上行大气湍流空间；下行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用中继镜模块传输到仿真用目标模块的下行传输路径上的模拟下行大气湍流空间。上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器的可采用的产品结构很多，如可采用公开日为2011年07月27日，公开号为CN102135467A的发明专利“热风式湍流模拟装置”来实现。本发明中的上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器均采用该装置实现，产生可以测量和调节大气湍流强度的大气湍流。
仿真用自适应光学模块与浮空器激光中继镜***中的自适应光学模块的结构原理相同。
一种浮空器中继镜***仿真装置的仿真方法，如下：
(1)确定待仿真浮空器激光中继镜***的参数信息：
激光从地面传输至浮空器上的中继镜模块的上行传输距离zup；激光从浮空器上的中继镜模块传输至目标模块的下行传输距离zdown；激光器中心波长λ；激光器光束质量β；激光器发射直径a；中继镜模块的接收直径D1；中继镜模块的发射直径D2；波前校正器(变形镜)单元数目Nb；波前传感器子孔径数目Nh；上行和下行传输路径上的大气湍流相干长度。
(2)确定与步骤(1)中各参数对应的浮空器激光中继镜***仿真装置的仿真参数；
(2.1)浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用激光器的激光器中心波长、激光器光束质量以及仿真用自适应光学模块中的波前校正器单元数目、波前传感器子孔径数目均与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***中的对应参数相同。
(2.2)确定待仿真浮空器中继镜***中的仿真用激光器发射直径以及仿真用中继镜模块的发射直径。
设定浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输距离和下行传输距离分别与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***的上行传输距离和下行传输距离的比值，如1/1000。浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用激光器的中心波长与待仿真浮空器中继镜***中的激光器中心波长相同。由于菲涅尔数是光束直径的平方与激光波长和传输距离乘积的比值，反映了传输距离影响光强的强弱。由此可计算出浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用激光器发射直径、仿真用中继镜模块的发射直径，使得浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数分别与待仿真浮空器中继镜***的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数相同。
(2.3)按照光束传输规律，聚焦传输至中继镜模块接收镜上的光束直径与上行传输距离和激光器的光束质量成正比、与激光器的发射直径成反比，计算得到浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用中继镜模块的接收直径应当是步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***其中继镜模块光束发射直径的1/10。
(2.4)光束直径和传输路径上的大气湍流相干长度的比值反映了大气湍流影响光束的强弱。按照步骤(2.2)和(2.3)给出的仿真装置主要参数，计算给出仿真装置的上行、下行传输路径上的大气湍流相干长度，使得仿真装置和待仿真浮空器中继镜***传输路径上的这个比值相同。
(2.5)按照光束传输规律，在大气湍流完全被自适应光学模块校正后的条件下，计算中继镜模块聚焦传输至目标模块的光斑半径；为了有效分析光束传输至目标模块上的光斑特性，仿真装置中仿真用目标模块中光斑分析仪的探测器靶面半径需要大于传输至目标模块光斑半径的2倍。
(3)根据步骤(2)中确定的仿真参数，构建对应的浮空器中继镜***仿真装置，开启大气湍流模拟装置模拟不同强度的大气湍流环境，进行仿真。
本发明的技术效果：
本发明具备自适应光学模块，能够在不同强度大气湍流下，进行光束净化和校正大气湍流像差；且信标激光器放置在目标模块处，可以给自适应光学模块提供上行和下行大气湍流的像差信息。
其仿真装置具备大气湍流和自适应光学模块，能够在不同强度大气湍流下，进行光束净化和校正大气湍流像差的模拟仿真。同时可以根据待仿真带自适应光学模块的高功率中继镜***参数，按照自适应光学和大气光学的物理规律来进行分析来确定仿真装置参数。另外通过仿真运行，可检验中继镜***仿真装置各组成部分之间参数的匹配、优化以及平衡，可在地面实验室内实现对浮空器激光中继镜***的功能和性能验证，为***的设计提供更完备的实验和测试条件。
附图说明
图1是本发明实施例1的结构示意图。
图2是本发明实施例2中自适应光学模块的光路示意图。
图3是本发明实施例3中中继镜模块的光路示意图。
图4是本发明实施例4的结构示意图。
图5是本发明实施例5中仿真用目标模块的结构示意图。
图中标号：
1、激光器；2、自适应光学模块；3、中继镜模块；4、目标模块；5、浮空器；6、上行大气湍流空间；7、下行大气湍流空间；
21、倾斜镜；22、波前校正器；23、1#分光镜；24、激光波前传感器；25、信标光波前传感器；26、波前控制器；
31、1#全反射凹双曲面镜；32、1#全反射凸双曲面镜；33、1#全反射平面镜；34、2#全反射平面镜；35、2#全反射凸双曲面镜；46、2#全反射凹双曲面镜；
1’、仿真用激光器；2’、仿真用自适应光学模块；3’、仿真用中继镜模块；4’、仿真用目标模块；6’、模拟上行大气湍流空间；7’、模拟下行大气湍流空间；
41’、光斑分析仪，42’、信标激光器。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参照图1，是本发明实施例1的结构示意图，一种浮空器激光中继镜***，包括激光器1、自适应光学模块2、中继镜模块3以及目标模块4；激光器1以及自适应光学模块2放置在地面，中继镜模块3放置在浮空器5上；激光器1发射出的激光光束经自适应光学模块2实现激光光束净化和校正大气湍流像差后发射出来后通过上行传输路径上的上行大气湍流空间6传输至浮空器5上的中继镜模块3，激光光束经中继镜模块3聚焦发射出来后通过下行传输路径上的下行大气湍流空间7传播到目标模块4。定义激光光束从激光器到中继镜模块是上行传输路径；中继镜模块至目标模块是下行传输路径。
所述目标模块4上设有信标激光器。其中信标光光束的波长小于激光器所产生激光光束的波长。
图2是本发明实施例2中自适应光学模块的光路示意图。自适应光学模块包括倾斜镜21、波前校正器22、1#分光镜23、激光波前传感器24、信标光波前传感器25和波前控制器26。目标模块4上的信标激光器发射出的信标光经下行大气湍流空间7传输到中继镜模块3，到达中继镜模块3后再通过上行大气湍流空间6传输至自适应光学模块2中的1#分光镜23，信标光波前传感器25接收从1#分光镜23透射的信标光；激光器1发射的激光光束经自适应光学模块2中的倾斜镜21、波前校正器22传输至1#分光镜23，其中大部分激光光束经1#分光镜23反射出来后上行大气湍流空间6传输至中继镜模块3，经中继镜模块3后通过下行大气湍流空间7传输到目标模块4。经分光镜23透射出来的小部分激光光束由激光波前传感器24接收，波前控制器26把激光波前传感器24和信标光波前传感器25得到的波前数据相加后得到总的波前畸变，根据直接斜率法得到相应的相位控制信号(直接斜率法可参考申请号CN201210364084.8的发明专利，名称为：一种共焦扫描成像***及其像差控制方法)，将相位控制制信号施加到波前校正器22上，生成与波前控制器26计算得到总的波前畸变相反的畸变。
图3是本发明实施例3中的中继镜模块光路示意图，中继镜模块3包括1#全反射凹双曲面镜31、1#全反射凸双曲面镜32、1#全反射平面镜33、2#全反射平面镜34、2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36。在中继镜模块3中，信标光的传播光路与激光器发射激光光束的传播光路共光路。其中自适应光学模块2传输至中继镜模块3的激光光束的传播光路顺序是：光束经过1#全反射凹双曲面镜31、1#全反射凸双曲面镜32、1#全反射平面镜33、2#全反射平面镜34、2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36。目标模块4上信标激光器传输至中继镜模块3的信标光的传播光路顺序是：光束经过2#全反射凹双曲面镜36、2#全反射凸双曲面镜35、2#全反射平面镜34、1#全反射平面镜33、1#全反射凸双曲面镜32和1#全反射凹双曲面镜31。具体地，自适应光学模块2传输至中继镜模块3的激光光束，传输至由1#全反射凹双曲面镜31和1#全反射凸双曲面镜32组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的激光光束依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36组成的离轴望远镜***后输出，输出的激光光束通过下行大气湍流空间7传输至目标模块4上。
目标模块4上信标激光器传输至中继镜模块3的信标光，传输至由2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的信标光依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由1#全反射凹双曲面镜31和1#全反射凸双曲面镜32组成的离轴望远镜***后输出，输出的信标光通过上行大气湍流空间6传输至自适应光学模块2。
参照图4，是本发明实施例4的结构示意图。实施例4提供一种上述浮空器激光中继镜***的仿真装置，包括：
仿真用激光器1’，产生激光光束。
仿真用自适应光学模块2’，实现激光光束净化和校正大气湍流像差的功能。
大气湍流模拟装置，产生大气湍流，模拟上行大气湍流空间6’以及模拟下行大气湍流空间7’。
仿真用中继镜模块3’，模拟浮空器上的中继镜模块，实现激光光束中继传输。
仿真用目标模块4’，由光斑分析仪41’和信标激光器42’组成，可实现中继传输至目标模块处激光功率的测量以及信标光的产生。其中信标光光束的波长小于激光器所产生激光光束的波长。
大气湍流模拟装置包括上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器。上行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用自适应光学模块传输到仿真用中继镜模块的上行传输路径上的模拟上行大气湍流空间；下行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用中继镜模块传输到仿真用目标模块的下行传输路径上的模拟下行大气湍流空间。上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器可采用的产品结构很多。如可采用公开日为2011年07月27日，公开号为CN102135467A的发明专利“热风式湍流模拟装置”来实现。本发明中的上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器均采用该装置实现，产生可以测量和调节大气湍流强度的大气湍流。
仿真用自适应光学模块2’与浮空器激光中继镜***中的自适应光学模块2的结构原理相同。仿真用自适应光学模块2’的光路示意图如图2所示。仿真用自适应光学模块2’同样包括倾斜镜21、波前校正器22、1#分光镜23、激光波前传感器24、信标光波前传感器25和波前控制器26。仿真用目标模块4’上的信标激光器42发射出的信标光经模拟下行大气湍流空间7’传输到仿真用中继镜模块3’，到达仿真用中继镜模块3’后再通过模拟上行大气湍流空间6’传输至仿真用自适应光学模块2’中的1#分光镜23，信标光波前传感器25接收从1#分光镜23透射的信标光；仿真用激光器1’发射的激光光束依次经仿真用自适应光学模块2’中的倾斜镜21、波前校正器22传输至1#分光镜23，其中大部分激光光束经1#分光镜23反射出来后通过模拟上行大气湍流空间6’传输至仿真用中继镜模块3’，经仿真用中继镜模块3’后通过模拟下行大气湍流空间7’传输到仿真用目标模块4’。经分光镜23透射出来的小部分激光光束由激光波前传感器24接收，波前控制器26把激光波前传感器24和信标光波前传感器25得到的波前数据相加后得到总的波前畸变，根据直接斜率法得到相应的相位控制信号(直接斜率法可参考申请号CN201210364084.8的发明专利，名称为：一种共焦扫描成像***及其像差控制方法)，将相位控制制信号施加到波前校正器22上，生成与波前控制器26计算得到总的波前畸变相反的畸变。
仿真用中继镜模块3’与浮空器激光中继镜***中的中继镜模块3的结构原理相同。仿真用中继镜模块3’的光路示意图如图3所示。仿真用中继镜模块3’同样包括1#全反射凹双曲面镜31、1#全反射凸双曲面镜32、1#全反射平面镜33、2#全反射平面镜34、2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36。在仿真用中继镜模块3’中，信标光的传播光路与激光器发射激光光束的传播光路共光路。其中仿真用自适应光学模块2’传输至仿真用中继镜模块3’的激光光束的传播光路顺序是：光束经过1#全反射凹双曲面镜31、1#全反射凸双曲面镜32、1#全反射平面镜33、2#全反射平面镜34、2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36。仿真用目标模块4’上信标激光器传输至仿真用中继镜模块3’的信标光的传播光路顺序是：光束经过2#全反射凹双曲面镜36、2#全反射凸双曲面镜35、2#全反射平面镜34、1#全反射平面镜33、1#全反射凸双曲面镜32和1#全反射凹双曲面镜31。具体地，仿真用自适应光学模块2’传输至仿真用中继镜模块3’的激光光束，传输至由1#全反射凹双曲面镜31和1#全反射凸双曲面镜32组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的激光光束依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36组成的离轴望远镜***后输出，输出的激光光束通过下行大气湍流空间7传输至仿真用目标模块4’中的光斑分析仪41’上，光斑分析仪41’用来测量传输至仿真用目标模块4’上光束的时空特性。
仿真用目标模块4’上信标激光器42’传输至仿真用中继镜模块3’的信标光传输至由2#全反射凸双曲面镜35和2#全反射凹双曲面镜36组成的离轴望远镜***进行缩束。缩束后的信标光依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由1#全反射凹双曲面镜31和1#全反射凸双曲面镜32组成的离轴望远镜***后输出，输出的信标光通过模拟上行大气湍流空间6’传输至仿真用自适应光学模块2’。
一种浮空器中继镜***仿真装置的仿真方法，如下：
(1)确定待仿真浮空器激光中继镜***的参数信息：
激光从地面传输至浮空器上的中继镜模块的上行传输距离zup；激光从浮空器上的中继镜模块传输至目标模块的下行传输距离zdown；激光器中心波长λ；激光器光束质量β；激光器发射直径a；中继镜模块的接收直径D1；中继镜模块的发射直径D2；波前校正器(变形镜)单元数目Nb；波前传感器子孔径数目Nh；上行和下行传输路径上的大气湍流相干长度。
本实施例中待仿真浮空器激光中继镜***的参数信息如表1所示：
表1
(2)确定与步骤(1)中各参数对应的浮空器激光中继镜***仿真装置的仿真参数；
(2.1)浮空器激光中继镜***仿真装置中的激光器中心波长、激光器光束质量、波前校正器单元数目、波前传感器子孔径数目均与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***中的对应参数相同。
(2.2)确定待仿真浮空器中继镜***中的激光器发射直径以及中继镜模块的发射直径。
设定浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输距离和下行传输距离分别与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***的上行传输距离和下行传输距离的比值，如1/1000。浮空器激光中继镜***仿真装置中的激光器中心波长与待仿真浮空器中继镜***中的激光器中心波长相同。菲涅尔数是光束直径的平方与激光波长和传输距离乘积的比值，反映了传输距离影响光强的强弱。由此可计算出浮空器激光中继镜***仿真装置中的激光器发射直径、中继镜模块的发射直径，使得浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数分别与待仿真浮空器中继镜***的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数相同。
(2.3)按照光束传输规律，聚焦传输至中继镜模块接收镜上的光束直径与上行传输距离和激光器的光束质量成正比、与激光器的发射直径成反比，计算得到浮空器激光中继镜***仿真装置中的中继镜模块的接收直径应当是步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***其中继镜模块的发射直径的1/10。
(2.4)光束直径和传输路径上的大气湍流相干长度的比值反映了大气湍流影响光束的强弱。按照步骤2和3给出的仿真装置主要参数，计算给出仿真装置的上行、下行传输路径上的大气湍流相干长度，使得仿真装置和真实浮空器中继镜***传输路径上的这个比值相同。
(2.5)按照光束传输规律，在大气湍流完全被自适应光学模块校正的条件下，计算中继镜模块聚焦传输至目标模块的光斑半径；为了有效分析光束传输至目标模块上的光斑特性，仿真装置中仿真用目标模块中光斑分析仪的探测器靶面半径需要大于光斑半径的2倍，所以计算得到探测器靶面半径需要大于2.6mm。
采用步骤(2.1)至(2.5)，确定的仿真参数如表2所示：
表2
(3)根据步骤(2)中确定的仿真参数，构建对应的浮空器中继镜***仿真装置，开启大气湍流模拟装置模拟不同强度的大气湍流环境，进行仿真。
以上所述仅为本发明的优选的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种浮空器激光中继镜***，其特征在于：包括激光器、自适应光学模块、中继镜模块以及目标模块；所述目标模块上设有信标激光器，用于给自适应光学模块提供上行和下行大气湍流的像差信息，其中信标光光束的波长小于激光器所产生激光光束的波长；
激光器以及自适应光学模块放置在地面，中继镜模块放置在浮空器上；激光器发射出的激光光束，经自适应光学模块实现激光光束净化和校正大气湍流像差后，通过上行传输路径上的上行大气湍流空间传输至浮空器上的中继镜模块；所述中继镜模块包括1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜；在中继镜模块中，信标光的传播光路与激光器发射激光光束的传播光路共光路；其中自适应光学模块传输至中继镜模块的激光光束的传播光路依次是经过1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜；目标模块上的信标激光器传输至中继镜模块的信标光的传播光路顺序是：信标光光束经过2#全反射凹双曲面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜和1#全反射凹双曲面镜；
激光光束经中继镜模块聚焦发射出来后通过下行传输路径上的下行大气湍流空间传播到目标模块。
2.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜***，其特征在于：自适应光学模块包括倾斜镜、波前校正器、1#分光镜、激光波前传感器、信标光波前传感器和波前控制器；目标模块上的信标激光器发射出的信标光经下行大气湍流空间传输到中继镜模块，到达中继镜模块后再通过上行大气湍流空间传输至自适应光学模块中的1#分光镜，信标光波前传感器接收从1#分光镜透射的信标光；激光器发射的激光光束依次经自适应光学模块中的倾斜镜、波前校正器传输至1#分光镜，其中大部分激光光束经1#分光镜反射出来后通过上行大气湍流空间传输至中继镜模块，经中继镜模块后通过下行大气湍流空间传输到目标模块；经分光镜透射出来的小部分激光光束由激光波前传感器接收，波前控制器把激光波前传感器和信标光波前传感器得到的波前数据相加后得到总的波前畸变，根据直接斜率法得到相应的相位控制信号，将相位控制制信号施加到波前校正器上，生成与波前控制器计算得到总的波前畸变相反的畸变。
3.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜***，其特征在于：自适应光学模块传输至中继镜模块的激光光束传输至由1#全反射凹双曲面镜和1#全反射凸双曲面镜组成的离轴望远镜***进行缩束；缩束后的激光光束依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜组成的离轴望远镜***后输出，输出的激光光束通过下行大气湍流空间传输至目标模块上。
4.根据权利要求1所述的浮空器激光中继镜***，其特征在于：目标模块上信标激光器传输至中继镜模块的信标光传输至由2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜组成的离轴望远镜***进行缩束；缩束后的信标光依次经过两面45度倾斜相对设置的全反射平面镜全反射后，入射至由1#全反射凹双曲面镜和1#全反射凸双曲面镜组成的离轴望远镜***后输出，输出的信标光通过上行大气湍流空间传输至自适应光学模块。
5.如权利要求1所述的浮空器激光中继镜***的仿真装置，其特征在于，包括：
仿真用激光器，产生激光光束；
仿真用自适应光学模块，实现激光光束净化和校正大气湍流像差的功能；
大气湍流模拟装置，产生大气湍流，模拟上行大气湍流空间以及模拟下行大气湍流空间；
仿真用中继镜模块，模拟浮空器上的中继镜模块，实现激光光束中继传输；
仿真用目标模块，由光斑分析仪和信标激光器组成，可实现中继传输至目标模块处激光功率的测量以及信标光的产生，其中信标光光束的波长小于激光器所产生激光光束的波长；
其中所述仿真用中继镜模块包括1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜；在仿真用中继镜模块中，信标光的传播光路与激光器发射激光光束的传播光路共光路；其中仿真用自适应光学模块传输至仿真用中继镜模块的激光光束的传播光路顺序是：光束经过1#全反射凹双曲面镜、1#全反射凸双曲面镜、1#全反射平面镜、2#全反射平面镜、2#全反射凸双曲面镜和2#全反射凹双曲面镜；仿真用目标模块上信标激光器传输至仿真用中继镜模块的信标光的传播光路顺序是：信标光光束经过2#全反射凹双曲面镜、2#全反射凸双曲面镜、2#全反射平面镜、1#全反射平面镜、1#全反射凸双曲面镜和1#全反射凹双曲面镜。
6.根据权利要求5所述的仿真装置，其特征在于，大气湍流模拟装置包括上行大气湍流发生器和下行大气湍流发生器，上行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用自适应光学模块传输到仿真用中继镜模块的上行传输路径上的模拟上行大气湍流空间；下行大气湍流发生器，产生激光光束从仿真用中继镜模块传输到仿真用目标模块的下行传输路径上的模拟下行大气湍流空间。
7.根据权利要求5所述的仿真装置，其特征在于，仿真用自适应光学模块包括倾斜镜、波前校正器、1#分光镜、激光波前传感器、信标光波前传感器和波前控制器；仿真用目标模块上的信标激光器发射出的信标光经模拟下行大气湍流空间传输到仿真用中继镜模块，到达仿真用中继镜模块后再通过模拟上行大气湍流空间传输至仿真用自适应光学模块中的1#分光镜，信标光波前传感器接收从1#分光镜透射的信标光；仿真用激光器发射的激光光束依次经仿真用自适应光学模块中的倾斜镜、波前校正器传输至1#分光镜，其中大部分激光光束经1#分光镜反射出来后通过模拟上行大气湍流空间传输至仿真用中继镜模块，经仿真用中继镜模块后通过模拟下行大气湍流空间传输到仿真用目标模块；经分光镜透射出来的小部分激光光束由激光波前传感器接收，波前控制器把激光波前传感器和信标光波前传感器得到的波前数据相加后得到总的波前畸变，根据直接斜率法得到相应的相位控制信号，将相位控制制信号施加到波前校正器上，生成与波前控制器计算得到总的波前畸变相反的畸变。
8.一种如权利要求5所述仿真装置的仿真方法，其特征在于，步骤如下：
(1)确定待仿真浮空器激光中继镜***的参数信息：
激光从地面传输至浮空器上的中继镜模块的上行传输距离zup；激光从浮空器上的中继镜模块传输至目标模块的下行传输距离zdown；激光器中心波长λ；激光器光束质量β；激光器发射直径a；中继镜模块的接收直径D1；中继镜模块的发射直径D2；波前校正器单元数目Nb；波前传感器子孔径数目Nh；上行和下行传输路径上的大气湍流相干长度；
(2)确定与步骤(1)中各参数对应的浮空器激光中继镜***仿真装置的仿真参数；
(2.1)浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用激光器的激光器中心波长、激光器光束质量以及仿真用自适应光学模块中的波前校正器单元数目、波前传感器子孔径数目均与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***中的对应参数相同；
(2.2)确定待仿真浮空器中继镜***中的仿真用激光器发射直径以及仿真用中继镜模块的发射直径；
设定浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输距离和下行传输距离分别与步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***的上行传输距离和下行传输距离的比值；浮空器激光中继镜***仿真装置中的激光器中心波长与待仿真浮空器中继镜***中的激光器中心波长相同；由此可计算出浮空器激光中继镜***仿真装置中的仿真用激光器发射直径、仿真用中继镜模块的发射直径，使得浮空器激光中继镜***仿真装置的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数分别与待仿真浮空器中继镜***的上行传输路径和下行传输路径上菲涅尔数相同；
(2.3)仿真用中继镜模块的接收直径是步骤(1)中待仿真浮空器中继镜***其中继镜模块光束发射直径的1/10；
(2.4)光束直径和传输路径上的大气湍流相干长度的比值反映了大气湍流影响光束的强弱；按照步骤(2.2)和(2.3)得到的仿真装置主要参数，计算给出仿真装置的上行、下行传输路径上的大气湍流相干长度，使得仿真装置和待仿真浮空器中继镜***传输路径上的这个比值相同；
(2.5)仿真装置中仿真用目标模块中光斑分析仪的探测器靶面半径需要大于传输至仿真用目标模块光斑半径的2倍；
(3)根据步骤(2)中确定的仿真参数，构建对应的浮空器中继镜***仿真装置，开启大气湍流模拟装置模拟不同强度的大气湍流环境，进行仿真。
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Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5557347A (en) * 1986-11-04 1996-09-17 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Ballistic missile boresight and inertial tracking system and method
DE102008027518B3 (de) * 2008-06-10 2010-03-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Spiegelobjektiv
WO2012013746A1 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 Carl Zeiss Smt Gmbh Euv exposure apparatus
CN104393930A (zh) * 2014-11-25 2015-03-04 中国科学院光电技术研究所 一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置
CN105610493A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 西安空间无线电技术研究所 一种基于逆用自适应技术的大气湍流模拟***及方法
WO2018194975A2 (en) * 2017-04-19 2018-10-25 Nikon Corporation Figoptical objective for operation in euv spectral region
CN108919289A (zh) * 2018-07-12 2018-11-30 中国人民解放军国防科技大学 无人机激光中继重定向能量传输装置
CN109283671A (zh) * 2018-11-09 2019-01-29 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学***
US10261296B1 (en) * 2014-08-29 2019-04-16 Wavefront Research, Inc. Telecentric reflective imager
CN209462383U (zh) * 2019-04-28 2019-10-01 湖南谱峰光电有限公司 一种浮空器激光中继镜***

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7002127B2 (en) * 2002-07-19 2006-02-21 Lockheed Corp Method and system for wavefront compensation
US6961171B2 (en) * 2002-10-17 2005-11-01 Raytheon Company Phase conjugate relay mirror apparatus for high energy laser system and method
US20180252504A1 (en) * 2016-04-28 2018-09-06 Kiwamu Takehisa Laser defense system and high altitude airship
CN209640601U (zh) * 2019-04-28 2019-11-15 湖南谱峰光电有限公司 浮空器激光中继镜***及其仿真装置

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5557347A (en) * 1986-11-04 1996-09-17 The Charles Stark Draper Laboratory, Inc. Ballistic missile boresight and inertial tracking system and method
DE102008027518B3 (de) * 2008-06-10 2010-03-25 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Spiegelobjektiv
WO2012013746A1 (en) * 2010-07-30 2012-02-02 Carl Zeiss Smt Gmbh Euv exposure apparatus
US10261296B1 (en) * 2014-08-29 2019-04-16 Wavefront Research, Inc. Telecentric reflective imager
CN104393930A (zh) * 2014-11-25 2015-03-04 中国科学院光电技术研究所 一种基于自适应光学技术提高空间相干光通信质量的装置
CN105610493A (zh) * 2015-12-21 2016-05-25 西安空间无线电技术研究所 一种基于逆用自适应技术的大气湍流模拟***及方法
WO2018194975A2 (en) * 2017-04-19 2018-10-25 Nikon Corporation Figoptical objective for operation in euv spectral region
CN108919289A (zh) * 2018-07-12 2018-11-30 中国人民解放军国防科技大学 无人机激光中继重定向能量传输装置
CN109283671A (zh) * 2018-11-09 2019-01-29 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种轻小型大视场低畸变的类同轴五反光学***
CN209462383U (zh) * 2019-04-28 2019-10-01 湖南谱峰光电有限公司 一种浮空器激光中继镜***

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
中继镜在100kW固体激光传输中的应用研究;吴慧云;中国优秀硕士学位论文全文数据库（电子期刊）信息科技辑;摘要、第1章、第2.1.5节、2.4节、3.2.1节、3.4.1节、5.3.2节 *
空间激光通信***中大气湍流的自适应补偿方法;李欢;长春理工大学学报（自然科学版）;第31卷(第2期);正文第1-3部分 *

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