СПОСОБ ОТРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИИ ЛАЗЕРНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СВЯЗИ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD FOR ELABORATION OF LASER SPACE COMMUNICATION TECHNOLOGY AND TEST BENCH FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к системам управления пучком лазерного излучения и технике лазерной космической связи, в том числе, и с использованием квантовых криптографических ключей. Более конкретно к способу отработки технологии лазерной космической связи и стендам для ею реализации, которые предназначены, как для подтверждения основных технических характеристик составных частей терминала и терминала в целом, так и для демонстрации работоспособности терминалов на всех этапах процесса проведения сеанса лазерной космической связи.
Из уровня техники известны стенды для проведения летных приемосдаточных испытаний космического лазерного терминала связи (Германия), представленные в статье (G. Muehlnikel, Н. Kämptner. F. Heine. Н. Zech, D. Troendle, R. Meyer, S. Philipp-May, The Alphasat GEO Laser Communication Terminal Flight Acceptance Tests; Proc. International Conference on Space Optical Systems and Applications (ICSOS) 2012, 13-1, Ajaccio, Corsica, France. October 9-12 (2012) [1]). В [1] приводится описание оборудования и методик испытания лазерного терминала связи, как для геостационарной, так и низкоорбитальной орбит. На отдельных стендах по стандартным процедурам космического приборостроения проверяется устойчивость терминала к различным механическим нагрузкам и электромагнитному излучению. На отдельном стенде, с применением пассивного демпфирования для снижения механических вибраций, при размещении терминала лазерной связи в термовакуумной камере, проводятся испытания для проверки характеристик и устойчивости работы составных частей терминала {его электрических связей, механической части, термического функционала, оптического функционала) в условиях моделирующих космическое пространство (вакуум, термическое и спектральное воздействие солнечного излучения, низкие температуры). В испытаниях оптического функционала определяются характеристики пучка лазерного излучения (мощность лазерного излучения, профиль волнового фронта лазерного пучка, поляризацию излучения, параллельность осей выходящего и входящего лазерных пучков). С помощью отдельного оптического устройства через оптическое волокно и согласующий телескоп на вход терминала подавалось излучение информационного лазерного пучка для определения вероятности ошибочного приема информации при различной скорости передачи данных в зависимости от уровня мощности лазерного излучения на входной апертуре терминала.
Таким образом, при всех испытаниях исследуются лишь характеристики и устойчивость к космическим условиям составных частей терминала и терминала в целом. Указанная архитектура испытательного стенда не позволяет моделировать этапы установление и поддержание лазерного канала связи между двумя терминалами, движущимися по своим орбитам, т.е. технологию организации лазерной космической связи. На стенде не воспроизводятся реальные (характерные для условий космоса) скорости угловых перемещений лазерных пучков двух терминалов при точности сопровождения и плотности мощности лазерного излучения на входе терминалов, которые реализуются в космических условиях, соответствующих заданным расстояниям между терминалами лазерной связи. Представленная архитектура испытательного стенда не позволяет проводить испытания терминалов при реальной работе канала связи между двумя терминалами с реализацией характерных для работы в космическом пространстве условий и функционированием всех составных частей терминалов задействованных в процессе обмена информацией между терминалами, с подтверждением возможности реализации требуемой скорости передачи с достижением приемлемой вероятности ошибочного приема при обмене информацией между этими терминалами (уровня (BER).
В качестве технического решения, характеризующего уровень техники, можно привести стенд для отработки точных контуров сопровождения оптических осей квантово-оптических систем, приведенный в патенте на изобретение RU 2464541 [Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Московский авиационный институт, Рой Ю.А., Выгон В.Г. и др., опубл. 20.10.2012, [2]], который предназначен для отработки (регулировки) точных контуров сопровождения квантово-оптических систем, например, в межспутниковых лазерных системах связи. Стенд состоит из первого лазерного терминала, второго лазерного терминала, устройства, задающего возмущение лазерных лучей, расположенного между ними, и блока контрольно-регистрирующей аппаратуры на базе ПЭВМ.
В стенде предлагаются терминалы с определенной архитектурой, причем своей для каждого из терминалов стенда, и которая весьма далека от используемой в реальных терминалах лазерной космической связи. В результате, поставить реальные терминалы космической связи в предлагаемый стенд и провести их испытания, с определением каких - либо конкретных характеристик терминалов, не представляется возможным.
Относительно используемого в данной заявке термина «терминал», необходимо отметить следующее. Под термином «терминал» понимается не только конкретное полностью законченное устройство, например реальный космический терминал, но и макет какой либо системы или систем терминала, определяющий основные технические характеристики реального терминала, что характерно для наземных терминалов лазерной космической связи, состоящих из нескольких, часто пространственно разнесенных систем, технические характеристики которых могут быть исследованы на предлагаемом стенде. В наземном терминале лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей может использоваться отдельный телескоп с узлом приемника квантовых состояний для формирования квантовых криптографических ключей.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является отработка технологии космической лазерной связи в наземных условиях при моделировании на испытательном стенде, как воздействующих факторов, так и режимов работы терминалов связи, реализующихся при функционировании терминалов в космических условиях.
Технический результат данного изобретения заключается в реализации возможности моделирования, с использованием реальных космических терминалов, как всех этапов установления, так и в дальнейшем поддержания лазерного канала связи между двумя космическими терминалами, движущимися по своим орбитам на любом заданном расстоянии, а также в реализации частичного моделирования канала связи между космическим и наземным терминалами лазерной космической связи.
Технический результат, с решением вышеуказанной задачи, в способе отработки технологии лазерной космической связи достигается тем. что размещают первый и второй терминалы оптической линии связи перед первой и второй оптическими системами, соответственно, совмещают фокус первой оптической системы с фокусом второй оптической системы; определяют ориентацию оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат: обеспечивают на входной апертуре терминалов плотность мощности излучения лазерных пучков соответствующую моделируемому расстоянию между терминалами в условиях космоса с помощью оптических элементов первой и второй оптических систем, генерируют, по крайней мере, по одному пучку лазерного излучения первым и вторым терминалом, направляют указанные пучки в апертуры первой и второй оптических систем, соответственно, обеспечивают прохождение излучения указанных пучков, по крайней мере, через одно отверстие, расположенное в области общего фокуса оптических систем, формируют из излучения указанных пучков с помощью каждого из указанных отверстий, расположенных в одной плоскости, по крайней мере, по одному, квазигомоцентрическому пучку лазерного излучения первого и второго терминала; непрерывно регистрируют излучение квазигомоцентрических пучков первого и второго терминала, прошедших через вторую и первую оптическую систему, приемной системой второго и первого терминала, соответственно, обеспечивают прохождение оси. по крайней мере, одного пучка лазерного излучения каждого из указанных терминалов через ось симметрии отверстий, либо центр определенного отверстия с помощью опорно-поворотного устройства и контура точного сопровождения указанною терминала, сигналы управления на которые вырабатывают с учетом сигналов с приемной системы указанного терминала при регистрации излучения квазигомоцентрических пучков другого терминала.
Кроме этого, ориентацию строительных осей первого и второго терминала и оптических осей оптических систем могут определять в небесной системе координат для заданных моментов времени с использованием звездных датчиков, установленных на терминалах.
После определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат, могут осуществлять непрерывное изменение положения строительных осей, по крайней мере, одного терминала причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения указанного терминала вырабатывают с учетом изменения направления строительных осей указанного терминала.
После определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат; могут осуществлять непрерывное изменение углового направления отраженных от зеркальной поверхности, установленной, по крайней мере, в одной оптической системе, лазерных пучков соответствующего терминала, причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения указанного терминала вырабатывают с учетом изменения углового направления отраженных от указанной зеркальной поверхности лазерных пучков соответствующего терминала.
После определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат, могут осуществлять непрерывное угловое перемещение, по крайней мере, одного отверстия, определенное из соотношения Δ(t)/F, где Δ(t) вектор перемещения каждого из указанных отверстий в плоскости их расположения в зависимости от времени t, a F - фокусное расстояние оптической системы, причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения первого и второго терминалов вырабатывают с учетом углового перемещения указанных отверстий для первой и второй оптических систем, соответственно.
При генерировании первого пучка лазерного излучения каждым терминалом величину расходимости излучения указанных пучков могут выбирать превышающей угловую зону неопределенности положения терминалов, а при генерировании терминалами вторых и последующих пучков лазерного излучения величину расходимости пучков выбирают существенно меньшей, чем расходимость первых пучков.
При направлении, по крайней мере, первого пучка лазерного излучения каждым терминалом в апертуру первой и второй оптической системы могут выполнять угловое сканирование указанными пучками в угловой зоне превышающей угловую зону неопределенности положения терминалов с помощью опорно-поворотного устройства и контура точного сопровождения каждого терминала, прекращают угловое сканирование после начала непрерывной регистрации приемными системами каждого из терминалов лазерного излучения квазигомоцентрического пучка другого терминала.
При генерировании пучков лазерного излучения первым и вторым терминалом, могут непрерывно изменять мощность излучения по крайней мере, одного лазерного пучка каждого терминала
После регистрации приемной системой, по крайней мере, одного из терминалов излучения квазигомоцентрического пучка, сформированного из информационного лазерного пучка другого терминала, приемной системой указанного терминала, могут принимать тестовую информацию, передаваемую по информационному лазерному пучку другого терминала, и определять вероятность ошибочного приема передаваемой информации.
Технический результат, с решением вышеуказанной задачи, в стенде для отработки технологии лазерной космической связь достигается тем, что стенд содержит первую оптическую систему в виде первого длиннофокусного объектива и вторую оптическую систему, включающую, по крайней мере, один объектив, являющийся вторым длиннофокусным объективом, при этом задний фокус первого длиннофокусного объектива совмещен, по крайней мере, с задним фокусом второго длиннофокусного объектива; в области общего фокуса первого длиннофокусного объектива и, по крайней мере, второго длиннофокусного объектива расположено, по крайней мере, одно отверстие узла диафрагм, причем величина диаметра отверстий узла диафрагм выбрана с возможностью формирования, на расположенных в одной плоскости указанных отверстиях, квазигомоцентрических пучков лазерного излучения терминалов связи; первый терминал оптической линии связи, со своей приемной системой, установлен перед первым длиннофокусным объективом, второй терминал оптической линии связи, со своей приемной системой, установлен, по крайней мере, перед вторым длиннофокусным объективом; терминалы, оптические системы и узел диафрагм установлены с возможностью регистрации приемной системой каждого терминала излучения лазерных пучков другого терминала, прошедшего через отверстие или отверстия узла диафрагм и обе оптические системы; в качестве первого терминала установлен космический терминал лазерной космической связи, либо его макет, а в качестве второго терминала - космический терминал, либо макеты космического или наземного терминала лазерной космической связи.
Кроме того, в стенде отверстия узла диафрагм могут быть выполнены в слое металла или диэлектрика, толщиной порядка одного микрона, непрозрачного к излучению терминалов, нанесенного на подложку прозрачную к указанному излучению. По крайней мере, один из терминалов может быть установлен на поворотном устройстве. По крайней мере, один из терминалов может быть размещен в термобарокамере с оптическим окном, пропускающим лазерное излучение первого и второго терминалов без ухудшения оптического качества прошедшего излучения. В оптических системах между узлом диафрагм и, по крайней мере, одним из длиннофокусных объективов, на его оптической оси, дополнительно может быть установлен отражающий дефлектор. Узел диафрагм может быть выполнен с возможностью перемещения отверстий узла диафрагм в плоскости их расположения.
В стенде при размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей и расположении в области общего фокуса одного отверстия узла диафрагм, по направлению распространения квазигомоцентрического пучка, сформированного из излучения лазерного пучка квантового канала связи первого терминала последовательно установлены дихроичный светоделитель, объектив приемника, фокальная плоскость которого совпадает с отверстием узла диафрагм, дополнительно включенные во вторую оптическую систему, и узел приемника квантовых состояний приемной системы указанного макета терминала, причем указанный узел выполнен с возможностью регистрации излучения, по крайней мере, одного указанного квазигомоцентрического пучка, при этом величина диаметра d указанного отверстия выбирается из формулы d=DF/L, где D диаметр приемного телескопа квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи, L - предполагаемое расстояние между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи, a F - фокусное расстояние первого длиннофокусного объектива Узел приемника квантовых состояний приемной системы макета наземного терминала может быть выполнен с возможностью вращения вокруг оси квазигомоцентрического пучка, сформированного из излучения лазерного пучка квантового канала связи первого терминала. При размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи и расположении в области общего фокуса нескольких отверстий узла диафрагм, во второй оптической системе по направлению распространения квазигомоцентрических пучков, дополнительно может быть установлен дихроичный светоделитель и формирующий объектив, выполненный с возможностью построения, в излучении, по крайней мере, одного из лазерных пучков первого терминала, изображения плоскости указанных отверстий. Формирующий объектив может быть выполнен из двух последовательно установленных оптических элементов, причем передняя фокальная плоскость его первого элемента совпадает с плоскостью указанных отверстий узла диафрагм.
При размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи, во второй оптической системе между вторым длиннофокусным объективом и указанным макетом наземного терминала, и/или между объективом приемника и узлом приемника квантовых состояний приемной системы макета указанного наземного терминала, и/или между первым и вторым элементом формирующего объектива, дополнительно может быть установлен генератор оптической турбулентности.
Стенд дополнительно может содержать установленные, аналогично первой и второй оптическим системам, узлу диафрагм и макету наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, аналоги первой и второй оптических систем, либо аналог второй оптической системы, аналог узла диафрагм и аналог указанного макета наземного терминала, причем аналоги оптических систем, аналог узла диафрагм и аналог указанного макета наземного терминала установлены с возможностью регистрации излучения лазерных пучков первого терминала, а первый терминал установлен с возможностью дополнительной регистрации излучения лазерных пучков аналога указанного макета наземного терминала, причем указанный макет наземного терминал и аналог указанного макета наземного терминала соединены волоконно-оптической линией связи. В случае дополнительного включения аналогов первой и второй оптических систем, аналога узла диафрагм и аналога макета наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, первый терминал установлен с дополнительной возможностью размещения перед аналогом первого длиннофокусного объектива. В случае дополнительного включения аналогов второй оптической системы, узла диафрагм и макета наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, на оптической оси первого длиннофокусного объектива дополнительно установлена зеркальная поверхность с возможностью образования в первом положении зеркальной поверхности - области общего фокуса первого и второго длиннофокусных объективов, во втором положении зеркальной поверхности - области общего фокуса первого и аналога второго длиннофокусных объективов.
Влияние отличительных признаков патентной формулы способа на технический результат.
Размещение первого и второю терминалов оптической линии связи перед первой и второй оптическими системами соответственно и совмещение фокуса первой оптической системы с фокусом второй оптической системы, позволяет использовать указанные оптические системы для фокусировки излучения лазерных пучков, выходящих из терминалов, в фокальной плоскости каждой из оптических систем. В области фокуса оптических систем формируется угловое распределение плотности мощности лазерного излучения терминалов в относительных единицах эквивалентное угловому распределению излучения лазерных пучков терминалов в дальней зоне. Именно в дальней зоне и работают терминалы при организации лазерной связи в космическом пространстве на расстояниях между космическими терминалами в сотни и более километров. При софокусном размещении оптических систем исключаются неконтролируемые потери излучения терминалов между первой и второй оптическими системами. Использование в стенде одновременно двух реальных терминалов позволяет наиболее полно моделировать установление и поддержание лазерного канала связи между двумя космическими терминалами, движущимися по своим орбитам.
Определение ориентации оптических осей каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат обеспечивает в этой системе координат однозначное определение углового положения осей лазерных пучков терминалов относительно оптических осей оптических систем, что позволяет с необходимой точностью управлять угловым положением лазерных пучков при моделировании режимов организации лазерной космической связи.
Обеспечение на входной апертуре терминалов плотности мощности излучения лазерных пучков соответствующей моделируемому расстоянию между терминалами в условиях космоса с помощью оптических элементов первой и второй оптических систем, позволяет при испытаниях на стенде воспроизвести на входной апертуре терминалов плотность мощности излучения лазерных пучков, которая может быть реализована в максимуме углового распределения излучения лазерного пучка, при прохождении оси пучка через входную апертуру терминала в условиях космоса, т.е. при исключении ошибок сопровождения.
Генерирование, по крайней мере, по одному пучку лазерного излучения первым и вторым терминалами и направление указанных пучков в апертуры первой и второй оптических систем, соответственно, позволяет осуществить отработку технологии лазерной космической связи с помощью предлагаемого стенда.
Обеспечение прохождения излучения указанных пучков, по крайней мере, через одно отверстие, расположенное в области общего фокуса оптических систем, позволяет использовать отверстия для организации технологического взаимодействия у казанных терминалов через их лазерное излучение с угловым распределением плотности мощности лазерного излучения соответствующим дальней зоне. Под областью общего фокуса оптических систем понимается область пространства, внутри которой находятся фокус, как первой, так и второй оптических систем и через которую проходят сфокусированные пучки лазерного излучения терминалов. В области общего фокуса угловое распределение плотности мощности лазерного излучения обоих терминалов в относительных единицах практически совпадает с угловым распределением излучения лазерных пучков терминалов в дальней зоне.
Формирование из излучения указанных пучков с помощью каждого из указанных отверстий, расположенных в одной плоскости, по крайней мере, по одному, квазигомоцентрическому пучку лазерного излучения первого и второго терминала позволяет после прохождения соответствующей оптической системы получить на ее выходе из квазигомоцентрических пучков каждого из терминалов лазерные пучки дифракционного качества с величиной диаметра пучка равной диаметру апертуры оптической системы. Формирование квазигомоцентрического пучка лазерного излучения предполагает, что лучи пучка исходят не из точечного источника, как для гомоцентрического пучка, а из некоторой конечной, но достаточно малой области - указанного отверстия узла диафрагм. Таким образом, лазерные пучки, входящие в оптические системы терминалов, как в условиях космоса, так и в стенде, обладают плоским волновым фронтом дифракционного качества, соответствующим апертуре оптической системы терминалов. Мощность излучения в сформированном квазигомоцентрическом пучке излучения терминалов определяется характерным диаметром указанного отверстия узла диафрагм и той частью сфокусированного лазерного пучка в области общего фокуса, которая пройдет через указанное отверстие. Характерный размер указанного отверстия значительно меньше размера лазерного пятна терминалов в области общего фокуса при фокусировке излучения лазерных пучков. Таким образом, плотность мощности квазигомоцентрического лазерного пучка на выходе первой и второй оптических систем однозначно определяется угловым отклонением оси лазерного пучка терминала от указанного отверстия (т.е. точностью сопровождения). Отношение величины плотности мощности лазерного излучения на входных апертурах терминалов в стенде и в космическом пространстве постоянно, при одинаковых угловых отклонениях оси лазерного пучка либо от центра указанного отверстия в стенде, либо от входной апертуры терминала в космосе. Это позволяет моделировать на стенде точность сопровождения пучками лазерного излучения терминалов в космосе, а также воспроизводить снижение плотности мощности лазерного пучка на входе терминала при отклонениях оси пучка от входной апертуры терминала при работе в космических условиях.
Непрерывная регистрация излучения квазигомоцентрических пучков первого и второго терминала, прошедших через вторую и первую оптическую систему, приемной системой второго и первого терминала, соответственно, позволяет управлять угловым перемещением осей лазерных пучков терминалов и подтверждать работу канала связи в режиме обмена информацией.
Обеспечение прохождение оси. по крайней мере, одного пучка лазерного излучения каждого из указанных терминалов через ось симметрии отверстий, либо центр определенного отверстия узла диафрагм с помощью опорно-поворотного устройства и контура точного сопровождения указанного терминала, сигналы управления на которые вырабатывают с учетом сигналов с приемной системы указанного терминала при регистрации излучения квазигомоцентрических пучков другого терминала, позволяет моделировать осуществление взаимной точности сопровождения, которая может быть достигнута между двумя космическими терминалами, с функционированием всех составных частей терминалов, в условиях максимально моделирующих космические.
Определение ориентации строительных осей первого и второго терминала и оптических осей оптических систем в небесной системе координат для заданных моментов времени с использованием звездных датчиков, установленных на терминалах, позволяет наиболее полно моделировать условия проведения процесса ориентации терминалов связи в космических условиях.
Осуществление после определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат непрерывного изменения положения строительных осей, по крайней мере, одного терминала, причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения указанного терминала вырабатывают с учетом изменения направления строительных осей указанного терминала, позволяет моделировать изменение углового направления строительных осей терминала при движении космического терминала по орбите.
Осуществление после определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат непрерывного изменения углового направления отраженных от зеркальной поверхности, установленной, по крайней мере, в одной оптической системе, лазерных пучков соответствующего терминала, причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения указанного терминала вырабатывают учетом изменения углового направления отраженных от указанной зеркальной поверхности лазерных пучков соответствующего терминала, позволяет моделировать, как изменение углового направления оси лазерного пучка соответствующего терминала, вызванного микровибрациями терминала, так и изменение углового направления его строительных осей при движении космического терминала по орбите.
Осуществление, после определения ориентации оптической оси каждой оптической системы и строительных осей терминалов в заданной системе координат, непрерывного углового перемещения отверстий узла диафрагм, определенного из соотношения Δ(t)/F, где Δ(t) вектор перемещения каждого из указанных отверстий в плоскости их расположения в зависимости от времени t, a F - фокусное расстояние оптической системы, причем сигналы управления на опорно-поворотное устройство и контур точного сопровождения первого и второго терминалов вырабатывают с учетом углового перемещения указанных отверстий для первой и второй оптических систем, соответственно, позволяет моделировать, как высокочастотное изменение углового направления осей лазерных пучков первого и второго терминалов при их движении по орбите вызванное угловой микровибрацией терминалов, так и ошибки сопровождения космического терминала наземным терминалом.
При генерировании первого пучка лазерного излучения каждым терминалом осуществление выбора величины расходимости излучения указанных пучков превышающей угловую зону неопределенности положения терминалов, а при генерировании терминалами вторых и последующих пучков лазерного излучения осуществление выбора величины расходимости пучков существенно меньшей, чем расходимость первых пучков, позволяет отрабатывать технологию космической связи в режиме поиска, например, с использованием пучков лазерного излучения маяков, расходимость пучков излучения которых несколько больше угловой зоны Неопределенности положения терминалов при их относительном движении.
При направлении, по крайней мере, первого пучка лазерного излучения каждым терминалом в апертуру первой и второй оптической системы, выполнение углового сканирования указанными пучками в угловой зоне превышающей угловую зону неопределенности положения терминалов с помощью опорно-поворотного устройства и контура точного сопровождения каждого терминала, и прекращение углового сканирования после начала непрерывной регистрации приемными системами каждого из терминалов лазерного излучения квазигомоцентрического пучка другого терминала, позволяет отрабатывать технологию космической связи в режиме поиска с использованием углового сканирования лазерными пучками, обладающими малой угловой расходимостью, в угловой зоне превышающей угловую зону неопределенности положения терминалов при осуществлении лазерной космической связи..
При генерировании пучков лазерного излучения первым и вторым терминалом непрерывное изменение мощности излучения, по крайней мере, одного лазерного пучка каждого терминала, позволяет моделировать изменение величины плотности мощности лазерного излучения на входных апертурах терминалов в зависимости от изменения расстояния между терминалами.
сохранением дифракционного качества пучков лазерного излучения на входных апертурах терминалов.
Под областью общего фокуса оптических систем понимается область пространства, внутри которой находятся задний фокус, как первого, так и второго длиннофокусных объективов. Точки указанных фокусов располагаются на некотором малом расстоянии друг от друга - ошибке совмещения. Указанная ошибка возникает при сборке и юстировке оптической схемы стенда. Тем не менее, поперечные размеры области общего фокуса совместно с ее продольным размером, относительно оптической оси длиннофокусного объектива. обеспечивают при прохождении осей сфокусированных лазерных пучков терминалов через область общего фокуса, отличие относительного распределения плотности мощности по сечению указанных пучков излучения от ее распределения в фокальной плоскости длиннофокусных объективов, т.е. точного распределения в дальней зоне (в области нахождения терминала в реальных космических условиях) не более, чем на заданную малую величину. Угловая ошибка сопровождения на стенде - это угловое отклонение оси указанного пучка лазерного излучения от центра отверстия узла диафрагм, при определенной величине отверстия. Угловая ошибка сопровождения в космических условиях - это угловое отклонение оси пучка лазерного излучения от входной апертуры терминала в реальных космических условиях. При достаточно малом диаметре отверстия узла диафрагм, отношение величины плотности мощности лазерного излучения на входной апертуре терминала в космических условиях к величине плотности мощности лазерного излучения на входной апертуре терминала в стенде, при одинаковых угловых ошибках сопровождения, является практически постоянной величиной. Как показывают расчеты, постоянство этого отношения будет выполняться с точностью лучше 5%., что позволяет с высокой точностью моделировать наведение лазерных пучков терминалов в условиях космоса на предлагаемом стенде.
Размещение первого терминала оптической линии связи, со своей приемной системой, перед первым длиннофокусным объективом, второго терминала оптической линии связи, со своей приемной системой, по крайней мере, перед вторым длиннофокусным объективом позволяет осуществлять испытание терминалов на проверку их соответствия требованиям технологии лазерной космической связи.
Размещение терминалов, оптических систем и узла диафрагм с возможностью регистрации приемной системой каждого терминала излучения лазерных пучков другого терминала, прошедшего через отверстие или отверстия узла диафрагм и обе оптические системы, позволяет организовать взаимодействие между терминалами через лазерное излучение для моделирования технологии лазерной космической связи в условиях максимально приближенных к реальным.
Размещение в качестве первого терминала либо космического терминала лазерной космической связи, либо его макета, а в качестве второго терминала - космического терминала, либо макета космического или наземного терминала лазерной космической связи, позволяет моделировать все режимы работы лазерной космической связи между двумя космическими терминалами, а также основные режимы работы лазерной космической связи между космическим терминалом и макетом наземного терминала в том числе и наземного терминала лазерной космической связи, включающего канал формирования и использования квантовых криптографических ключей.
Выполнение отверстия узла диафрагм в слое металла или диэлектрика, толщиной порядка одного микрона, непрозрачною к излучению терминалов, нанесенного на подложку, прозрачную к указанному излучению позволяет исключить влияние толщины слоя на угловую направленность лазерного излучения прошедшего через отверстие (т.е. исключить коллимацию света при диаметрах отверстий в несколько микрон). Слой металла обладает высокой теплопроводность, имеет высокий коэффициент отражения излучение строго в заданном направлении (т.е. обеспечивает высокую лучевую стойкость слоя и контролируемость направления отраженного пучка излучения), наиболее технологичен для нанесения, но влияет на состояние поляризации лазерного излучения терминалов, прошедшего через отверстие диаметром до 3 мкм. Слой диэлектрика не влияет на состояние поляризации лазерного излучения терминалов, прошедшего через отверстие. Непрозрачность слоя к излучению терминалов позволяет сформировать отверстия диафрагмы, а прозрачность подложки к указанному излучению позволяет использовать отверстие диафрагмы для его облучения лазерными пучками терминалов с обеих сторон.
Размещение, по крайней мере, одного из терминалов на поворотном устройстве позволяет осуществить изменение направления строительных осей указанного терминала для моделирования поворота указанных осей при движении терминала в космическом пространстве.
Размещение, по крайней мере, одного из терминалов в термобарокамере, с оптическим окном, пропускающим лазерное излучение первого и второго терминалов без ухудшения оптического качества прошедшего излучения, позволяет в условиях воспроизводящих космические (по вакууму, по абсолютному перепаду температур, потоку солнечной радиации и т.д.) осуществить моделирование канала связи между двумя терминалами с дифракционным качеством излучения лазерных пучков, прошедших через оптическое окно.
Размещение в оптических системах между узлом диафрагм и, по крайней мере, одним из длиннофокусных объективов, на его оптической оси, дополнительного отражающего дефлектора, позволяет моделировать как поворот строительных осей терминала в диапазоне углов до нескольких градусов, так и высокочастотные угловые перемещения оптических осей лазерных пучков указанного терминала, по величине в десятки микрорадиан с частотой в сотни Гц, которые реализуются в космических условиях при организации лазерной связи.
Выполнение узла диафрагм с возможностью перемещения отверстий узла диафрагм в плоскости их расположения, позволяет моделировать высокочастотные угловые перемещения осей лазерных пучков обоих терминалов по величине в десятки микрорадиан, которые реализуются в космических условиях при организации лазерной связи, а также ошибки сопровождения космического терминала телескопом с большой апертурой наземного терминала.
При размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей и расположении в области общего фокуса одного отверстия узла диафрагм, последовательная установка по направлению распространения квазигомоцентрического пучка, сформированного из излучения лазерного пучка квантового канала связи первого терминала, дихроичного светоделителя, объектива приемника, фокальная плоскость которого совпадает с отверстием узла диафрагм, дополнительно включенных во вторую оптическую систему, и узла приемника квантовых состояний приемной системы указанного макета терминала, с выполнением указанного узла с возможностью регистрации излучения, по крайней мере, одного указанного квазигомоцентрического пучка, с величиной диаметра d указанного отверстия выбранной из формулы d=DF/L, где D - диаметр приемного телескопа квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи, L - предполагаемое расстояние между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи, a F - фокусное расстояние первого длиннофокусного объектива, позволяет моделировать организацию космической лазерной связи с формированием и использованием квантовых криптографических ключей между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи системы космической квантовой криптографии.
В предложенном размещении дихроичный светоделитель позволяет выделить определенный квазигомоцентрический пучок излучения первого терминала, а именно, квазигомоцентрический пучок излучения квантового канала связи. Объектив приемника, фокальная плоскость которого совпадает с отверстием узла диафрагм, формирует параллельный пучок лазерного излучения квантового канала связи, с качеством близким к дифракционному, поступающий на вход узла приемника квантовых состояний приемной системы макета наземного терминала лазерной космической связи. В качестве узла приемника квантовых состояний целесообразно использовать реальный узел наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей. При фокусировке первым длиннофокусным объективом излучения лазерных пучков в его фокальной плоскости формируется угловое распределение плотности мощности лазерного излучения в относительных единицах эквивалентное угловому распределению плотности мощности лазерного излучения первого космического терминала в дальней зоне (на приемном телескопе квантового канала связи наземного терминала), на расстоянии L между космическим терминалом, находящемся на космической орбите, и наземным терминалом лазерной космической связи. Для пучка излучения квантового канала связи величина диаметра d указанного отверстия узла диафрагм, установленного в фокальной плоскости длиннофокусного объектива с фокусным расстоянием F,. моделирует угловую область пространства, которая определяется диаметром D приемного телескопа квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи, расположенном на расстоянии L от космического терминала. Угловой размер моделируемой области определяется плоским углом
Отсюда, диаметр отверстия d=DF/L. Таким образом, через указанное отверстие диаметром d в стенде пройдет такая же часть мощности лазерного излучениям квантового канала связи, как и через входную апертуру приемного телескопа с диаметром D квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи системы космической квантовой криптографии. Таким образом, характеристики пучка лазерного излучения квантового канала связи на входе узла приемника квантовых состояний в стенде по мощности пучка, его расходимости, состоянию поляризации и точности его наведения будут полностью совпадать с характеристиками пучка на входе узла приемника квантовых состояний квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи системы космической квантовой криптографии.
Выполнение узла приемника квантовых состояний приемной системы макета наземного терминала с возможностью вращения вокруг оси квазигомоцентрического пучка, сформированного из излучения лазерного пучка квантового каната связи первого терминала, позволяет моделировать разворот поляризации излучения квантового канала связи вокруг линии визирования между космическим терминалом и приемным телескопом наземного терминала системы космической квантовой криптографии для отработки технологии формирования квантовых криптографических ключей между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи системы космической квантовой криптографии.
При размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи и расположении в области общего фокуса нескольких отверстий узла диафрагм, во второй оптической системе по направлению распространения квазигомоцентрических пучков, дополнительная установка дихроичного светоделителя и формирующего объектива, выполненного с возможностью построения в излучении, по крайней мере, одного из лазерных пучков первого терминала, изображения плоскости указанных отверстий, позволяет моделировать лазерную связь между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи, включающим несколько приемо-передающих систем, а также осуществлять корректировку наведения лазерного излучения космического терминала на наземный терминал, в том числе и на приемный телескоп квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи, для у меньшения потерь лазерного излучения при осуществлении связи. В предложенном размещении дихроичный светоделитель позволяет выделить определенный квазигомоцентрический пучок излучения первого терминала, а именно, квазигомоцентрический пучок излучения информационного канала связи.
Выполнение формирующего объектива из двух последовательно установленных оптических элементов, с совмещением передней фокальной плоскости его первого элемента с плоскостью у казанных отверстий узла диафрагм, позволяет создавать более гибкую архитектуру стенда.
При размещении в качестве второго терминала макета наземного терминала лазерной космической связи дополнительная установка генератора оптической турбулентности во второй оптической системе между вторым длиннофокусным объективом и указанным макетом наземного терминала, и/или между объективом приемника и узлом приемника квантовых состояний приемной системы макета указанного наземного терминала, и/или между первым и вторым элементом формирующего объектива, позволяет моделировать влияние слоя атмосферы на технологию лазерной космической связи между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи.
Включение дополнительно установленных, аналогично первой и второй оптическим системам, узлу диафрагм и макету наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, аналогов первой и второй оптических систем, либо аналога второй оптической системы, аналога узла диафрагм и аналога указанного макета наземного терминала, причем аналоги оптических систем, аналог узла диафрагм и аналог указанного макета наземного терминала установлены с возможностью регистрации излучения лазерных пучков первого терминала, а первый терминал установлен с возможностью дополнительной регистрации излучения лазерных пучков аналога указанного макета наземного терминала, причем указанный макет наземного терминала и аналог указанного макета наземного терминала соединены волоконно-оптической линией связи, позволяет моделировать последовательное формирование квантовых криптографических ключей между движущимся по орбите космическим терминалом и первым или вторым наземными терминалами лазерной космической связи системы космической квантовой криптографии, а также моделировать передачу информации, зашифрованной сформированными квантовыми ключами, между указанными наземными терминалами для отработки технологии лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей.
При дополнительном включении аналогов первой и второй оптических систем, аналога узла диафрагм и аналога макета наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, установка первого терминала с дополнительной возможностью размещения перед аналогом первого длиннофокусного объектива, а при дополнительном включении аналогов второй оптической системы, узла диафрагм и указанного макета наземного терминала, дополнительная установка на оптической оси первого длиннофокусного объектива зеркальной поверхности, с возможностью образования в первом положении зеркальной поверхности - области общею фокуса первого и второго длиннофокусных объективов, во втором положении зеркальной поверхности - области общего фокуса первого и аналога второго длиннофокусных объективов, позволяет оптимизировать архитектуру стенда.
Сущность заявляемого изобретения поясняется рядом фигур.
На фиг. 1 изображена оптическая схема стенда.
На фиг. 2 схематически изображен узел диафрагм.
На фиг. 3 схематично изображено расположение одного из терминалов в термобарокамере на поворотном устройстве.
На фиг. 4 изображена архитектура стенда в области узла диафрагм с узлом приемника квантовых состояний.
На фиг. 5 изображена архитектура стенда в области узла диафрагм с формирующим объективом.
На фиг. 6 изображена архитектура стенда для моделирования последовательного формирования квантовых криптографических ключей (варианты а) и б)).
На фигурах позициями обозначены:
1 - первый длиннофокусный объектив.
2 - второй длиннофокусный объектив,
3 - первая оптическая система,
4 - вторая оптическая система,
5 - задний фокус первого длиннофокусного объектива,
6 - задний фокус второго длиннофокусного объектива.
7 - область общего фокуса первого и второго длиннофокусных объективов,
8 - отверстие узла диафрагм,
9 - квазигомоцентрический пучок лазерного излучения первого терминала связи,
10 - квазигомоцентрический пучок лазерного излучения второго терминала связи.
11 - первый терминал связи,
12 - второй терминал связи.
13 - приемная система первого или второго терминалов связи,
14 - узел диафрагм.
15 - лазерный пучок излучения первого терминала связи,
16 - лазерный пучок излучения второго терминала связи,
17 - строительные оси первого или второго терминала связи,
18 - оптическая ось первого или второго длиннофокусного объектива,
19 - ось лазерных пучков излучения первого или второго терминала связи,
20 - слой металла или диэлектрика.
21 - подложка.
22 - поворотное устройство,
23 - термобарокамера.
24 - оптическое окно,
25 - отражающий дефлектор.
26 - дихроичный светоделитель.
27 - объектив приемника,
28 - узел приемника квантовых состояний,
29 - формирующий объектив,
30 - плоскость отверстий,
31 - изображения плоскости отверстий
32 - первый оптический элемент формирующего объектива,
33 - второй оптический элемент формирующего объектива.
34 - генератор оптической турбулентности,
35 - аналог первой оптической системы,
36 - аналог второй оптической системы,
37 - аналог узла диафрагм,
38 - аналог второго терминала,
39 - волоконно-оптическая линия связи,
40 - аналог первого длиннофокусного объектива,
41 - зеркальная поверхность,
42 - аналог второго длиннофокусного объектива,
43 - лабораторная система координат,
44 - опорно-поворотное устройство (ОПУ) первого или второго терминала связи,
45 - контур точного сопровождения первого или второго терминала связи,
46 - звездный датчик.
Стенд содержит первую 3 оптическую систему в виде первого 1 длиннофокусного объектива и вторую 4 оптическую систему, включающую второй 2 длиннофокусный объективом, задний фокус 5 первого 1 длиннофокусного объектива совмещен с задним фокусом 6 второго 2 длиннофокусного объектива, В области общего фокуса 7 первого 1 длиннофокусного объектива и второго 2 длиннофокусного объектива расположено одно отверстие 8 узла диафрагм 14. причем величина диаметра отверстия 8 узла диафрагм 14 обеспечивает формирование на отверстии 8 квазигомоцентрических пучков 9 и 10 лазерного излучения первого 11 и второго 12 терминалов связи, соответственно. Размеры области общего фокуса 7 определяют пространственную область, в которой могут быть расположены фокусы 5 и 6 длиннофокусных объективов 1 и 2 и. соответственно, отверстие 8 узла диафрагм 14. При этом в области общего фокуса 7 обеспечивается отличие относительного распределения плотности мощности по сечению указанных пучков излучения от ее распределения в фокальной плоскости объективов 1 и 2, т.е. в дальней зоне, не более чем на 10%. Область общего фокуса 7 для длиннофокусных объективов 1 и 2 с фокусным расстоянием ~ 10 м и диаметром апертуры до 0,5 м имеет вид цилиндра с радиусом основания ~ 60 мм и высотой ≤2 мм, через основания которого проходят пучки излучения терминалов. Величина диаметра отверстия 8 узла диафрагм 14 для указанных длиннофокусных объективов 1 и 2 выбирается из интервала от 5 мкм до 25 мкм. Первый 11 терминал оптической линии связи, со своей приемной системой 13, установлен перед первым 1 длиннофокусным объективом, второй 12 терминал оптической линии связи, со своей приемной системой 13, установлен перед вторым 2 длиннофокусным объективом при этом диаметр апертуры оптической части терминалов составляет до 0,2 м; терминалы 11 и 12, оптические системы 3 и 4 и узел диафрагм 14 установлены с возможностью регистрации приемной системой 13 каждого терминала 11 и 12 излучения лазерных пучков 16 и 15 другого терминала 12 и 11, соответственно, прошедшего через отверстие 8 узла диафрагм 14 и обе 3 и 4 оптические системы. Указанная возможность обеспечивается построением оптической схемы стенда в лабораторной системе координат 43, включая расположение отверстия 8 узла диафрагм 14 и ориентацию строительных осей 17 каждого из терминалов. 11 и 12 относительно оптических осей 18 каждого из объективов 1 и 2, при которой опорно-поворотное устройство (ОПУ) 44 и контур точного сопровождения 45 терминалов 11 и 12 обеспечивает параллельность осей 19 лазерных пучков 15 и 16 терминалов 11 и 12 оптическим осям 18 каждого из длиннофокусных объективов 1 и 2 с прохождением всего лазерного пучка 15 или 16 через апертуру длиннофокусного объектива 1 или 2, соответственно. В качестве первою 11 терминала установлен космический терминал лазерной космической связи либо его макет, а в качестве второго 12 терминала - космический терминал, либо макет космического или наземного терминала лазерной космической связи. Космический терминал либо его макет могут быть снабжены двумя звездными датчиками 46. установленными на терминале 11 и 12.
Отверстие 8 узла диафрагм 14 выполнено в слое 20 металла (золота), толщиной порядка одного микрона, непрозрачного к излучению терминалов 11 и 12, нанесенного на подложку 21 (кварца), прозрачную к указанному излучению (с длинами волн от 0.8 до 1,6 мкм).
Первый 11 терминал установлен на поворотном устройстве 22 и расположен в термобарокамере 23, с оптическим окном 24 (кварц), пропускающим лазерное излучение первого 11 и второго 12 терминалов без ухудшения оптического качества прошедшего излучения. Под оптическим качеством излучения понимается угловое распределение плотности мощности лазерного излучения и состояние поляризации в пучках 15 и 10 лазерного излучения. В стенде между узлом диафрагм 14 и каждым из длиннофокусных объективов 1 и 2, на оптических осях 18 объективов 1 и 2, дополнительно установлен отражающий дефлектор 25, зеркальная поверхность которого имеет покрытия с различными коэффициентом отражения и выполнена с возможностью осуществления угловых перемещения с различной амплитудой и частотой. Специалисту в области механики понятно, что угловые перемещения со скоростями до 2 град/с, либо угловые вибрации с амплитудой до 100 мкрад и частотой до 200 Гц могут быть выполнены с применением различных известных механизмов. Узел диафрагм 14 выполнен с возможностью перемещения его отверстий 8 в плоскости их расположения. Специалисту в области механики понятно, что перемещения со скоростями до 0.2 м/с могут быть выполнены с применением различных известных механизмов.
В другом варианте реализации стенда в качестве второго 12 терминала установлен макет наземного терминала лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, в области общего фокуса 7 расположено одно отверстие 8 узла диафрагм 14, по направлению распространения квазигомоцентрического пучка 9, сформированного из излучения лазерного пучка 15 квантового канала связи первого 11 терминала, последовательно установлены дихроичный светоделитель 26, объектив приемника 27, фокальная плоскость которого совпадает с отверстием 8 узла диафрагм 14, дополнительно включенные во вторую 4 оптическую систему, и реальный узел приемника квантовых состояний 28 приемной системы 13 указанного макета терминала 12. Указанный узел 28 регистрирует излучение квазигомоцентрического пучка 9 квантового канала связи первого 11 космического терминала. Величина диаметра d указанного отверстия 8 выбирается из формулы d=DF/L, где D=1 м - диаметр приемного телескопа квантового канала связи наземного терминала лазерной космической связи, L=420 км - предполагаемое расстояние между космическим терминалом и наземным терминалом лазерной космической связи, a F=10 м - фокусное расстояние первого 1 длиннофокусного объектива, и составит d ≈ 24 мкм.
Узел приемника квантовых состояний 28 приемной системы 13 макета наземного терминала 12 выполнен с возможностью вращения вокруг оси квазигомоцентрического пучка 9, сформированного из излучения лазерного пучка 15 квантового канала связи первого 11 терминала Специалисту в области механики понятно, что вращения вокруг оси со скоростями до 2 град/с может быть выполнено с применением различных известных механизмов.
В другом варианте реализации стенда в качестве второго 12 терминала установлен макет наземного терминала лазерной космической связи, в узле диафрагм 14 выполнены четыре отверстия 8, расположенные в углах квадрата, во второй 4 оптической системе по направлению распространения квазигомоцентрических пучков 9. дополнительно установлен дихроичный светоделитель 26 с формирующим объективом 29. Объектив 29 строит изображение 31 плоскости 30 указанных отверстий 8 в излучении одного из лазерных пучков 15 первого 11 терминала. В плоскости изображения 31 размещена приемная площадка матричного фотоприемного устройства (на рисунке не показана). Расстояние между центрами противоположных отверстий составляет ~ 40 мкм при диаметре отверстий ~ 5 мкм Формирующий объектив 29 выполнен из двух последовательно установленных оптических элементов 32 и 33, причем передняя фокальная плоскость его первого оптического элемента 32 совпадает с плоскостью 30 указанных отверстий 8 узла диафрагм 14.
В качестве второго 12 терминала установлен макет наземного терминала лазерной космической связи, во второй 4 оптической системе между вторым 2 длиннофокусным объективом и макетом наземного терминала 12 оптической линии связи, и/или между объективом приемника 27 и узлом приемника квантовых состояний 28 приемной системы 13 макета наземного терминала 12, и/или между первым 31 и вторым 32 элементом формирующего объектива 29, дополнительно установлен генератор оптической турбулентности 34.
Стенд дополнительно содержит установленные, аналогично первой 3 и второй 4 оптическим системам, узлу диафрагм 14 и макету наземного терминала 12 лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, аналоги первой 35 и второй 36 оптических систем, либо аналог второй 36 оптической системы, аналог узла диафрагм 37 и аналог указанного макета наземного терминала 38. Аналог указанного макета наземного терминала 38 регистрирует излучение лазерных пучков первого 11 терминала, а первый 11 терминал дополнительно регистрирует излучение лазерных пучков указанного макета наземного терминала 38. прошедшее через аналоги 35 и 36 оптических систем и аналог узла диафрагм 37, причем указанный макет наземного терминала 12 и аналог указанного макета наземного терминала 38 соединены волоконно-оптической линией связи 39. В случае дополнительного включения аналогов первой 35 и второй 36 оптических систем, аналога узда диафрагм 37 и аналога макета наземного терминала 38 лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, первый 11 терминал установлен с дополнительной возможностью размещения, после поворота, перед аналогом первого 40 длиннофокусного объектива, например, при размещении на соответствующем поворотном устройстве. В случае дополнительного включения аналогов второй 36 оптической системы, узла диафрагм 37 и макета наземного терминала 38 лазерной космической связи с использованием квантовых криптографических ключей, на оптической оси 18 первого 1 длиннофокусного объектива дополнительно установлена зеркальная поверхность 41, например, на соответствующем поворотном столе, с возможностью образования в первом положении зеркальной поверхности 41 - области общего фокуса 7 первого 1 и второго 2 длиннофокусных объективов, во втором положении после поворота зеркальной поверхности 41 - области общего фокуса 7 первого 1 и аналога второго 42 длиннофокусных объективов.
Способ отработки технологии лазерной космической связи осуществляется на стенде следующим образом.
Размещают первый 11 и второй 12 терминалы оптической линии связи перед первой 3 оптической системой, в виде первого 1 длиннофокусного объектива, и второй 4 оптической системой в виде второго 2 длиннофокусного объектива, соответственно. Совмещают задний фокус 5 первого 1 длиннофокусного объектива с задним фокусом 6 второго 2 длиннофокусного объектива. Заднее вершинное фокусное расстояние объективов 1 и 2 определяют по известным методикам. Определяют ориентацию оптической оси 18 каждого длиннофокусного объектива 1 и 2 и строительных осей 17 терминалов 11 и 12 в лабораторной системе координат 43. Определение ориентации оптических осей 18 объективов 1, 2 и строительных осей 17 терминалов 11, 12, относительно осей лабораторной системы координат 43 производят в ручном режиме, после регистрации приемными системами 13 каждого из терминалов 11, 12 излучения лазерных пучков 16 и 15 другого терминала 12, 11, соответственно, прошедших оптические системы 3 и 4. Далее, используя показания датчиков угла поворота ОПУ 44 каждого терминала 11, 12 относительно положения строительных осей 17 терминалов 11, 12 и показания датчиков угла поворота строительных осей 17 терминалов относительно неподвижных оснований поворотных устройств 22 терминалов 11, 12 определяют ориентацию осей 18 объективов 1, 2 и строительных осей 17 терминалов 11, 12 в лабораторной системы координат 43. Обеспечивают на входной апертуре терминалов 11 и 12 плотность мощности излучения лазерных пучков 15 и 16 соответствующую моделируемому расстоянию между терминалами в условиях космоса с помощью оптических элементов первой 2 и второй 4 оптических систем, например, покрытий с необходимым коэффициентом отражения поверхности дефлектора 25, диаметра отверстий 8 узла диафрагм 14, оптических фильтров, расположенных на оси 18 объективов 1 и 2 (на рисунках не показаны). Для этого на стенде по известным методикам определяют угловое распределение плотности мощности излучения лазерных пучков 15 и 16 терминалов 11 и 12 в фокальной плоскости объективов 1 и 2, т.е. в дальней зоне. Далее, для измеренного углового распределения плотности мощности излучения лазерных пучков 15 и 16 рассчитывают плотность мощности излучения лазерных пучков 15 и 16 в максимуме углового распределения на входной апертуре терминалов для моделируемого расстояния между терминалами в условиях космоса. После чего, расчетно-экспериментальным методом с учетом потерь мощности при отражении и пропускании оптическими элементами оптических систем 3 и 4, рассчитанных и измеренных потерь излучения на отверстии диафрагмы, обеспечивают равенство плотности мощности излучения лазерных пучков 15 и 16 на входной апертуре терминалов 11 и 12 в условиях стенда и в космических условиях. Генерируют по одному пучку 15 и 16 лазерного излучения первым 11 и вторым 12 терминалом. Направляют указанные пучки 15 и 16 в апертуры первой 3 и второй 4 оптических систем, соответственно, и обеспечивают прохождение излучения указанных пучков 15 и 16 через одно отверстие 8, расположенное в области общего фокуса 7 длиннофокусных объективов 1 и 2. Прохождение излучения указанных пучков 15 и 16 через одно отверстие 8 обеспечивают в ручном режиме, либо используют программное обеспечение космических терминалов и в автоматическом режиме осуществляют наведение лазерных пучков 15 и 16 на отверстие 8, используя данные об ориентации строительных осей 17 терминалов 11 и 12 и оптических осей 18 длиннофокусных объективов 1 и 2 в лабораторной системе координат 43. Формируют из излучения указанных лазерных пучков 15 и 16 с помощью отверстия 8 по одному квазигомоцентрическому пучку 9 и 10 лазерного излучения первого 11 и второго 12 терминала.
Непрерывно регистрируют излучение квазигомоцентрических пучков 9 и 10 первого 11 и второго 12 терминала, прошедших через вторую 4 и первую 3 оптическую систему, приемной системой 13 второго 12 и первого 11 терминала соответственно. Преобразование принимаемых оптических сигналов в квазигомоцентрических пучках 9 и 10 в электрические сигналы позволяет осуществить управление угловым положением оси 19 выходящих лазерных пучков 15 и 16 терминалов 11 и 12, а также выделить информационную составляющую принимаемых оптических сигналов. Используя программное обеспечение космических терминалов в автоматическом режиме обеспечивают прохождение оси 19 одного пучка 15 и 16 лазерного излучения каждого из указанных терминалов 11 и 12 через центр отверстия 8 с помощью ОПУ 44 и контура точного сопровождения 45 указанного терминала 11 или 12, сигналы управления на которые вырабатывают с учетом сигналов с приемной системы 13 указанного терминала 11 или 12 при регистрации излучения квазигомоцентрических пучков 10 или 9 другого терминала 12 или 11, соответственно.
Ориентацию строительных осей 17 первого 11 и второго 12 терминала и оптических осей 18 длиннофокусных объективов 1 и 2 проводят в небесной системе координат для заданных моментов времени с использованием двух звездных датчиков 46, установленных на терминалах 11 и 12.
После определения ориентации оптических осей 18 длиннофокусных объективов 1 и 2 и строительных осей 17 терминалов 11 и 12 в лабораторной системе координат 43, дополнительно осуществляют с помощь поворотного устройства 22 непрерывное изменение положения строительных осей 17. одного терминала 11, причем сигналы управления на ОПУ 44 и контур точного сопровождения 45 указанного терминала 11 вырабатывают с учетом изменения направления строительных осей 17 указанного терминала 11.
После определения ориентации оптических осей 18 длиннофокусных объективов 1 и 2 и строительных осей 17 терминалов 11 и 12 в лабораторной системе координат 43. дополнительно осуществляют непрерывное изменение углового направления лазерных пучков 15 и 16 терминалов 11 и 12. при отражении от зеркальной поверхности отражающего дефлектора 25, установленного в первой 3 и во второй 4 оптических системах на оптических осях 18 длиннофокусных объективов 1 и 2, причем сигналы управления на ОПУ 44 и контур точного сопровождения 45 терминалов 11 и 12 вырабатывают учетом изменения углового направления лазерных пучков 15 и 16 терминалов 11 и 12, отраженных от зеркальной поверхности отражающего дефлектора 25.
После определения ориентации оптических осей 18 длиннофокусных объективов 1 и 2 и строительных осей 17 терминалов 11 и 12 в лабораторной системе координат 43, дополнительно осуществляют непрерывное угловое перемещение одного отверстия 8, определенное из соотношения Δ(t)/F, где Δ(t) вектор перемещения отверстия 8 в плоскости отверстия 8 по двум взаимно - перпендикулярным осям с амплитудой до ±1 мм, a F=10 m - фокусное расстояние каждой оптической системы, что соответствует угловым перемещениям до ±100 мкрад, в зависимости от времени t с характерной частотой изменения амплитуды до 200 Гц. причем сигналы управления на ОПУ 44 и контур точного сопровождения 45 терминалов 11 и 12 вырабатывают учетом углового перемещения отверстия 8 для первой 3 и второй 4 оптических систем, соответственно.
При генерировании первого пучка 15 и 16 лазерного излучения (излучения маяка) каждым терминалом 11 и 12 величину расходимости излучения первых пучков 15 и 16 (~1,5 мрад) выбирают превышающей угловую зону неопределенности положения космических терминалов 11 и 12 (~ 1 мрад), а при генерировании терминалами 11 и 12 вторых пучков 15 и 16 лазерного излучения (излучения информационного канала) величину расходимости пучков (~ 15 мкрад) выбирают существенно меньшей, чем расходимость излучения первых пучков 15 и 16.
При направлении, по крайней мере, первого пучка 15 и 16 лазерного излучения (излучения информационного канала) каждым терминалом 11 и 12 в апертуру первой 3 и второй 4 оптической системы, выполняют угловое сканирование указанными пучками 15 и 16 в угловой зоне превышающей угловую зону неопределенности положения космических терминалов 11 и 12 (~ 1 мрад) с помощью ОПУ 44 и контура точного сопровождения 45 каждого терминала, выполнение углового сканирования прекращают после начала непрерывной регистрации приемными системами 13 каждого из терминалов 11 или 12 лазерного излучения квазигомоцентрического пучка 10 или 9 другого терминала 12 или 11, соответственно.
При генерировании пучков 15 и 16 лазерного излучения первым 11 и вторым 12 терминалом, непрерывно изменяют мощность излучения одного лазерного пучка 15 и 16 каждого терминала 11 и 12 обратно пропорционально изменению квадрата расстояния между космическими терминалами для моделируемых траекторий движения космических терминалов.
После регистрации приемной системой 13 одного из терминалов 11 или 12 излучения квазигомоцентрического пучка 10 или 9, сформированного из информационного лазерного пучка 16 или 15 другого терминала 12 или 11, приемной системой указанного терминала 11 или 12, принимают тестовую информацию, передаваемую но информационному лазерному пучку другого терминала 12 или 11, соответственно, и определяют вероятность ошибочного приема передаваемой информации.
Таким образом, в наземных условиях на испытательном стенде моделируются, как воздействующие факторы космического пространства, так и все режимы работы терминалов связи, реализующиеся при функционировании терминалов в космических условиях.
На стенде при проведении испытаний реальных терминалов выходящие и входящие лазерные пучки терминалов имеют угловое распределение своего излучения одинаковое с распределением излучения терминалов в космическом пространстве. Выходящие лазерные пучки в стенде - это реальные пучки терминалов (в том числе гауссовы), а все входящие пучки обладают плоским волновым фронтом дифракционного качества, соответствующего входной апертуре оптической системы терминалов. При проведении испытаний на стенде воспроизводится характерная для космических условий скорость угловых перемещений лазерных пучков терминалов, в том числе и вызванная микровибрациями терминалов, которые приводят к достаточно высокочастотным угловым колебаниям осей лазерных пучков. В результате на стенде определяется достижимая точность взаимного сопровождения лазерными пучками терминалов в условиях практически соответствующим реальным космическим. Именно достижимая точность сопровождения и определяет возможность реализации технологии космической лазерной связи. На стенде воспроизводится плотность мощности лазерного излучения на входе терминалов, которая соответствует, как заданным расстояниям между терминалами лазерной связи, так и реализованной точности сопровождения лазерных пучков терминалов при их функционировании в космических условиях. В испытаниях на стенде при реальной работе канала связи с заданной скоростью передачи информации и воспроизведении реальной плотности мощности лазерного излучения на входе терминалов, с функционированием всех составных частей терминалов в режиме обмена информацией, подтверждается возможность достижения определенного уровня вероятности ошибочного приема информации между этими терминалами (уровня BER). На стенде воспроизводится организация лазерной связи между космическими терминалами, расположенными, как на околоземной орбите, так и между ними и терминалом, расположенном на геостационарной орбите. Кроме этого, на стенде можно отрабатывать организацию лазерной связи между космическим и наземным терминалом, включая лазерную связь с формированием и использованием квантовых криптографических ключей. При отработке протокола и алгоритмов квантового распределения ключей на стенде воспроизводятся все условия реального космического эксперимента, включая точность сопровождения и размеры апертуры приемного телескопа наземного пункта. Исключение составляет адекватность моделирования влияния атмосферы с помощью генераторов оптической турбулентности. На стенде может проводиться отработка специального программного обеспечения для всех режимов работы терминалов и перехода из одного режима в другой для условий космического пространства.
На предприятии проведено расчетно-теоретическое обоснование и начато изготовление стенда для отработки технологии лазерной космической связи.
В качестве длиннофокусных объективов будут использованы двухлинзовые объективы дифракционного качества со световой апертурой ≈300 мм и фокусным расстоянием ≈ 10000 мм. Отверстия узла диафрагм составляют от 6 до 25 мкм и выполнены в золотом покрытии толщиной ~ 1 мкм, нанесенного на кварцевую подложку.