專(zhuān)利名稱(chēng)：具有光軸自校準(zhǔn)的空間量子通信atp精跟蹤系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專(zhuān)利涉及一種光學(xué)系統(tǒng)中光軸自校準(zhǔn)系統(tǒng)，具體涉及一種具有光軸自校準(zhǔn)的空間量子通信ATP精跟蹤系統(tǒng)。
技術(shù)背景在星地或者星間量子通信中，由于通信距離遠(yuǎn)、光束窄以及存在外界干擾(如大氣影響、衛(wèi)星振動(dòng)等)，必須采用捕獲(Acquisition)，跟蹤(Tracking)和瞄準(zhǔn)(Pointing) 系統(tǒng)來(lái)建立維持光通信鏈路。該系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)ATP系統(tǒng)。ATP系統(tǒng)中，通信鏈路的一方發(fā)出一束較寬的信標(biāo)光進(jìn)行掃描，另一方搜索該信標(biāo)光。信標(biāo)光進(jìn)入該探測(cè)器視場(chǎng)并且被正確探測(cè)到，這個(gè)過(guò)程稱(chēng)為捕獲；ATP系統(tǒng)將信標(biāo)光捕獲后，雙方根據(jù)探測(cè)器提供的視軸偏差，控制跟蹤機(jī)構(gòu)，使其視軸跟隨入射光的視軸變化，稱(chēng)為跟蹤；在跟蹤的基礎(chǔ)上，雙方的視軸正確地指向?qū)Ψ揭曒S，稱(chēng)為瞄準(zhǔn)。雙方視軸可靠瞄準(zhǔn)后，發(fā)射端發(fā)射時(shí)間同步光使雙方建立時(shí)間同步，此時(shí)光通信鏈路已經(jīng)建立，可以打開(kāi)光束很窄的信號(hào)激光進(jìn)行通信。通常量子通信系統(tǒng)采用的量子通信激光的發(fā)散角非常小(20 μ rad左右)，對(duì)量子通信的ATP系統(tǒng)提出了很高的要求(一般要小于20 μ rad)。因此，量子通信捕獲跟瞄系統(tǒng)的光學(xué)校準(zhǔn)精度必須非常高(一般需要小于1 μ rad)?？臻g量子通信中用于通信的量子激光與用于捕獲跟瞄的信標(biāo)光以及發(fā)射接收兩端為維持時(shí)間同步設(shè)立的時(shí)間同步光都不是同一波長(zhǎng)的激光。為進(jìn)行量子級(jí)別的通信，量子通信激光是一束在發(fā)射初期就經(jīng)過(guò)了衰減的、發(fā)散角很小且光強(qiáng)很弱的不可見(jiàn)光。因此為保證正常通信，在捕獲跟瞄過(guò)程中由信標(biāo)光建立的通信鏈路視場(chǎng)軸中心必須與量子發(fā)射模塊光軸中心保持高精度一致。而在A(yíng)TP系統(tǒng)中，通信鏈路視場(chǎng)軸中心與ATP精跟蹤相機(jī)的跟蹤中心等價(jià)。所以量子通信ATP系統(tǒng)一般在整機(jī)產(chǎn)品安裝光校之后，會(huì)保證它的精跟蹤相機(jī)的視場(chǎng)中心與量子發(fā)射模塊光軸中心達(dá)到高度一致。但是由于設(shè)備運(yùn)輸、發(fā)射振動(dòng)、在軌失重、熱梯度等因素會(huì)造成系統(tǒng)光路的細(xì)微變化，這種變化將造成前述兩個(gè)光路中心之間的偏差，為ATP系統(tǒng)引入額外的跟蹤精度誤差。當(dāng)光軸之間的誤差達(dá)到幾微弧度甚至更高時(shí)， ATP系統(tǒng)的精度將難以滿(mǎn)足星地量子通信的要求。目前已有的量子通信ATP系統(tǒng)一般只在兩個(gè)光軸中心出現(xiàn)嚴(yán)重誤差后重新進(jìn)行人工校準(zhǔn)，或者采用發(fā)射端自身時(shí)間同步光光束在精跟蹤相機(jī)上成像用以調(diào)整跟蹤中心的方法進(jìn)行自校準(zhǔn)。但是由于量子通信的特點(diǎn)，量子激光與時(shí)間同步光本身就是兩路分立不同的光路，無(wú)法用ATP系統(tǒng)發(fā)射端自身時(shí)間同步光光路完全代替量子光光路去檢測(cè)并自校準(zhǔn)。所以還沒(méi)有真正有效地辦法使星載設(shè)備能夠在工作狀態(tài)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)校準(zhǔn)光路。
發(fā)明內(nèi)容本專(zhuān)利的目的在于針對(duì)星間或星地量子通信ATP系統(tǒng)，提供一種正確有效的方法使量子通信系統(tǒng)在發(fā)射到太空軌道后在軌工作時(shí)，設(shè)備能夠全自動(dòng)地對(duì)ATP系統(tǒng)內(nèi)部量子發(fā)射模塊視軸中心與精跟蹤相機(jī)視場(chǎng)中心進(jìn)行精確校準(zhǔn)。本專(zhuān)利同樣適用于地面端量子通信ATP系統(tǒng)視軸的現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)校準(zhǔn)。本專(zhuān)利系統(tǒng)是采用光纖合束工藝在量子發(fā)射模塊中引入一路與量子激光波長(zhǎng)不同的可見(jiàn)光強(qiáng)光，光束從激光器出來(lái)之后就將兩束光耦合進(jìn)一根光纖之中，這保證了這兩束光的光路在初始端就已完全同軸。利用這束強(qiáng)光在精跟蹤相機(jī)上成像，測(cè)量該光束在精跟蹤C(jī)MOS相機(jī)上所成的光斑質(zhì)心位置，計(jì)算其與相機(jī)自身視軸中心偏差。根據(jù)據(jù)計(jì)算結(jié)果自動(dòng)調(diào)整重定位相機(jī)的自身視軸中心位置，從而成功自校準(zhǔn)量子通信ATP系統(tǒng)的視軸中心。其中上面提到的光纖合束工藝是一種將多路光纖耦合成一路光纖的技術(shù)，它使得在不同光纖中傳播的光束能夠耦合進(jìn)入一路光纖里同軸傳播。只要將兩路光分別引入光纖合束器中，在另一端兩路光就會(huì)耦合在同一根光纖里傳輸出來(lái)。本專(zhuān)利系統(tǒng)，量子通信系統(tǒng)可以在正式進(jìn)入量子通信之前，擇機(jī)調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡指向拒絕接收地面端發(fā)射過(guò)來(lái)的任何光信號(hào)，同時(shí)開(kāi)啟自校準(zhǔn)強(qiáng)光進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)部的光軸檢測(cè)并自校準(zhǔn)，校準(zhǔn)后關(guān)閉自校準(zhǔn)光，調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡指向建立通信連路，進(jìn)入正常的量子通
fn °本專(zhuān)利的量子通信ATP精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括量子激光器1，波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段的自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器2，光纖合束器3，非球面準(zhǔn)直鏡5，帶通濾光片6，角錐棱鏡 7，分色片8，雙峰濾光片9，精跟蹤相機(jī)10，非球面會(huì)聚鏡11，精跟蹤快速指向鏡12，接收望遠(yuǎn)鏡13，其中量子激光器1、自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器2、光纖合束器3三部件被合稱(chēng)為量子發(fā)射模塊4。所述的量子激光器1是波長(zhǎng)在紅外800至900nm波段激光器，發(fā)射發(fā)散角20至 40 μ rad ；所述的自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器2為波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段的激光器，能量毫瓦量級(jí)；所述的光纖合束器3為二合一合束器；所述的非球面準(zhǔn)直鏡5是焦距為Ilmm非球面準(zhǔn)直鏡，所述的非球面會(huì)聚鏡11是焦距為Ilmm非球面透鏡；所述的帶通濾光片6對(duì)自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器2的光波段透明，對(duì)量子激光器1光波段衰減；所述的分色片8反射自校準(zhǔn)光，透過(guò)量子光；所述的雙峰濾光片9透過(guò)自校準(zhǔn)光和對(duì)方通信終端信標(biāo)光；所述的精跟蹤相機(jī)10采用面陣CMOS探測(cè)器，幀頻1 2KHz ；所述的精跟蹤快速指向鏡12為采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速指向鏡；所述的接收望遠(yuǎn)鏡13是透射式或反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)。量子光經(jīng)過(guò)的光路在該系統(tǒng)中量子激光器發(fā)射量子光，通過(guò)光纖合束器3耦合進(jìn)入輸出光纖，通過(guò)非球面準(zhǔn)直鏡5將光纖中的量子光轉(zhuǎn)換成平行光，射向帶通濾光片6 ； 帶通濾光片將量子光衰減至適于量子通信的能量級(jí)別，射向分色片8 ；量子光大部分透過(guò)分色片再射向精跟蹤快速指向鏡12，進(jìn)一步通過(guò)望遠(yuǎn)鏡13發(fā)射出去。自校準(zhǔn)光經(jīng)過(guò)的光路自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器2發(fā)射自校準(zhǔn)光，通過(guò)通過(guò)光纖合束器 3耦合進(jìn)入輸出光纖，通過(guò)非球面準(zhǔn)直鏡5將光纖中的量子光轉(zhuǎn)換成平行光，射向帶通濾光片6 ；帶通濾光片不衰減自校準(zhǔn)光，射向分色片8 ；自校準(zhǔn)光大部分由分色片反射至角錐棱鏡7 ；角錐棱鏡將自校準(zhǔn)光按原入射光路反射回去；反射回來(lái)的自校準(zhǔn)光有一小部分會(huì)透過(guò)分色片，通過(guò)雙峰濾光片9以及非球面會(huì)聚鏡11最后進(jìn)入精跟蹤相機(jī)。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)的具體步驟如下1.在進(jìn)行量子通信之前調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡13指向，使其不接收地面端發(fā)射過(guò)來(lái)的光信號(hào)，并打開(kāi)作為自校準(zhǔn)光的強(qiáng)光激光器2。由合束器3將量子激光器1與強(qiáng)光激光器2產(chǎn)生的光束耦合進(jìn)一根光纖里，同軸傳播；2.帶通濾光片6對(duì)量子光的衰減較大，將其衰減到適合量子通信的光強(qiáng)狀態(tài)，而不對(duì)自校準(zhǔn)光進(jìn)行衰減；3.分色片8，透過(guò)量子光，而對(duì)自校準(zhǔn)光波段的光主要起反射作用，但有小部分自校準(zhǔn)光能夠透過(guò)。角錐棱鏡7將由分色片8反射過(guò)來(lái)的自校準(zhǔn)光沿原光路反射回去，有一小部分自校準(zhǔn)光會(huì)透過(guò)分色片8，射向精跟蹤相機(jī)10 ；4.雙峰濾光片9，透過(guò)自校準(zhǔn)光并過(guò)濾其中可能含有的少量量子光，通過(guò)會(huì)聚鏡 11，將光斑投射在精跟蹤相機(jī)10上；5.計(jì)算精跟蹤相機(jī)10上光斑的質(zhì)心位置15，并記錄。如圖2所示，將此位置作為校正后的精跟蹤相機(jī)的視場(chǎng)中心，替代校正前相機(jī)視場(chǎng)軸中心14 ；6.關(guān)閉強(qiáng)光激光器2，調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡13指向，將目標(biāo)端的信標(biāo)光引入ATP系統(tǒng)， 驅(qū)動(dòng)快速指向鏡12將接收到的信標(biāo)光調(diào)整指向新的相機(jī)視場(chǎng)軸中心15，以此完成自校準(zhǔn)建立新的通信鏈路，進(jìn)入正常的量子通信。本專(zhuān)利有如下有益效果通過(guò)在量子光路中耦合進(jìn)自校準(zhǔn)光，重新計(jì)算相機(jī)視軸中心，能夠使設(shè)備在軌工作期間自動(dòng)校準(zhǔn)由信標(biāo)光建立的通信鏈路視軸中心和量子發(fā)射模塊光軸中心，使它們保持高度一致。保證了 ATP系統(tǒng)的精度，非常適用于空間尺度的量子通信。

圖1是本專(zhuān)利的量子通信ATP精跟蹤系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中1.量子激光器；2.自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器；3.光纖合束器；4.量子發(fā)射模塊；5.非球面準(zhǔn)直鏡； 6.帶通濾光片；7.角錐棱鏡； 8.分色片；9.雙峰濾光片；10.精跟蹤相機(jī)；11.非球面會(huì)聚鏡；12.精跟蹤快速指向鏡；13.接收望遠(yuǎn)鏡。圖2是精跟蹤相機(jī)視場(chǎng)軸中心調(diào)整示意圖；圖中14.校正前CMOS相機(jī)視場(chǎng)中心；15.自校準(zhǔn)光斑質(zhì)心位置(校準(zhǔn)后相機(jī)新的視場(chǎng)中心)。
具體實(shí)施方式
整個(gè)可用于自校準(zhǔn)的精跟蹤系統(tǒng)機(jī)構(gòu)與部件組成如圖1所示。在該實(shí)例系統(tǒng)中， 精跟蹤C(jī)MOS相機(jī)的探測(cè)精度優(yōu)于0. 4 μ rad,而量子通信ATP系統(tǒng)的光學(xué)自校準(zhǔn)精度主要由其精跟蹤相機(jī)的視場(chǎng)中心校準(zhǔn)精度所決定，所以該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的自校準(zhǔn)精度約為 0.4 μ rad。結(jié)合圖1來(lái)進(jìn)一步闡述應(yīng)用本專(zhuān)利能夠自主校準(zhǔn)的ATP精跟蹤系統(tǒng)實(shí)施方式1.在進(jìn)行量子光通信之前調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡13指向，使其不接收地面端發(fā)射過(guò)來(lái)的光信號(hào)，減少在自校準(zhǔn)過(guò)程中外部光的干擾。同時(shí)打開(kāi)作為自校準(zhǔn)光的強(qiáng)光激光器2(為可見(jiàn)光波段，能量毫瓦量級(jí))，由合束器3 (大恒光電公司生產(chǎn)的合束器)將量子激光器 1 (紅外波段)與強(qiáng)光激光器2產(chǎn)生的光束耦合進(jìn)一根光纖里，同軸傳播；2.由非球面準(zhǔn)直鏡5 (THOR LABS公司生產(chǎn)的F220FC非球面準(zhǔn)直鏡)將由光纖傳播而來(lái)的光束轉(zhuǎn)換成平行光束，透過(guò)帶通濾光片6，該濾光片對(duì)量子光的衰減較大，將其衰減到適合量子通信的光強(qiáng)狀態(tài)，而不對(duì)自校準(zhǔn)光進(jìn)行衰減；3.光束穿過(guò)分色片8 (量子光主要透過(guò)，自校準(zhǔn)光主要反射)，透過(guò)量子光，而對(duì)自校準(zhǔn)光波段的光主要起反射作用，但有小部分自校準(zhǔn)光能夠透過(guò)；4.角錐棱鏡7(大恒光電公司生產(chǎn)的GCL-030503角錐棱鏡)將由分色片8反射過(guò)來(lái)的大部分自校準(zhǔn)光沿原光路反射回去，有一小部分自校準(zhǔn)光會(huì)透過(guò)分色片8，射向精跟蹤相機(jī)10 ；5.光束穿過(guò)雙峰濾光片9 (透過(guò)自校準(zhǔn)光和對(duì)方通信終端信標(biāo)光)，透過(guò)自校準(zhǔn)光波段的光并過(guò)濾其中可能含有的少量量子光，通過(guò)非球面會(huì)聚鏡11(TH0RLABS公司生產(chǎn)的 F220FC非球面準(zhǔn)直鏡反向使用)，將光斑投射在面陣CMOS相機(jī)的精跟蹤相機(jī)10上；6.計(jì)算相機(jī)上光斑的質(zhì)心位置15，并記錄。如圖2所示，將此位置作為校正后的精跟蹤相機(jī)的視場(chǎng)中心，替代校正前相機(jī)視場(chǎng)中心14 ；7.關(guān)閉強(qiáng)光激光器2，調(diào)整接收望遠(yuǎn)鏡13指向，將目標(biāo)端(地面端)的信標(biāo)光引入ATP系統(tǒng)。根據(jù)已測(cè)得的視場(chǎng)軸中心數(shù)據(jù)，控制由壓電陶瓷(德國(guó)PI公司生產(chǎn)的S-330 壓電陶瓷)驅(qū)動(dòng)的快速指向鏡12將接收到的信標(biāo)光光束調(diào)整指向新的相機(jī)視場(chǎng)軸中心15， 以此完成自校準(zhǔn)，建立新的通信鏈路，進(jìn)入正常的量子通信。
權(quán)利要求1. 一種具有光軸自校準(zhǔn)的空間量子通信ATP精跟蹤系統(tǒng)，它包括量子激光器(1)、自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器( 、光纖合束器C3)、非球面準(zhǔn)直鏡( 、帶通濾光片(6)、角錐棱鏡(7)、分色片(8)、雙峰濾光片(9)、精跟蹤相機(jī)(10)、非球面會(huì)聚鏡(11)、精跟蹤快速指向鏡(12) 和接收望遠(yuǎn)鏡(13)，其特征在于所述的量子激光器(1)是波長(zhǎng)在紅外800至900nm波段激光器，發(fā)射發(fā)散角20至 40 μ rad;所述的自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器( 為波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波段的激光器，能量毫瓦量級(jí)；所述的光纖合束器C3)為二合一合束器；所述的非球面準(zhǔn)直鏡( 是焦距為Ilmm非球面準(zhǔn)直鏡，所述的非球面會(huì)聚鏡(11)是焦距為Ilmm非球面透鏡；所述的帶通濾光片(6)對(duì)自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器( 的光波段透明，對(duì)量子激光器(1)光波段衰減；所述的分色片(8)反射自校準(zhǔn)光，透過(guò)量子光；所述的雙峰濾光片(9)透過(guò)自校準(zhǔn)光和對(duì)方通信終端信標(biāo)光；所述的精跟蹤相機(jī)(10)采用面陣CMOS探測(cè)器，幀頻1 2KHz ；所述的精跟蹤快速指向鏡(12)為采用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)的快速指向鏡；所述的接收望遠(yuǎn)鏡(1 是透射式或反射式望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；系統(tǒng)中量子激光器(1)發(fā)出的量子光通過(guò)光纖合束器C3)耦合進(jìn)入輸出光纖，通過(guò)非球面準(zhǔn)直鏡( 將光纖中的量子光轉(zhuǎn)換成平行光，射向帶通濾光片(6)；帶通濾光片將量子光衰減至適于量子通信的能量級(jí)別，射向分色片(8)；量子光大部分透過(guò)分色片再射向精跟蹤快速指向鏡(12)，進(jìn)一步發(fā)射至望遠(yuǎn)鏡(1 由它發(fā)射出去；系統(tǒng)中自校準(zhǔn)強(qiáng)光激光器( 發(fā)出的自校準(zhǔn)光通過(guò)光纖合束器(3)耦合進(jìn)入輸出光纖，通過(guò)非球面準(zhǔn)直鏡( 將光纖中的量子光轉(zhuǎn)換成平行光，射向帶通濾光片(6)；透過(guò)帶通濾光片(6)后射向分色片(8)，自校準(zhǔn)光大部分由分色片反射至角錐棱鏡(7)；角錐棱鏡將自校準(zhǔn)光按原入射光路反射回去；反射回來(lái)的自校準(zhǔn)光有一小部分會(huì)透過(guò)分色片，通過(guò)雙峰濾光片(9)以及非球面會(huì)聚鏡(11)最后進(jìn)入精跟蹤相機(jī)。
專(zhuān)利摘要本專(zhuān)利公開(kāi)一種具有光軸自校準(zhǔn)的空間量子通信ATP精跟蹤系統(tǒng)，用以糾正因發(fā)射振動(dòng)、在軌失重、熱梯度等原因引起的量子光發(fā)射光軸中心與精跟蹤相機(jī)視場(chǎng)中心不一致。它采用由角錐棱鏡、快速指向鏡、CMOS相機(jī)、量子發(fā)射模塊以及分色片等組成的精跟蹤系統(tǒng)，利用光纖合束器在量子發(fā)射模塊中引入一路其他波長(zhǎng)的強(qiáng)光作為自校準(zhǔn)光。儀器工作之前在軌擇機(jī)將自校準(zhǔn)光引入相機(jī)成像，計(jì)算光斑質(zhì)心位置，作為跟蹤外部目標(biāo)時(shí)的視軸中心。依此建立的星間或星地光鏈路，可使ATP系統(tǒng)在捕獲并精確跟蹤到接收端目標(biāo)的同時(shí)，準(zhǔn)確將量子信號(hào)沿光鏈路發(fā)送到接收端，保證順利實(shí)現(xiàn)空間尺度量子通信。
文檔編號(hào)G02B6/26GK202059415SQ201120079090
公開(kāi)日2011年11月30日 申請(qǐng)日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者吳金才, 張亮, 強(qiáng)佳, 王建宇, 賈建軍, 錢(qián)鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所