一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，電動偏轉(zhuǎn)反射鏡作為地面站望遠(yuǎn)鏡的第三鏡；單色光源作為參考光光源并固定在主鏡筒上，參考光方向與主次鏡光軸方向一致；光電探測器作為探測器，與量子光接收模塊和信標(biāo)光接收模塊一起固定在望遠(yuǎn)鏡俯仰支架上，不隨望遠(yuǎn)鏡俯仰軸轉(zhuǎn)動。參考光經(jīng)主、次鏡反射后入射到電動偏轉(zhuǎn)反射鏡上，接著經(jīng)第一分光鏡將參考光和量子光分離出來，量子光反射進入量子光接收模塊，透射的參考光進一步通過第二分光鏡完成參考光和信標(biāo)光的分離，信標(biāo)光反射進入信標(biāo)光接收模塊，透射的參考光最后聚焦到光電探測器上。
【專利說明】一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于量子通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸的實時 修正方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 量子通信是指利用量子力學(xué)基本原理或基于量子特性的通信技術(shù)。這里的量子 力學(xué)基本原理有疊加原理、量子態(tài)不可克隆定理和海森堡不確定原理等。隨著量子信息 學(xué)在理論和實驗上的不斷突破，人們預(yù)言這一領(lǐng)域會引起關(guān)于信息和通信技術(shù)的一場革 命。利用空間技術(shù)通過衛(wèi)星進行中轉(zhuǎn)可以在地球上的任意兩點之間建立起量子信道。要 實現(xiàn)全球量子網(wǎng)路，必須依靠地面站望遠(yuǎn)鏡實現(xiàn)衛(wèi)星通信終端發(fā)射信標(biāo)光的捕獲和高精 度跟蹤，完成星上量子信號光的高效率高保偏度的接收，構(gòu)建高穩(wěn)定、低損耗的量子信道。 對于典型的地面站望遠(yuǎn)鏡來說，要求具有方位和俯仰兩個跟蹤軸。已有專利（申請?zhí)枺?201410096430. 8)給出了一種地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，整個光學(xué)系統(tǒng)的光路傳輸需要較少折轉(zhuǎn) 鏡就到達量子通信模塊，精跟蹤探測器直接放置于地面站望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)的一次焦點處， 無須額外的成像鏡頭便可以實現(xiàn)信標(biāo)光光軸位置的探測。在星地量子通信過程中，望遠(yuǎn)鏡 系統(tǒng)方位軸和俯仰軸隨著目標(biāo)的運動而進行旋轉(zhuǎn)。當(dāng)信標(biāo)光接收光軸與俯仰軸機械軸不重 合時，到達精跟蹤探測器的光斑就會隨著俯仰軸的旋轉(zhuǎn)而形成圓形的軌跡，造成通信效率 大大降低，必須尋找一種解決辦法來減小信標(biāo)光接收光軸與俯仰軸機械軸的不重合度。
[0003] 目前公知的大口徑跟蹤望遠(yuǎn)鏡的光軸均采用事前調(diào)整和標(biāo)校的方法來獲得高的 同軸精度，此方法費時費力，缺乏定量結(jié)果。同時受到環(huán)境溫度變化、俯仰軸不同高角位置 及望遠(yuǎn)鏡機架重力變形的影響，俯仰軸和信標(biāo)光接收光軸的同軸度還是會隨著時間的變化 而改變，需要定期檢測和調(diào)整望遠(yuǎn)鏡俯仰軸軸和接收光軸的重合度。因此迫切需要一種可 以實時調(diào)整光軸的方法才能實時保證系統(tǒng)最終的跟蹤精度和接收效率。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出了一種量子通信地面站 望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，以克服現(xiàn)有地面站望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中光軸調(diào)整精度低、耗時長的缺 點。
[0005] 本發(fā)明解決上述技術(shù)問題采用的技術(shù)方案為：一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實 時修正方法，其實現(xiàn)步驟如下：
[0006] 步驟1、搭建電動偏轉(zhuǎn)反射鏡實時修正光軸偏差的光路，該光路包括望遠(yuǎn)鏡主框 架，參考光光源，望遠(yuǎn)鏡主鏡，次鏡，電動偏轉(zhuǎn)反射鏡，第一分色鏡，量子光接收模塊，第二分 色鏡，光電探測器和信標(biāo)光接收模塊；該光路的工作原理為：參考光光源發(fā)出的參考光經(jīng) 望遠(yuǎn)鏡主鏡和次鏡反射后進入到達電動偏轉(zhuǎn)反射鏡，經(jīng)電動偏轉(zhuǎn)反射鏡反射后入射到第一 分色鏡，參考光從第一分色鏡透射，到達第二分色鏡，經(jīng)第二分色鏡進一步透射后匯聚到位 置敏感探測器上，其中，望遠(yuǎn)鏡的量子光經(jīng)第一分色鏡反射后入射到量子光接收模塊，信標(biāo) 光經(jīng)第一分色鏡透射，第二分色鏡反射后入射到信標(biāo)光接收模塊；
[0007] 步驟2、參考光經(jīng)主、次鏡反射后入射到電動偏轉(zhuǎn)反射鏡上，接著經(jīng)第一分光鏡將 參考光和量子光分離出來，量子光反射進入量子光接收模塊，透射的參考光進一步通過第 二分光鏡完成參考光和信標(biāo)光的分離，信標(biāo)光反射進入信標(biāo)光接收模塊，透射的參考光最 后聚焦到光電探測器上；
[0008] 步驟3、在對目標(biāo)的跟蹤過程中，望遠(yuǎn)鏡的方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對星上信標(biāo)光 的跟蹤，此時光電探測器實時檢測出光軸偏差量，驅(qū)動電動偏轉(zhuǎn)反射鏡進行閉環(huán)，進而完成 望遠(yuǎn)鏡光軸的實時修正。
[0009] 進一步的，所述的步驟3中完成望遠(yuǎn)鏡光軸的實時修正具體為：
[0010] 步驟1).望遠(yuǎn)鏡完成主鏡和次鏡的裝調(diào)和對準(zhǔn)，然后安裝參考光到主鏡筒上，調(diào) 整光軸實時檢測光路，使光斑位于光電探測器靶面中心附近，作為光電探測器零點；
[0011] 步驟2).確定電動偏轉(zhuǎn)反射鏡與光電探測器上光斑偏移量和偏移方向的對應(yīng)關(guān) 系；
[0012] 步驟3).旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的俯仰軸系，根據(jù)光電探測器上光斑偏離零點的誤差來控制 電動偏轉(zhuǎn)反射鏡，使光斑穩(wěn)定在零點。
[0013] 進一步的，所述的參考光為發(fā)散角較小的單色光源。
[0014] 進一步的，所述的初始裝調(diào)使光斑位于光電探測器中心只是為了提高工作范圍。
[0015] 進一步的，所述的電動偏轉(zhuǎn)反射鏡需要有機械鎖定功能，即在設(shè)定快反鏡狀態(tài)后 電動偏轉(zhuǎn)反射鏡可以高精度保持該狀態(tài)，并且掉電后依然保持。
[0016] 進一步的，所述的第一分光鏡的分光面鍍膜，使參考光和信標(biāo)光高透，量子光高 反。
[0017] 進一步的，所述的第二分光鏡的分光面鍍膜，使參考光高透，信標(biāo)光高反。
[0018] 進一步的，所述的參考光波長與量子光和信標(biāo)光波長不同。
[0019] 進一步的，所述的電動偏轉(zhuǎn)反射鏡為壓電陶瓷或音圈電機驅(qū)動，可在小角度范圍 內(nèi)做快速的偏轉(zhuǎn)。
[0020] 進一步的，所述的光電探測器為（XD、CMOS、PSD或QD。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有以下優(yōu)點：本發(fā)明可以有效抑制地平式望遠(yuǎn)鏡工作時產(chǎn) 生的動態(tài)光軸變化，具有高帶寬、高精度的特點；本發(fā)明可以有效提高地平式望遠(yuǎn)鏡在風(fēng) 載、機架震動、地基搖擺等工作環(huán)境下的指向精度和成像質(zhì)量；本發(fā)明可以使地平式望遠(yuǎn)鏡 長時間保持高精度指向的工作狀態(tài)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022] 圖1是本發(fā)明光軸實時修正方法對應(yīng)的光路原理圖；
[0023] 圖中：1表示望遠(yuǎn)鏡主框架，2表示參考光光源，3表示望遠(yuǎn)鏡主鏡，4表示次鏡，5 表不電動偏轉(zhuǎn)反射鏡，6表不第一分色鏡，7表不量子光接收模塊，8表不第二分色鏡，9表不 光電探測器，10表不信標(biāo)光接收模塊；
[0024] 圖2是光斑偏移量和光軸偏差的關(guān)系；
[0025] 圖3是光軸實時修正方法的控制算法流程圖。

【具體實施方式】
[0026] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖， 對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
[0027] 本發(fā)明利用電動偏轉(zhuǎn)反射鏡實時修正光軸偏差的光路原理圖如圖1所示，其中1 為望遠(yuǎn)鏡主框架，2為參考光光源,3為望遠(yuǎn)鏡主鏡,4為次鏡,5為電動偏轉(zhuǎn)反射鏡,6為第一 分色鏡，7為量子光接收模塊，8為第二分色鏡，9為光電探測器，10為信標(biāo)光接收模塊。光 軸檢測光路的工作原理為：參考光光源2發(fā)出的參考光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡3和次鏡4反射后進 入到達電動偏轉(zhuǎn)反射鏡5,經(jīng)電動偏轉(zhuǎn)反射鏡5反射后入射到第一分色鏡6,參考光從第一 分色鏡6透射，到達第二分色鏡8,經(jīng)第二分色鏡8進一步透射后匯聚到位置敏感探測器9 上。其中，望遠(yuǎn)鏡的量子光經(jīng)第一分色鏡6反射后入射到量子光接收模塊7。信標(biāo)光經(jīng)第一 分色鏡6透射，第二分色鏡8反射后入射到信標(biāo)光接收模塊10。
[0028] 這里假定地平式望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)為Im級的R-C望遠(yuǎn)鏡，光學(xué)參數(shù)如表1所示， 其中 PM 為 Primary Mirror (主鏡），SM 為 Secondary Mirror (次鏡），TM 為 Third Mirror (三 鏡）。MIRROR表不該光學(xué)兀器件為反射鏡。
[0029] 表I R-C望遠(yuǎn)鏡光學(xué)參數(shù)

【權(quán)利要求】
1. 一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在于：該方法步驟如下： 步驟1、搭建電動偏轉(zhuǎn)反射鏡實時修正光軸偏差的光路，該光路包括望遠(yuǎn)鏡主框架 (1)，參考光光源（2)，望遠(yuǎn)鏡主鏡（3)，次鏡（4)，電動偏轉(zhuǎn)反射鏡（5)，第一分色鏡（6)，量子 光接收模塊（7)，第二分色鏡（8)，光電探測器（9)和信標(biāo)光接收模塊（10);該光路的工作 原理為：參考光光源（2)發(fā)出的參考光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡（3)和次鏡（4)反射后進入到達電動 偏轉(zhuǎn)反射鏡（5)，經(jīng)電動偏轉(zhuǎn)反射鏡（5)反射后入射到第一分色鏡（6)，參考光從第一分色 鏡（6)透射，到達第二分色鏡（8)，經(jīng)第二分色鏡（8)進一步透射后匯聚到位置敏感探測器 (9)上，其中，望遠(yuǎn)鏡的量子光經(jīng)第一分色鏡（6)反射后入射到量子光接收模塊（7)，信標(biāo)光 經(jīng)第一分色鏡（6)透射，第二分色鏡（8)反射后入射到信標(biāo)光接收模塊（10); 步驟2、參考光經(jīng)望遠(yuǎn)鏡主鏡（3)、次鏡（4)反射后入射到電動偏轉(zhuǎn)反射鏡（5)上，接著 經(jīng)第一分光鏡（6)將參考光和量子光分離出來，量子光反射進入量子光接收模塊（7)，透射 的參考光進一步通過第二分光鏡（8)完成參考光和信標(biāo)光的分離，信標(biāo)光反射進入信標(biāo)光 接收模塊（10)，透射的參考光最后聚焦到光電探測器上； 步驟3、在對目標(biāo)的跟蹤過程中，望遠(yuǎn)鏡的方位軸和俯仰軸轉(zhuǎn)動實現(xiàn)對星上信標(biāo)光的跟 蹤，此時光電探測器實時檢測出光軸偏差量，驅(qū)動電動偏轉(zhuǎn)反射鏡進行閉環(huán)，進而完成望遠(yuǎn) 鏡光軸的實時修正。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的步驟3中完成望遠(yuǎn)鏡光軸的實時修正具體為： 步驟1).望遠(yuǎn)鏡完成主鏡和次鏡的裝調(diào)和對準(zhǔn)，然后安裝參考光到主鏡筒上，調(diào)整光 軸實時檢測光路，使光斑位于光電探測器中心附近，作為光電探測器零點； 步驟2).確定電動偏轉(zhuǎn)反射鏡與光電探測器上光斑偏移量和偏移方向的對應(yīng)關(guān)系； 步驟3).旋轉(zhuǎn)望遠(yuǎn)鏡的俯仰軸系，根據(jù)PSD上光斑偏離零點的誤差來控制電動偏轉(zhuǎn)反 射鏡，使光斑穩(wěn)定在零點。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的參考光為發(fā)散角較小的單色光源。
4. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的初始裝調(diào)使光斑位于光電探測器中心只是為了提高工作范圍。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的電動偏轉(zhuǎn)反射鏡需要有機械鎖定功能，即在設(shè)定快反鏡狀態(tài)后電動偏轉(zhuǎn)反射鏡 可以1?精度保持該狀態(tài)，并且掉電后依然保持。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的第一分光鏡的分光面鍍膜，使參考光和信標(biāo)光高透，量子光高反。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的第二分光鏡的分光面鍍膜，使參考光高透，信標(biāo)光高反。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的參考光波長與量子光和信標(biāo)光波長不同。
9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的電動偏轉(zhuǎn)反射鏡為壓電陶瓷或音圈電機驅(qū)動，可在小角度范圍內(nèi)做快速的偏轉(zhuǎn)。
10. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種量子通信地面站望遠(yuǎn)鏡光軸實時修正方法，其特征在 于：所述的光電探測器為（XD、CMOS、PSD或QD。
【文檔編號】G02B23/04GK104393932SQ201410670381
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年11月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月20日
【發(fā)明者】亓波, 薛正燕, 任戈, 楊虎, 張曉明, 黃永梅 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所