本發(fā)明屬于光學通信設備，具體涉及一種基于單光子探測技術的小型化星地激光通信終端。

背景技術：

1、與現(xiàn)有的微波通信技術相比，衛(wèi)星激光通信技術具有數(shù)據(jù)率高、抗干擾和保密性好等顯著優(yōu)點，是今后衛(wèi)星通信的有效補充技術手段。目前，國內(nèi)外已開展了多項衛(wèi)星光通信在軌試驗，正在逐步開展軍事和商業(yè)航天應用。

2、相對于傳統(tǒng)微波通信系統(tǒng)，激光通信系統(tǒng)優(yōu)于采用了光波波段作為信息載波（載波10~400thz），具有極高的通信帶寬，同時具有重量輕、體積小、功耗低的突出優(yōu)點。

3、激光通信天線負責完成發(fā)射信號/信標光的整星、束散角壓縮以及指向發(fā)射；同時完成對接收信號/信標光的收集、分束并聚焦在相應探測器上。傳統(tǒng)的激光通信系統(tǒng)采用pin、pd、apd等器件，感光材料為ingaas或gaas，其靈敏度一般在40~42dbm@10gbpa；而光斑位置探測器為ccd或cmos器件，感光面材料為ingaas或si材料，其靈敏度在-60~65dbm。靈敏度相對較低，終端光學天線口徑需要相對較大（500mm~1600mm），終端體積（6~20m3）、重量（2~10t）和功耗均較大，使得傳統(tǒng)激光通信地面站需要建立在固定房屋或較大尺寸載重車輛上，嚴重制約了激光通信地面終端的應用范圍。

技術實現(xiàn)思路

1、針對上述存在問題，本發(fā)明提出一種基于單光子探測技術的小型化星地激光通信終端，采用基于單光子定位探測器和單光子通信探測器作為激光通信的位置和通信探測器，極大的提升了系統(tǒng)探測器靈敏度（-75~-80dbm），同時實現(xiàn)了小口徑接收（150~200mm），系統(tǒng)重量顯著下降（由2~8t降低為400kg），降低了系統(tǒng)成本，同時隨著重量降低，該終端可實現(xiàn)小型車承載運輸，不但可以實現(xiàn)星地通信傳輸，隨著體積變小，可以實現(xiàn)固定點與固定點、固定點與激動點之間的地面點對點高速激光傳輸，極大的拓展了激光通信地面終端應用范圍。

2、上述的目的通過以下技術方案實現(xiàn)：

3、一種基于單光子探測技術的小型化星地激光通信終端，包括如下的光學原件：

4、主望遠鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標接收透鏡組、粗信標探測器、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、雙向角反射棱鏡組、反射鏡四、反射鏡六、光陷阱、分束鏡三、信號發(fā)射鏡組、信號光源、濾光片二、精信標一接收鏡組、精信標一探測器、精跟蹤鏡二、分束鏡一、濾光片三、精信標二接收鏡組、精信標二探測器、光學提升器、分束鏡二、單光子信標接收濾光片、單光子信標接收鏡組、單光子定位探測器、單光子信號接收濾光片、單光子信號接收鏡組、單光子通信探測器、信標/信號激光器、信標/信號發(fā)射天線；

5、上述的光學原件構(gòu)成了觀測接收光路a、信號發(fā)射光路b、近紅外信標接收光路c、短波紅外信標接收光路d、單光子信號接收光路e、單光子信標接收光路f、信標發(fā)射光路g，其中：

6、觀測接收光路a由主望遠鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標接收透鏡組、粗信標探測器組成，外部接收光束經(jīng)過主望遠鏡收集和縮束后，入射反射鏡一反射后，入射濾光片一和粗信標接收透鏡組，最終入射粗信標探測器，完成信標光接收和定位工作，該光路用于測量入射的粗信標光；

7、信號發(fā)射光路b由主望遠鏡、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三、信號發(fā)射鏡組、信號光源組成，首先由信號光源發(fā)送指定波長信號光，并經(jīng)由信號發(fā)射鏡組整型后，經(jīng)過分束鏡三透射后，再經(jīng)由反射鏡六、反射鏡四、反射鏡三、精跟蹤鏡一的反射后，再次經(jīng)過補償鏡組和反射鏡五、反射鏡二后經(jīng)過主望遠鏡整形和縮束后對目標發(fā)射；

8、近紅外信標接收光路c由主望遠鏡、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三、濾光片二、精信標一接收鏡組、精信標一探測器組成，外部信標光經(jīng)由主望遠鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三入射到濾光片二、精信標一接收鏡組，并最終在精信標一探測器上成像，該光路利用在精信標一探測器的信標光光斑信息實現(xiàn)對精跟蹤鏡一的閉環(huán)跟蹤；

9、短波紅外信標接收光路d由主望遠鏡、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、濾光片三、精信標二接收鏡組、精信標二探測器組成，外部短波紅外信標光經(jīng)由主望遠鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到濾光片三、精信標二接收鏡組，并最終在精信標二探測器成像，該光路利用在精信標二探測器的信標光光斑信息實現(xiàn)對精跟蹤鏡二的閉環(huán)跟蹤；

10、單光子信號接收光路e由主望遠鏡、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、光學提升器、分束鏡二、單光子信號接收濾光片、單光子信號接收鏡組、單光子通信探測器組成，外部通信光經(jīng)由主望遠鏡接收縮束后，經(jīng)過經(jīng)過反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到光學提升器后，入射分束鏡二反射后，并入射單光子信號接收濾光片、單光子信號接收鏡組，并最終聚焦入射單光子通信探測器上，利用單光子通信探測器實現(xiàn)對接收信號光完成通信信號接收；

11、單光子信標接收光路f由主望遠鏡、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、光學提升器、分束鏡二、單光子信標接收濾光片、單光子信標接收鏡組、單光子定位探測器組成，外部通信光經(jīng)由主望遠鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到光學提升器后，并在分束鏡二反射后入射單光子信標接收濾光片、單光子信標接收鏡組，并最終在單光子定位探測器成像，該光路利用在單光子定位探測器的單光子定位信息對精跟蹤鏡二的閉環(huán)跟蹤；

12、信標發(fā)射光路：由信標/信號激光器、信標/信號發(fā)射天線組成，滿足波長的信標光由信標激光器發(fā)射并經(jīng)過信標/信號發(fā)射天線整形、束散角壓縮，并隨經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺指向目標并發(fā)送。

13、進一步地，所述主望遠鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標接收透鏡組、粗信標探測器、反射鏡二、反射鏡五、補償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、雙向角反射棱鏡組、反射鏡四，信標/信號激光器、信標/信號發(fā)射天線放置在經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺上；通過光斑在粗信標探測器上電位置反饋控制經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺的目標跟蹤。

14、進一步地，所述主望遠鏡采用卡塞格林望遠鏡。

15、進一步地，所述雙向角反射棱鏡組通過伺服機構(gòu)插入光路，且所述雙向角反射棱鏡組口徑應大于2英寸。

16、進一步地，所述反射鏡四到反射鏡六之間增加自適應光學組件，所述自適應光學組件為32~64單元。

17、進一步地，所述分束鏡一的分光比需要按照精信標二探測器、單光子通信探測器、單光子定位探測器的靈敏度特點進行光強劃分，即分束鏡一的分光比，其中為精信標二探測器的靈敏度，單位為dbm；為單光子定位探測器的靈敏度，單位為dbm；為單光子通信探測器的靈敏度，單位為dbm。

18、有益效果：

19、1.相較于傳統(tǒng)庫德光路天線，本星地激光通信終端設計了不經(jīng)過庫德光路臂的大視場信標接收光路，用于對目標的大視場信標接收；本發(fā)明采用精跟蹤鏡一和精跟蹤鏡二兩級快反鏡設計，其中一級快反鏡受控于信標探測器，同時實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺光路軸系誤差的補償，二級快反鏡受控于精信標二探測器或單光子定位探測器，實現(xiàn)對轉(zhuǎn)臺粗跟蹤和一級快反鏡跟蹤殘差的補償；其中單光子定位探測器包括但不限于單光子四象限探測器，還可以是其他多像元單光子定位探測器。

20、2.本發(fā)明的星地激光通信終端設計了雙向角反射棱鏡組作為自檢機構(gòu)，通過伺服機構(gòu)將雙向角反射棱鏡組插入光路，使得該系統(tǒng)不依賴于外部光源即可進行信號發(fā)射光路、近紅外信標接收光路、短波紅外信標接收光路、單光子信號接收光路、單光子信標接收光路等光路的同軸度檢測，方便了系統(tǒng)使用。

21、3.針對單光子探測器超靈敏度探測對噪聲異常敏感的問題，本發(fā)明設計了光陷阱，對發(fā)射光路光信號進行有效清除，避免單光子探測器虛警。

22、4.本發(fā)明設計了光學提升器，將終端后光路與單光子探測器進行隔離，同時提供了方位向和高度向自由度。