CN102109330A - 一种光束方位和偏振角度共光路检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电位置传感器的光束方位-偏振角度共光路检测装置及方法，利用侧向偏移偏振分光棱镜对入射光束进行整形，输出光强成比例的正交平行偏振光，实现非接触的空间位置姿态传递功能；接收系统利用自带编码器的旋转电机带动检偏器以恒定角速度旋转检测信标光偏振，利用PSD横向光电效应测量信标光光点成像位置，根据成像原理反推信标光束方位坐标；利用入射光强在PSD表面会聚产生的光电流检测入射光强度，与旋转电机瞬时反馈的角度比较，经相敏检波处理后获得信标光束同步偏振角信息，完成信标光跟踪与基矢角调节在同一光路、同一器件上、同时检测的功能，本发明有益效果是结构简单、器件精简，适合多维角度测量需要。

Description

一种光束方位和偏振角度共光路检测装置及方法

技术领域

本发明涉及光束方位、偏振角度检测技术，具体涉及一种采用光电位置传感器检测光束方位和偏振角度的共光路检测装置及检测方法，它应用在量子通信、激光通信、目标跟踪或角度动态测量中。

背景技术

在国外，1945年，A.Rothen首次设计出一种椭圆偏振测量仪用于测定薄膜表面光学性质。自此，基于偏振光测量技术的各种测量仪器开始陆续出现并趋于成熟，形成了椭圆偏振测量术这一分支。起偏器-被测系统-补偿器-检偏器(PSCA)结构成为椭偏仪设计中常见的结构。1969年，Cahan、Spanier等研究了旋转检偏器椭偏仪(RAE)，这种椭偏仪让检偏器A以恒定角速度绕光轴旋转，将输出信号作傅里叶变换测量出偏振旋转角，不足的是这种结构不能测量偏振光的旋光性；同年，Jasperson等人研究了偏振调制型椭偏仪(PME)，在光路上对光束偏振态进行调制，利用探测器光电流谐波分量分析待测光学系统信息^[1]。1973年，J.Monin和G.A.Boutry提出了利用法拉第盒旋光器取代补偿器的PSRA型椭偏仪，也称为MBE椭偏仪，引入了交流电信号对偏振光进行调制；同年，Hazebroek和Holscher提出了干涉型椭偏仪，简称IE椭偏仪，可以避免窗口双折射引起的误差^[2]。1977年，Azzam和Bashara合作出版了第一部椭偏光测量术著作，开辟了椭偏测量学分支^[3]。1993年、1997年、2003年国际上分别召开了三次国际椭偏会议，对偏振光测量技术进行了理论探讨和技术规范。到目前为止，各种类型的椭偏仪渐趋成熟，主要应用在薄膜厚度测量、材料组成分析、溶液浓度检测等领域，在自由空间光通信中实现偏振角测量的椭偏仪目前还未见报道^[4]。

在国内，1975年，中山大学莫党等人研制出了我国第一台单波长消光式椭偏仪TP-75。1987年，西安交大研制成功了单波长自动椭偏仪，检偏器角度的分辨率为6度。1988年，上海技物所的张克奇，严义埙对旋转椭偏仪的精度进行了分析^[5]。1995年，复旦大学研制了RPA自动椭偏仪，采用同步旋转起偏器和检偏器进行偏振测量，用于薄膜厚度分析^[6]。1997年，华南师范大学研制出了HST-1型消光式智能椭偏仪，具有ISA接口，起偏器和检偏器角度分辨率达到0.05度，但处理一次需要几分钟时间^[7]。2000年，中科院力学所勒刚等人研制出我国第一台椭偏光成像仪，可进行纳米精度测量。上述椭偏仪的应用，主要集中在物理教学、薄膜厚度测量、溶液浓度分析和化学组分检测中，探测器多采用硅光电池、光电倍增管和雪崩二极管，检测时间多在秒级以上，很难直接应用在自由空间光通信中，进行偏振角度的动态检测，更不能实现信标光光束位置的同步测量。2001年，西安光机所的申小军、马彩文研究了一种无机械连接的方位测量同步系统，实现了单一角度传递^[8]。2006年，北京邮电大学的范玲、宋菲君等开始研究调制偏振光空间正交方位信息的传递，考虑用偏振光实现空间角度的测量^[9]。2008年，中科院西安光机所的吴易明、高立民、陈良益等对调制偏振光在方位信息传递中的应用进行了探讨，所设计装置初步实现了小范围信标光光束方位值的传递检测，但偏振角度的测量还未见诸报道^[10，11]。

通过上述分析可以发现，到目前为止，各种椭偏仪产品主要还是应用在物理实验教学、实验室中的材料组成分析、薄膜厚度测量和光学参数检测中，还没有可以直接应用在自由空间光通信并同时可以进行光束方位和偏振角度同步检测的椭偏仪出现^[12，13]。因此，本发明基于光电位置传感器的光束方位-偏振角度共光路检测方法及装置，能满足在自由空间光通信时同时进行偏振角度和光束位置同步检测的需要，弥补传统椭偏仪应用设计领域中的空白。

以上所涉及的参考文献如下：

1.R M A阿查姆，N M巴夏拉，“椭圆偏振测量术和偏振光”[M].北京：科学出版社，1985

2.J.Monin and G.A.Boutry，Nouv，Rev.Optique，4，159(1973)

3.Treichel Rainer，Sesselmann Rainer，Krieger Joachim，“Optical sensor for measurement of roll+pitch+yaw angles over large distances with high accuracy”[J].Proceedings of SPIE，1999，Vol.3824，199-207

4.任成，谈宜东，张书练，“正交偏振激光角度测量技术综述”[J].光学技术，2010，36(2)：193-199

5.张克奇，严义埙，“提高旋转检偏器式椭偏仪准确度的方法”[J].光学学报，1988，8(3)：228-234

6.冯星伟，“可变入射角波长扫描RPA型椭偏仪的研制”[J].光学学报，1995(4)：220-223

7.张恒，“基于光度法及混合法的自动椭偏仪研究”，华南师范大学硕士研究生论文，2005

8.申小军，马彩文，董晓娜，“一种无机械连接的方位测量同步系统”[J].光子学报，2001，30(11)：1389-1391

9.范玲，宋菲君，“基于调制偏振光的空间正交方位信息传递系统”[J].光学技术，2006，32(Z1)：166-168

10.吴易明，高立民，陈良益，“基于偏振光的精密角度测量及传递技术”[J].红外与激光工程，2008，37(3)：525-529

11.范淑华，徐丽珊，刘琳霞，“平面偏振光微小偏转角的精密测量”[J].华中科技大学学报(自然科学版)，2007，35(2)：122-124

12.陶卫，浦昭邦，孙运斌，“角度测量技术的发展”[J].激光杂志，2002，23(2)：5-7

13.陈立刚，洪津，乔延利等，“新型偏振特性因子及其传递关系的研究”[J].光电工程，2007，34(9)：66-69

发明内容

本发明是为保证自由空间星-地量子光通信中光学发射系统和光学接收系统处于严格的对准和跟瞄状态而设计的一种光学检测装置，能够同时对光学发射系统的方位角、俯仰角和偏振角进行同步在线测量，实现三种姿态角度同时在线检测的目的。

在自由空间星-地量子光通信中，偏振基矢测量、保持问题一直难以解决，若采用在运动环节增加姿态传感器被动测量各轴姿态信息的变化，则各轴姿态数据在累计求和并做修正时将产生累积误差。星载设备工作年限一般是以年计，这种误差积累会使这种修正过程不适合仪器的长期工作需要。因此，设计一种开环的偏振基矢测量装置测量信标光偏振基矢的变化，成为自由空间星-地量子光通信中的关键。另外，在自由空间星-地量子光通信中，信标光基准的获取是光电跟踪系统(ATP)设计中的重点。在已经实用化的光电跟踪系统中，信标光基准的获取主要采用CCD或CMOS相机、四象限传感器(QD)、电视制导技术、红外摄像技术或上述几种技术的组合。其中，以CCD相机或CMOS相机的应用最为普遍。由于一款高精度、高帧频的CCD相机制造费用高昂、开发周期长，并且购买途径受限，而一般的CCD相机又很难满足快速跟踪的需要。因此，如何解决这个矛盾也成为光电跟踪系统设计中需要解决的问题。

在考虑上述两种需求的同时，寻找一种能够同时满足信标光束偏振基矢测量和方位角度检测的装置和方法，成为实现星-地量子光通信中系统小型化、模块化设计中的迫切需要。

针对星-地量子光通信中偏振基矢保持和信标光光束位置检测的需要，本发明利用偏振光调制技术和PSD光电转换技术设计一套开环的偏振光基矢测量系统，利用光电转换效应测出信标光偏振基矢的变化，控制光学接收单元旋转，实现在量子光通信时两端光路在偏振基矢方向上保持一致，完成空间偏振基矢方位的同步传递功能；利用PSD传感器的光电位置检测功能和高速实时响应特性，设计基于PSD的信标光跟随系统，实现信标光光束位置检测功能。

本发明为实现上述功能采取的技术方案是：利用PSD传感器的光电转换和位置探测特性，设计双光路平行正交偏振光测量系统，实现信标光光束偏振基矢和两维姿态数据同时传递的目的。其中，偏振基矢的测量利用马吕斯原理实现，信标光光束位置测量利用PSD传感器的横向光电效应实现。

基于光电位置传感器横向光电效应的偏振基矢测量原理，参考说明书附图1进行说明。在图1中，由激光器2产生一束高强度的部分线偏振光，经侧向位移偏振分光棱镜4起偏后输出两束光强分别为I₀和ηI₀的正交平行偏振光，其中η为光源中正交偏振光强度的比值。两个光学系统在进行光通信对准前，接收光学系统的检偏器5处于原始位置，与侧向位移偏振分光棱镜4出射的信标光主偏振基矢相差为0°。则当信标光束接收系统15开始运动(如跟随卫星、气车、热气球等运动载体变化)时，检偏器5与信标光主偏振基矢方向将产生角度为θ的动态偏差。此时不考虑系统光学透镜和几何损耗，进入PSD传感器8的总光强应该满足

$I=I_0\cos {\mathrm{\θ}}^2+\mathrm{\η}{I}_0\cos {(\frac{\mathrm{\π}}{2}+\mathrm{\θ})}^2---\left(1\right)$

主信标偏振光次信标偏振光

经三角变换后，公式(1)可变形为

$I=\left(\frac{1+\mathrm{\η}}{2}\right)I_0+\left(\frac{1-\mathrm{\η}}{2}\right)I_0\cos \left(2\mathrm{\θ}\right)$

信标光基矢测量光(2)

其中，不含偏振角变化的部分作为信标光使用，包含光路偏转信息的部分作为基矢测量光使用，基矢测量的目的就是测量出偏转角θ的大小。

由于光强起伏受制于激光器、环境、大气湍流等因素，单纯依靠测量光强信息很难获得准确的偏振角变化，需要对光强信号进行调制。假设检偏器5在旋转电机6带动下以ω的角速度高速旋转，如果系统起始的偏转角为θ₀，则检偏器5在旋转电机6带动下旋转产生的瞬时偏转角可定义为

θ＝ωt+θ₀                    (3)

带入公式(2)，变形为

$I=\left(\frac{1+\mathrm{\η}}{2}\right)I_0+\left(\frac{1-\mathrm{\η}}{2}\right)I_0\cos (2\mathrm{\ωt}+2{\mathrm{\θ}}_0)---\left(4\right)$

设带动检偏器高速转动的电机的实时运动参数为

D_Motor＝1·cosωt              (5)

通过旋转电机6内的高速、高精度编码器，该值可被快速返回到PSD处理电路9中，经倍频运算后送DAC模块输出同步检测波形，输出形式为

D_Motor×2＝I_sta·cos2ωt       (6)

其中，I_sta为标准输出电流值(亦可用电压信号代替)。提取公式(4)中的直流分量，考虑引入的测量电路失调电流I_CM，则得到

$I_1=\left(\frac{1+\mathrm{\η}}{2}\right)I_0+I_{\mathrm{CM}}---\left(7\right)$

将公式(4)隔直后与公式(7)做比例运算，得到

$\mathrm{\γ}=\frac{\frac{1-\mathrm{\η}}{2}\cos (2\mathrm{\ωt}+2{\mathrm{\θ}}_0)}{\frac{1+\mathrm{\η}}{2}+\frac{I_{\mathrm{CM}}}{I_0}}---\left(8\right)$

一般光电流在微安级，电路失调电流在纳安级，公式(8)可变形为

$\mathrm{\γ}=\frac{(1-\mathrm{\η})\cos (2\mathrm{\ωt}+2{\mathrm{\θ}}_0)}{1+\mathrm{\η}}$

$=k_1\cos (2\mathrm{\ωt}+2{\mathrm{\θ}}_0)---\left(9\right)$

将公式(9)与公式(6)做相敏检波运算，得

$I_{\mathrm{out}}=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_0^{2\mathrm{\π}}{k}_1\cos (2\mathrm{\ωt}+2{\mathrm{\θ}}_0)I_{\mathrm{sta}}\cos \left(2\mathrm{\ωt}\right)d\left(\mathrm{\ωt}\right)=\frac{k_1{I}_{\mathrm{sta}}}{2}\cos 2{\mathrm{\θ}}_0---\left(10\right)$

该电流信号经电流-电压(I-V)变化后送ADC模块采样，通过反三角函数变换或利用查表法即可输出与偏振基矢角θ₀相关的测量角度数值。此时，偏振基矢角变化即可获得检测，并且其大小与入射光强度I₀无关，实现信标光束偏振基矢的测量目的。

基于光电位置传感器的信标光束位置测量原理，参考说明书附图2进行说明。在图2中，利用图1系统搭建出的信标光光束作为信标光位置检测光路使用，利用两维PSD传感器7的空间位置探测能力即PSD的横向光电效应、考虑透镜成像原理即可实现信标光光束方位的测量。在图2中，作为信标光光束的光AB通过透镜7成像到位于焦平面上的PSD传感器8上，PSD传感器测量出成像光点所在的实际位置x，将其与透镜7的焦距f做三角运算即可得到信标光光束与接收系统光轴的实际姿态偏差角度，也就是目标光学系统的方位角和俯仰角。其中，目标光学系统方位姿态角公式，如公式(11)所示。

其中，x、y为PSD传感器检测出的信标光光点距离传感器中心的位移。

综上所述，本发明的有益效果是不仅能满足量子密钥通信中偏振基矢测量的需要，还能整合信标光位置探测功能和基矢测量功能于一体，在同一个传感器上同时实现，拓宽了PSD位置传感器的应用领域，促进了PSD器件在三维姿态测量中的使用，对自由空间光通信、量子通信、ATP系统设计、角度测量等领域产生积极的影响。

附图说明

图1是正交偏振光偏振基矢测量系统结构图。

图2是两维信标光光束位置检测系统结构图。

图中1.信标光电源，2.激光器，3.准直透镜，4.侧向位移偏振分光棱镜，5.检偏器，6.带编码器旋转电机，7.透镜，8.PSD传感器，9.PSD处理电路，10.方位角显示器，11.俯仰角显示器，12.偏振基矢角显示器，13.接收系统电源，14信标光束发射单元，15.信标光束接收单元，16.两维跟踪转台，17.转台控制器，18.上位机。

具体实施方式

本发明装置构成包括：信标光电源1，.激光器2，准直透镜3，侧向位移偏振分光棱镜4，检偏器5，带编码器的旋转电机6，透镜7，PSD传感器8，PSD处理电路9，方位角显示器10，俯仰角显示器11，偏振基矢角显示器12，接收系统电源13，两维跟踪转台16，转台控制器17，上位机18。其中，1～4部分构成了信标光光束发射单元14；5～13、16～18构成了信标光束接收单元15。

实施步骤：信标光电源1与接收系统电源13同是一款可以保证系统稳定工作的直流稳压电源，电压路数三路，分为24V/200W、12V/30W、5V/20W，分别对激光器、旋转电机、PSD处理电路、两维跟踪转台进行供电，电源各路纹波小于100mV、50mV、10mV。激光器2能够发出一束部分线偏振光，激光器2是一款光强和偏振方向高度稳定的半导体激光器，最大100mW，可以通过厂家定制；如果短距离使用，也可用氪灯、氦灯、氖灯等单色光源代替，参数取通用值。部分线偏振光经准直透镜3整形后输出到侧向位移偏振分光棱镜4中，其中，准直透镜3选用普通高透过率透镜，表面镀增透膜，直径20mm，焦距30mm；侧向位移偏振分光棱镜是一种将PBS棱镜与菱形反射棱镜胶接后组成的组合棱镜，具有将入射光分解成两束正交平行偏振光的功能，出射偏振光偏离角度小于1角分，光束间距可根据晶体长度在生产时进行调节，晶体镜面透光效率大于95％，由厂家定制。两束正交偏振光束经长距离传输后在空间交叠，携带了光学发射系统的方位、偏振信息，通过检偏器5进行调制检偏，其中，检偏器5是一个具有高消光比(＞10⁵∶1)的通用偏振片，直径30mm可装入旋转电机的机械结构中，并以60周/s速度在旋转电机带动下转动，旋转电机为通用步进电机。调制检偏后的信标光经透镜7会聚到PSD传感器上，透镜7也是一片通用型高透过率会聚镜，直径40mm，焦距50mm。PSD传感器8位于透镜7的焦平面上，根据入射光强分别利用其横向光电效应检测信标光点的实际位置；利用光电转换效应测量其信标光点产生的总的光生电流，经PSD处理电路9处理后输出三维角度信息。其中，PSD传感器7选择日本滨松的S5991-01，光敏面为9mm×9mm，光谱响应率0.6A/W，暗电流1nA，非线性度为1.5％，此时视场角可以达到10.3°；PSD处理电路自制，可以实现方位、俯仰、偏振角度的测量。测量数据处理后，送显示装置10、11、12显示，并通过串口总线方式送转台控制器17完成两维跟踪转台16的跟踪调节功能，另外将数据送上位机18做后续记录处理。

Claims (2)

1.一种光束方位和偏振角度共光路检测装置，它包括信标光电源(1)、激光器(2)、准直透镜(3)、侧向位移偏振分光棱镜(4)、检偏器(5)、带编码器的旋转电机(6)、透镜(7)、PSD传感器(8)、PSD处理电路(9)、方位角显示器(10)、俯仰角显示器(11)、偏振基矢角显示器(12)、接收系统电源(13)、两维跟踪转台(16)、转台控制器(17)和上位机(18)，其特征在于：所述的装置中采用了PSD传感器(8)来检测光束方位和偏振角度；激光器(2)发出的部分线偏振光经准直透镜(3)整形后输出到侧向位移偏振分光棱镜(4)中，侧向位移偏振分光棱镜(4)将光束分解成光束A和光束B两束正交平行偏振光，两束正交偏振光束经长距离传输后在空间交叠，携带了光学发射系统的方位、偏振信息，通过检偏器(5)进行调制检偏，调制检偏后的信标光经透镜(7)会聚到PSD传感器(8)上，PSD传感器(8)根据入射光强分别利用其横向光电效应检测信标光点的实际位置，利用光电转换效应测量其信标光点产生的总的光生电流，光生电流经PSD处理电路(9)处理后输出三维角度信息，测量数据处理后送方位角显示器(10)、俯仰角显示器(11)和偏振基矢角显示器(12)显示，并通过串口总线方式送转台控制器(17)完成两维跟踪转台(16)的跟踪调节功能，另外将数据送上位机(18)做后续记录处理。

2.一种基于权利要求1所述装置的光束方位和偏振角度共光路检测方法，其特征在于：

光束的偏振基矢角θ₀通过PSD传感器(8)按以下方法获得：

$I_{\mathrm{out}}=\frac{k_1{I}_{\mathrm{sta}}}{2}\cos 2{\mathrm{\θ}}_0---\left(1\right)$

其中：k₁是常数项系数，I_sta为标准输出电流值，该电流信号经电流-电压变化后送ADC模块采样，通过反三角函数变换或利用查表法即可输出与偏振基矢角θ₀相关的测量角度数值；

光束的方位角按以下方法获得：

作为信标光光束的光束A和光束B通过透镜(7)成像到位于焦平面上的PSD传感器(8)上，PSD传感器(8)测量出成像光点所在的实际位置x，将其与透镜(7)的焦距f做三角运算即可得到信标光光束与接收系统光轴的实际姿态偏差角度，就是目标光学系统的方位角和俯仰角：

其中，x、y为PSD传感器检测出的信标光光点距离传感器中心的位移。

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