CN102223177A - 一种基于单光子探测的超远距离光通信系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于单光子探测的光通信系统及方法，特别适用于超远距离通信的场合。该发明针对国际上对深空探索和深空通信需求与传统微波通信系统功耗和带宽等方面限制的矛盾，采用信道容量大、功耗低、体积小、重量轻、保密性高和抗干扰能力强等诸多优点的空间光通信方式，基于现今新兴的单光子探测技术，提出一种基于单光子探测的超远距离光通信系统和方法；其采用差分脉冲位置调制和偏振调制结合的编码调制方式，空间高精度跟踪捕获瞄准技术，通过设计合理的光机结构和系统的通信方法，降低空间光通信的链路和系统损耗，提高通信带宽，能极大地降低了通信系统的功耗，从而满足超远距离光通信的需求，尤其将适用于深空超远距离通信的场合。

Description

一种基于单光子探测的超远距离光通信系统及方法

 

技术领域

本发明涉及一种超远距离光通信系统光通信技术，特指一种基于单光子探测的超远距离光通信系统及方法。

背景技术

在二十一世纪的现阶段，世界航天领域的整体水平大步前进，不但对月球的探索和占领进入了实质性的阶段，而且探索的足迹往更远的深空延伸，火星必然成为世界航天大国竞争的下一个目标。深空卫星为了更好地完成探测等科学使命，需要实时地把探测获得的数据回传地面工作站，并且接收来自地面站的新命令，调整现行工作状态。当深空卫星达到火星轨道甚至更远的探测距离时，无线电波通信等原通信方式的缺点也逐渐被扩大，过大的载荷功耗使深空卫星的工作状态很难保持稳定，通信的实时性也被大打折扣；通信系统的保密性和抗干扰性也是需要考虑的方面，在电磁攻击和窃听者面前，系统将变得脆弱不堪；而且无线电波通信的通信速率也在1Mbps进入了瓶颈，使得深空探索进一步需求将可能无法获得充分的满足。

随着信息时代军事和商业的迅速发展，无线电波频谱的日益拥挤，而传输数据量的日益增大等矛盾的激化，激光通信尤其是空间光通信越来越受到使用者的青睐。光电子元器件制造工艺水平的不断提高和激光链路单元技术的蓬勃发展，更为激光通信提供了可靠保障和广阔的发展前景。从20世纪90年代以来，世界各国经过努力建立多条空间激光通信链路，从理论和实践上证明了激光通信的可行性，并积累了丰富的经验。空间激光通信技术是利用激光光波作为信息载体，实现两个应用目标之间的通信，应用目标包括同步轨道、中轨道、低轨道及深空卫星。此外，卫星与地面光学终端、其他飞行器与地面站或卫星之间的通信也属于空间激光通信技术的范畴。与无线电波通信系统相比，卫星激光通信系统具有信道容量大、功耗低、体积小、重量轻、保密性高和抗干扰能力强等突出优点。

20世纪90年代以后，单光子探测技术得到充分发展，单光子信息技术为当前世界的科研工作者极力追捧。本专利基于单光子探测的深空通信技术，将特别适用于深空应用。该技术不仅具有卫星激光通信的优点，还有具有进一步的优势。该技术的特点是通信发射端发射的激光脉冲能量满足经过信道等衰减后到达接收端的能量满足单光子量级，由单光子探测器接收。显然的，该技术将传统的空间光通信采用的光电探测器改为单光子探测器，探测的灵敏度将大大提高，这在通信实时性和高带宽的需求下，能使得通信激光器的发射功率需求降低到可实用的条件，在深空通信这样传输距离很长衰减很大的情况下尤其表现出优势。该深空通信技术的编码方式还将结合脉冲位置编码和偏振编码，使得原每脉冲单维信息提高为多维，新的偏振脉冲位置编码比原有脉冲位置编码方式效率更高，在不增加发射通信激光器的情况下，提高通信速率。该建议的深空通信技术使得深空通信系统经过改进后，可以进入量子通信模式，检测是否存在窃听者，以保证重要的探测信息和工作指令的安全性。

发明内容

本发明的目的在于，针对国际上对深空探索和深空通信需求与传统微波通信系统功耗和带宽等方面限制的矛盾，采用信道容量大、功耗低、体积小、重量轻、保密性高和抗干扰能力强等诸多优点的空间光通信方式，基于现今新兴的单光子探测技术，提出一种基于单光子探测的超远距离光通信系统和方法。

整个超远距离光通信系统的技术方案为：

基于单光子探测的超远距离光通信系统原理示意图如图1所示，其由电子学总控制器1、水平线偏通信光激光器2、垂直线偏通信光激光器3、发射偏振分光棱镜4、垂直线偏单光子探测器5、水平线偏单光子探测器6、接收偏振分光棱镜7、发射通信光与接收通信光分光片8、信标光激光器9、发射信标光与通信光分光片10、电控快速指向镜11、跟踪相机12、接收信标光与发射信标光通信光分光片13、望远镜系统14组成。水平线偏通信光激光器2、垂直线偏通信光激光器3、垂直线偏单光子探测器5、水平线偏单光子探测器6、信标光激光器9、电控快速指向镜11、跟踪相机12与电子学总控制器1之间存在电连接，电子学总控制器1接收垂直线偏单光子探测器5、水平线偏单光子探测器6的单光子信息数据，接收跟踪相机12的跟踪图像数据，控制水平线偏通信光激光器2、垂直线偏通信光激光器3、信标光激光器9的开关和激光脉冲，控制电控快速指向镜11的跟踪指向。

水平线偏通信光激光器2出射的发射通信光偏振态为水平线偏振，垂直线偏通信光激光器3出射的发射通信光偏振态为垂直线偏振；发射偏振分光棱镜4使水平线偏通信光激光器2和垂直线偏通信光激光器3出射的发射信标光合路而偏振态不变；接收偏振分光棱镜7将系统接收的接收通信光按偏振态分光，水平线偏光透射，由水平线偏单光子探测器6接收，垂直线偏光反射，由垂直线偏单光子探测器7接收；发射通信光与接收信标光分光片8使发射通信光透射，接收通信光发射；发射信标光与通信光分光片10使发射信标光透射，发射通信光、接收通信光发射；接收信标光与发射信标光通信光分光片13使发射信标光、发射通信光、接收通信光透射，接收信标光反射；发射偏振分光棱镜4、接收偏振分光棱镜7、发射通信光与接收通信光分光片8、发射信标光与通信光分光片10、电控快速指向镜11、接收信标光与发射信标光通信光分光片13、望远镜系统14整体考虑系统在发射通信光和接收通信光波段的偏振保持设计，保证完美线偏的通信光经过系统与信道后偏振对比度优于1000：1；系统与通信另一端具有相似结构系统的基矢（水平方向）始终保持一致。

系统接收信标光时，接收信标光由通信另一端具有类似结构系统的信标光激光器发射，由望远镜系统14接收，经接收信标光与发射信标光通信光分光片13反射，由跟踪相机12接收；系统发射信标光时，发射信标光由信标光激光器9发射，经发射信标光与通信光分光片10透射，电控快速指向镜11反射，接收信标光与发射信标光通信光分光片13透射，由望远镜系统14发射向通信另一端具有类似结构的系统；系统发射通信光时，发射通信光由水平线偏通信光激光器2发射水平线偏通信光或由垂直线偏通信光激光器3发射垂直线偏通信光，经发射偏振分光棱镜4透射或反射进行合路，发射通信光与接收通信光分光片8透射，发射信标光与通信光分色片10反射，电控快速指向镜11反射，接收信标光与发射信标光通信光分光片13透射，由望远镜系统14发射向通信另一端具有类似结构的系统；系统接收通信光时，接收通信光由通信另一端具有类似结构系统的水平线偏通信光激光器或垂直线偏通信光激光器发射，由望远镜系统14接收，经接收信标光与发射信标光通信光分光片13透射，电控快速指向镜11反射，发射信标光与通信光分光片10反射，发射通信光与接收通信光分光片8反射，由接收偏振分光棱镜7分光：水平线偏接收通信光经接收偏振分光棱镜7透射，由水平线偏单光子探测器6接收，垂直线偏接收通信光经接收偏振分光棱镜7反射，由垂直线偏单光子探测器5接收。

整个超远距离光通信方法的技术方案为：

在实际进行基于单光子探测的超远距离光通信时，系统需要进入跟踪瞄准状态。首先，通信系统的电子学总控制器根据通信另一端具有类似结构系统的位置信息，计算得到粗指向数据，打开信标光激光器9，控制电控快速指向镜11，由望远镜系统扩束后将发射信标光粗指向通信另一端的系统；通信另一端系统内的跟踪相机捕获到该信标光后，其电子学总控制器根据跟踪图像信息，控制其信标光激光器和电控快速指向镜回打一束信标光；通信系统的接收望远镜系统14缩束接收通信另一端传来的接收信标光，经接收信标光与发射信标光通信光分光片反射，进入跟踪相机12，并将跟踪图像传输给电子学总控制器1，电子学总控制器1根据图像处理数据，控制电控快速指向镜11将发射信标光精指向通信另一端系统。由此，通信系统进入跟瞄状态，可以开始通信。

系统光通信的调制编码方式以差分脉冲位置调制（DPPM）为基础，结合偏振调制，即将原差分脉冲位置调制中每段脉冲位置调制的强度脉冲区分为水平线偏脉冲和垂直线偏脉冲，这样就使差分脉冲位置调制过程中每块调制的二进制信息量增加1位。以8-DPPM为例：原8-DPPM调制以每8个脉冲位置为一段，其中仅存在1个强度脉冲，强度脉冲发生后的空缺脉冲位置被省略，因此每段信息平均占用4个脉冲位置宽度，表示3位二进制信息；结合偏振调制后，当脉冲的偏振态为水平线偏，表示偏振信息位为0，当脉冲的偏振态为垂直线偏，表示偏振信息位为1，因此每段信息平均仍占用4个脉冲位置宽度，但表示4位二进制信息量。光通信系统需要发射一个脉冲时，由电子学总控制器1控制水平线偏通信光激光器2或垂直线偏通信光激光器3发射一个激光脉冲：当需发射的偏振位数据为0时，使水平线偏通信光激光器2发射一个水平线偏振的脉冲信号；当需发射的偏振位数据为1时，使垂直线偏通信光激光器3发射一个垂直线偏振的脉冲信号。由水平线偏通信光激光器2或垂直线偏通信光激光器3发射的线偏振能量只需满足经过系统与信道后到达通信另一端具有类似结构系统的接收偏振棱镜前每脉冲处于5-10个光子水平。

光通信系统的接收偏振分光棱镜前接收到的通信光每脉冲能量同样处于5-10个光子水平，由接收偏振分光棱镜7分光：水平线偏接收通信光经接收偏振分光棱镜7透射，由水平线偏单光子探测器6接收；垂直线偏接收通信光经过接收偏振分光棱镜7反射，由垂直线偏单光子探测器5接收。理想情况下：当发射的偏振信息位为0时，进入接收偏振分光棱镜7的接收通信光偏振态为水平线偏振，只有水平线偏单光子探测器6发生响应，而垂直线偏单光子探测器5不发生响应，该偏振信息位被正确解码为0；当发射的偏振信息位为1时，进入接收偏振分光棱镜7的接收通信光偏振态为垂直线偏振，只有垂直线偏单光子探测器5发生响应，而水平线偏单光子探测器6不发生响应，该偏振信息位被正确解码为1。而实际上，由于偏振光的信道退偏、系统偏振对比度不理想、单光子探测器存在暗计数等因素的影响下，有极少的脉冲使得水平线偏单光子探测器6与垂直线偏单光子探测器5都发生响应，这时该段信息数据将被放弃，有必要时可通信重传该段信息数据。

附图说明

图1为系统原理示意图。

图中标号：1为电子学总控制器，2为水平线偏通信光激光器，3为垂直线偏通信光激光器，4为发射偏振分光棱镜，5为垂直线偏单光子探测器，6为水平线偏单光子探测器，7为接收偏振分光棱镜，8为发射通信光与接收通信光分光片，9为信标光激光器，10为发射信标光与通信光分光片，11为电控快速指向镜，12为跟踪相机，13为接收信标光与发射信标光通信光分光片，14为望远镜系统。图1中粗线为电路，细线为光路。

具体实施方式

以火星探测时需要实施的地球地面站与火星卫星的超远距离光通信为例，通信两端火星探测卫星和地面站各需要一个本发明系统，分别为卫星载荷系统和地面站系统，本发明系统示意图如图1所示，通信距离6000万公里。

对于卫星载荷系统：

发射通信光的波长为1550nm ，接收通信光的波长为1064nm，发射信标光的波长为671nm，接收信标光的波长为532nm；水平线偏通信光激光器2发射水平线偏振1550nm的通信光，垂直线偏通信光激光器3发射垂直线偏振1550nm的通信光；信标光激光器9发射671nm的信标光；水平线偏单光子探测器6与垂直线偏单光子探测器5对1064nm光子响应率高，不低于50%；跟踪相机对532nm激光响应率高，不低于0.5A/W；发射偏振分光棱镜4在1550nm具有良好偏振分光特性，接收偏振分光棱镜7在1064nm具有良好偏振分光特性；发射通信光与接收通信光分光片8使1550nm激光透射，1064nm激光反射；发射信标光与通信光分光片10使671nm激光透射，1550nm激光、1064nm激光反射；接收信标光与发射信标光通信光分光片13使1550nm激光、1064nm激光、671nm激光透射，532nm激光反射。

对于地面站系统：

发射通信光的波长为1064nm ，接收通信光的波长为1550nm，发射信标光的波长为532nm，接收信标光的波长为671nm；水平线偏通信光激光器2发射水平线偏振1064nm的通信光，垂直线偏通信光激光器3发射垂直线偏振1064nm的通信光；信标光激光器9发射532nm的信标光；水平线偏单光子探测器6与垂直线偏单光子探测器5对1550nm光子响应率高，不低于50%；跟踪相机对671nm激光响应率高，不低于0.5A/W；发射偏振分光棱镜4在1064nm具有良好偏振分光特性，接收偏振分光棱镜7在1550nm具有良好偏振分光特性；发射通信光与接收通信光分光片8使1064nm激光透射，1550nm激光反射；发射信标光与通信光分光片10使532nm激光透射，1064nm激光、1550nm激光反射；接收信标光与发射信标光通信光分光片13使1064nm激光、1550nm激光、532nm激光透射，671nm激光反射。

卫星载荷系统的通信光发射光路和地面站系统的通信光接收光路整体考虑1550nm激光的偏振保持，地面站系统的通信光发射光路和卫星载荷系统的通信光接收光路整体考虑1064nm激光的偏振保持，偏振对比度优于1000：1。

通信调制编码方式采用16-DPP调制结合偏振调制的方式，平均每8个脉冲位置表征5位数据。卫星通信系统和地面站系统的水平线偏通信光激光器2和垂直线偏通信光激光器3均使用具有1G/s重频能力的脉冲激光器，则理论的最大通信速率可以达到70MB/s。

对于卫星载荷系统：

望远镜系统14采用口径为250mm的牛顿反射式望远镜；信标光激光器9发射671nm激光功率为100mW，系统发射信标光发散角为20urad；系统的发射通信光发散角为10urad，通信光发射功率仅需50uW。

对于地面站系统：

望远镜系统14采用口径为3米的牛顿反射式望远镜，信标光激光器发射532nm激光功率为10W，系统发射信标光发散角为20urad。系统的发射通信光发散角为10urad，通信光发射功率仅需1mW。

卫星载荷系统和地面站系统的电控快速指向镜11的电控指向机构使用PI公司生产的压电陶瓷偏转平台，跟踪相机12使用基于LUPA300的CMOS图像传感器系统。

Claims (2)

1.一种基于单光子探测的超远距离光通信系统，它包括：电子学总控制器（1）、水平线偏通信光激光器（2）、垂直线偏通信光激光器（3）、发射偏振分光棱镜（4）、垂直线偏单光子探测器（5）、水平线偏单光子探测器（6）、接收偏振分光棱镜（7）、发射通信光与接收通信光分光片（8）、发射信标光激光器（9）、发射信标光与通信光分光片（10）、电控快速指向镜（11）、跟踪相机（12）、接收信标光与发射信标光通信光分光片（13）和望远镜系统（14），其特征在于：

1）所述的电子学总控制器（1）与水平线偏通信光激光器（2）、垂直线偏通信光激光器（3）、垂直偏振单光子探侧器（5）、水平偏振单光子探测器（6）、电控快速指向镜（11）和跟踪相机（12）间存在电连接，综合控制整个电子学和软件系统；所述的水平线偏通信光激光器（2）和垂直线偏通信光激光器所发激光偏振态分别为水平线偏振和垂直线偏振；所述的发射通信光与接收通信光分光片（8）使发射通信光透射，而接收通信光反射；所述的发射信标光与通信光分光片（10）使发射信标光透射，而使发射通信光、接收通信光反射；所述的接收信标光与发射信标光通信光分光片（13），使发射信标光、发射通信光、接收通信光透射，而使接收信标光反射；

2）系统接收信标光时，所述的接收信标光由通信另一端具有类似结构的通信系统发射，由望远镜系统（14）接收，经接收信标光与发射信标光通信光分光片（13）反射，由跟踪相机（12）接收；系统发射信标光时，所述的发射信标光由发射信标光激光器（9）发射，经发射信标光与通信光分光片（10）透射，电控快速指向镜（11）反射，接收信标光与发射信标光通信光分光片（13）透射，由望远镜系统（14）发射向通信另一端具有类似结构的系统；系统发射通信光时，所述的发射通信光由水平线偏通信光激光器（2）或垂直线偏通信光激光器（3）发射，经发射偏振分光棱镜（4）透射或反射，发射通信光与接收信标光分光片（8）透射，发射信标光与通信光分光片（10）反射，电控快速指向镜（11）反射，接收信标光与发射信标光通信光分光片（13）发射，由望远镜系统（14）发射向通信另一端具有类似结构的系统；系统接收通信光时，所述的接收通信光由通信另一端具有类似结构的通信系统发射，由望远镜系统（14）接收，经接收信标光与发射信标光通信光分光片（13）透射，电控快速指向镜（11）反射，发射信标光与通信光分色片（10）反射，发射通信光与接收通信光分光片（8）发射，接收偏振分光棱镜（7）透射或反射，由水平线偏单光子探测器（5）、垂直线偏单光子探测器（6）接收。

2.一种基于权利要求1所述系统的基于单光子探测的超远距离光通信方法，其特征在于：

1）在系统进入通信前，首先要进入跟瞄状态，系统根据通信另一端具有相似结构系统的位置信息，利用电控快速指向镜（11）进行粗指向；跟踪相机（12）将接收到来自通信另一端具有相似结构系统发射而来的接收信标光，并将跟踪图像实时传送给电子学总控制器（1）；电子学总控制器（1）通过处理跟踪图像，得到实时的指向数据传输给电控快速指向镜（11），使得系统的发射信标光始终能够精确地指向通信另一端具有相似结构的系统；

2）通信系统采用差分脉冲位置调制与偏振调制相结合的方式，原差分脉冲位置调制中的强度脉冲被区分为水平线偏脉冲和垂直线偏脉冲，分别由水平线偏通信光激光器（2）和垂直线偏通信光激光器（3）发射，经发射偏振分光棱镜（4）后合为同一发射光路；水平线偏通信光激光器（2）和垂直线偏通信激光器（3）的发射能量保证通过通信信道后到达通信另一端具有相似结构系统的接收偏振分光棱镜前的能量处于5-10个光子水平；

3）系统接收到通信另一端具有相似结构系统发来处于5-10个光子水平能量的通信光，经由接收偏振分光棱镜（7）分光，水平线偏的通信光将由水平线偏单光子探测器（6）接收，垂直线偏的通信光将由垂直线偏单光子探测器（7）接收，由电子学总控制器（1）根据调制方式进行相应解码；其偏振解码为：脉冲仅由水平线偏单光子探测器（6）响应，解码为水平线偏通信光；仅由垂直线偏单光子探测器（6）响应，解码为垂直线偏通信光；两者都有响应，该脉冲将作为误码被舍弃。

Images