CN104393932B - 一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，电动偏转反射镜作为地面站望远镜的第三镜；单色光源作为参考光光源并固定在主镜筒上，参考光方向与主次镜光轴方向一致；光电探测器作为探测器，与量子光接收模块和信标光接收模块一起固定在望远镜俯仰支架上，不随望远镜俯仰轴转动。参考光经主、次镜反射后入射到电动偏转反射镜上，接着经第一分光镜将参考光和量子光分离出来，量子光反射进入量子光接收模块，透射的参考光进一步通过第二分光镜完成参考光和信标光的分离，信标光反射进入信标光接收模块，透射的参考光最后聚焦到光电探测器上。

Description

一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体涉及一种量子通信地面站望远镜光轴的实时修正方法。

背景技术

量子通信是指利用量子力学基本原理或基于量子特性的通信技术。这里的量子力学基本原理有叠加原理、量子态不可克隆定理和海森堡不确定原理等。随着量子信息学在理论和实验上的不断突破，人们预言这一领域会引起关于信息和通信技术的一场革命。利用空间技术通过卫星进行中转可以在地球上的任意两点之间建立起量子信道。要实现全球量子网路，必须依靠地面站望远镜实现卫星通信终端发射信标光的捕获和高精度跟踪，完成星上量子信号光的高效率高保偏度的接收，构建高稳定、低损耗的量子信道。对于典型的地面站望远镜来说，要求具有方位和俯仰两个跟踪轴。已有专利(申请号：201410096430.8)给出了一种地面站望远镜系统，整个光学系统的光路传输需要较少折转镜就到达量子通信模块，精跟踪探测器直接放置于地面站望远镜光学系统的一次焦点处，无须额外的成像镜头便可以实现信标光光轴位置的探测。在星地量子通信过程中，望远镜系统方位轴和俯仰轴随着目标的运动而进行旋转。当信标光接收光轴与俯仰轴机械轴不重合时，到达精跟踪探测器的光斑就会随着俯仰轴的旋转而形成圆形的轨迹，造成通信效率大大降低，必须寻找一种解决办法来减小信标光接收光轴与俯仰轴机械轴的不重合度。

目前公知的大口径跟踪望远镜的光轴均采用事前调整和标校的方法来获得高的同轴精度，此方法费时费力，缺乏定量结果。同时受到环境温度变化、俯仰轴不同高角位置及望远镜机架重力变形的影响，俯仰轴和信标光接收光轴的同轴度还是会随着时间的变化而改变，需要定期检测和调整望远镜俯仰轴轴和接收光轴的重合度。因此迫切需要一种可以实时调整光轴的方法才能实时保证系统最终的跟踪精度和接收效率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出了一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，以克服现有地面站望远镜系统中光轴调整精度低、耗时长的缺点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其实现步骤如下：

步骤1、搭建电动偏转反射镜实时修正光轴偏差的光路，该光路包括望远镜主框架，参考光光源，望远镜主镜，次镜，电动偏转反射镜，第一分色镜，量子光接收模块，第二分色镜，光电探测器和信标光接收模块；该光路的工作原理为：参考光光源发出的参考光经望远镜主镜和次镜反射后进入到达电动偏转反射镜，经电动偏转反射镜反射后入射到第一分色镜，参考光从第一分色镜透射，到达第二分色镜，经第二分色镜进一步透射后汇聚到光电探测器上，其中，望远镜的量子光经第一分色镜反射后入射到量子光接收模块，信标光经第一分色镜透射，第二分色镜反射后入射到信标光接收模块；

步骤2、参考光经主、次镜反射后入射到电动偏转反射镜上，接着经第一分色镜将参考光和量子光分离出来，量子光反射进入量子光接收模块，透射的参考光进一步通过第二分色镜完成参考光和信标光的分离，信标光反射进入信标光接收模块，透射的参考光最后聚焦到光电探测器上；

步骤3、在对目标的跟踪过程中，望远镜的方位轴和俯仰轴转动实现对星上信标光的跟踪，此时光电探测器实时检测出光轴偏差量，驱动电动偏转反射镜进行闭环，进而完成望远镜光轴的实时修正。

进一步的，所述的步骤3中完成望远镜光轴的实时修正具体为：

步骤1).望远镜完成主镜和次镜的装调和对准，然后安装参考光到主镜筒上，调整光轴实时检测光路，使光斑位于光电探测器靶面中心附近，作为光电探测器零点；

步骤2).确定电动偏转反射镜与光电探测器上光斑偏移量和偏移方向的对应关系；

步骤3).旋转望远镜的俯仰轴系，根据光电探测器上光斑偏离零点的误差来控制电动偏转反射镜，使光斑稳定在零点。

进一步的，所述的参考光为发散角较小的单色光源。

进一步的，所述的初始装调使光斑位于光电探测器中心只是为了提高工作范围。

进一步的，所述的电动偏转反射镜需要有机械锁定功能，即在设定快反镜状态后电动偏转反射镜可以高精度保持该状态，并且掉电后依然保持。

进一步的，所述的第一分色镜的分光面镀膜，使参考光和信标光高透，量子光高反。

进一步的，所述的第二分色镜的分光面镀膜，使参考光高透，信标光高反。

进一步的，所述的参考光波长与量子光和信标光波长不同。

进一步的，电动偏转反射镜为压电陶瓷或音圈电机驱动，可在小角度范围内做快速的偏转。

进一步的，所述的光电探测器为CCD、CMOS、PSD或QD。

本发明与现有技术相比有以下优点：本发明可以有效抑制地平式望远镜工作时产生的动态光轴变化，具有高带宽、高精度的特点；本发明可以有效提高地平式望远镜在风载、机架震动、地基摇摆等工作环境下的指向精度和成像质量；本发明可以使地平式望远镜长时间保持高精度指向的工作状态。

附图说明

图1是本发明光轴实时修正方法对应的光路原理图；

图中：1表示望远镜主框架，2表示参考光光源，3表示望远镜主镜，4表示次镜，5表示电动偏转反射镜，6表示第一分色镜，7表示量子光接收模块，8表示第二分色镜,9表示光电探测器，10表示信标光接收模块；

图2是光斑偏移量和光轴偏差的关系；

图3是光轴实时修正方法的控制算法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明利用电动偏转反射镜实时修正光轴偏差的光路原理图如图1所示，其中1为望远镜主框架，2为参考光光源，3为望远镜主镜，4为次镜，5为电动偏转反射镜，6为第一分色镜，7为量子光接收模块，8为第二分色镜，9为光电探测器，10为信标光接收模块。光轴检测光路的工作原理为：参考光光源2发出的参考光经望远镜主镜3和次镜4反射后进入到达电动偏转反射镜5，经电动偏转反射镜5反射后入射到第一分色镜6，参考光从第一分色镜6透射，到达第二分色镜8，经第二分色镜8进一步透射后汇聚到位置敏感探测器9上。其中，望远镜的量子光经第一分色镜6反射后入射到量子光接收模块7。信标光经第一分色镜6透射，第二分色镜8反射后入射到信标光接收模块10。

这里假定地平式望远镜的光学系统为1m级的R-C望远镜，光学参数如表1所示,其中PM为Primary Mirror(主镜)，SM为Secondary Mirror(次镜)，TM为Third Mirror(三镜)。MIRROR表示该光学元器件为反射镜。

表1 R-C望远镜光学参数

使用电动偏转反射镜作为地平式望远镜的第三镜，电动偏转反射镜光学部件的光学参数应该与三镜相同。为了保证望远镜装调、运输、测试等方面的便利，需要电动偏转反射镜具有机械锁定的能力，即当电动偏转反射镜掉电时可以保持原位置。用发散角小于50μrad的单色光源作为参考光光源，参考光光源固定在主镜筒上，参考光的光束直径为2mm。用位置敏感探测器(PSD)作为光电探测器，PSD位于R-C望远镜的主焦点上。

基于快反镜的地平式望远镜照准差实时修正方法，其实现步骤如下：

1).望远镜完成主镜和次镜的装调和对准，然后安装参考光到主镜筒上，调整光轴实时检测光路，使光斑位于PSD中心附近，作为PSD零点；

2).确定电动偏转反射镜与PSD上光斑偏移量和偏移方向的对应关系；

光斑偏移量与光轴偏差的关系如图2所示。光斑实时位置与零点位置的偏差e可以根据公式1求出参考光的偏转角度θ。

$\mathrm{\θ}=\frac{e}{f}---\left(1\right)$

其中f为等效焦距，参考光的偏转角度θ与光轴偏差存在一定函数关系，且偏转角度θ越小时光轴偏差越小，当偏转角度θ为零时，光轴偏差也为零。当偏转角度很小θ时，光轴偏差可以认为也是θ。因此可以利用这一边界条件进行闭环控制，使光斑始终处于零点位置，从而达到实时减小光轴偏差的目的。由光斑在PSD上的位置信息驱动电动偏转反射镜，从而构成闭环。

3).旋转望远镜的俯仰轴系，根据PSD上光斑偏离零点的误差来控制电动偏转反射镜，使光斑稳定在零点；光轴实时修正的控制流程图如图3所示。首先，读取控制器的参数和光斑零点位置；然后，读取光斑在PSD上的实时位置信息；接着，根据阈值判定是否需要修正照准差；如果需要满足阈值要求，需要修正照准差，则计算光斑的位置偏差，并据此计算电动偏转反射镜的驱动量，最后根据电动偏转反射镜的驱动量调整快反镜。

本实施例中，信标光波长532nm，量子光波长810nm，参考光波长633nm。主镜1的有效直径为1000mm，面形为双曲面，次镜2的有效直径为300mm，面形也为双曲面，主镜1和次镜2的组合焦距8000mm，电动偏转反射镜3的有效直径300mm，偏转角度为3分，由音圈电机驱动，闭环带宽100Hz。本发明对光轴偏差的修正精度受限于光斑位置的解算，根据PSD的信息可以计算出光斑1μm的偏移量，则光轴偏差的修正精度为3.33μrad。

Claims (9)

1.一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：该方法步骤如下：

步骤1、搭建电动偏转反射镜实时修正光轴偏差的光路，该光路包括望远镜主框架(1)，参考光光源(2)，望远镜主镜(3)，次镜(4)，电动偏转反射镜(5)，第一分色镜(6)，量子光接收模块(7)，第二分色镜(8)，光电探测器(9)和信标光接收模块(10)；该光路的工作原理为：参考光光源(2)发出的参考光经望远镜主镜(3)和次镜(4)反射后进入到达电动偏转反射镜(5)，经电动偏转反射镜(5)反射后入射到第一分色镜(6)，参考光从第一分色镜(6)透射，到达第二分色镜(8)，经第二分色镜(8)进一步透射后汇聚到光电探测器(9)上，其中，望远镜的量子光经第一分色镜(6)反射后入射到量子光接收模块(7)，信标光经第一分色镜(6)透射，第二分色镜(8)反射后入射到信标光接收模块(10)；

步骤2、参考光经望远镜主镜(3)、次镜(4)反射后入射到电动偏转反射镜(5)上，接着经第一分色镜(6)将参考光和量子光分离出来，量子光反射进入量子光接收模块(7)，透射的参考光进一步通过第二分色镜(8)完成参考光和信标光的分离，信标光反射进入信标光接收模块(10)，透射的参考光最后聚焦到光电探测器上；

步骤3、在对目标的跟踪过程中，望远镜的方位轴和俯仰轴转动实现对星上信标光的跟踪，此时光电探测器实时检测出光轴偏差量，驱动电动偏转反射镜进行闭环，进而完成望远镜光轴的实时修正。

2.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的步骤3中完成望远镜光轴的实时修正具体为：

步骤1).望远镜完成主镜和次镜的装调和对准，然后安装参考光到主镜筒上，调整光轴实时检测光路，使光斑位于光电探测器中心附近，作为光电探测器零点；

步骤2).确定电动偏转反射镜与光电探测器上光斑偏移量和偏移方向的对应关系；

步骤3).旋转望远镜的俯仰轴系，根据光电探测器上光斑偏离零点的误差来控制电动偏转反射镜，使光斑稳定在零点。

3.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的参考光为发散角较小的单色光源。

4.根据权利要求2所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：初始装调使光斑位于光电探测器中心只是为了提高工作范围。

5.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的电动偏转反射镜需要有机械锁定功能，即在设定快反镜状态后电动偏转反射镜可以高精度保持该状态，并且掉电后依然保持。

6.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的第一分色镜的分光面镀膜，使参考光和信标光高透，量子光高反。

7.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的第二分色镜的分光面镀膜，使参考光高透，信标光高反。

8.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的参考光波长与量子光和信标光波长不同。

9.根据权利要求1所述的一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法，其特征在于：所述的电动偏转反射镜为压电陶瓷或音圈电机驱动，可在小角度范围内做快速的偏转。