CN202978948U - 基于半波片旋转的动态偏振补偿装置 - Google Patents

Abstract

基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，属于卫星量子通信领域，本实用新型为解决现有偏振跟踪技术中发射机或接收机处于太空中，两者具有共同的偏振基准难以得到保证的问题。本实用新型包括发射端和接收端，发射端：激光二极管输出的光束经过光学衰减器入射至第一偏振片，第一偏振片输出偏振信标，发射端控制装置控制第一偏振片的旋转角度；接收端：所述偏振信标经过干涉滤波片透射至分光器，分光器的反射光束经过半波片、第二偏振片入射至第一CCD的光敏面，分光器的透射光束经过第三偏振片入射至第二CCD的光敏面，两个CCD的图像信号都给接收端控制装置；接收端控制装置控制半波片、第二偏振片和第三偏振片的旋转角度。

Description

基于半波片旋转的动态偏振补偿装置

技术领域

本实用新型涉及基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，属于卫星量子通信领域。

背景技术

空间点对点量子通信受限于通信双方间的视线距离。为了实现全球任意两点间的保密通信，建立天基量子通信网络系统，需要通过卫星进行量子通信。目前，卫星量子通信研究主要集中在可行性论证方面。

偏振跟踪是卫星量子通信中的关键技术之一。在偏振编码卫星量子通信中，发射机和接收机需要具有共同的偏振基准，这样才能完成量子通信协议。但是，由于发射机或接收机处于太空中，两者具有共同的偏振基准难以得到保证。而且，当发射机和接收机进入闭环锁定跟踪状态之后，由于卫星动力学过程，发射机和接收机沿其共同中心连线有可能发生相对旋转，使得偏振基准发生改变。

发明内容

本实用新型目的是为了解决现有偏振跟踪技术中发射机或接收机处于太空中，两者具有共同的偏振基准难以得到保证的问题，提供了一种基于半波片旋转的动态偏振补偿装置。

本实用新型所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，它包括发射端和接收端，

发射端包括发射端控制装置、激光二极管、光学衰减器和第一偏振片，

激光二极管输出的光束经过光学衰减器入射至第一偏振片，第一偏振片输出偏振信标，

发射端控制装置控制第一偏振片的旋转角度；

接收端包括干涉滤波片、分光器、半波片、第二偏振片、第一CCD、接收端控制装置、第三偏振片和第二CCD，

所述偏振信标入射至干涉滤波片，干涉滤波片透射输出的光束入射至分光器，

分光器的反射光束入射至半波片，半波片的出射光束入射至第二偏振片，第二偏振片的出射光束入射至第一CCD的光敏面，第一CCD的图像信号输出端与接收端控制装置的第一图像信号输入端相连；

分光器的透射光束入射至第三偏振片，第三偏振片的出射光束入射至第二CCD的光敏面，第二CCD的图像信号输出端与接收端控制装置的第二图像信号输入端相连；

接收端控制装置控制半波片、第二偏振片和第三偏振片的旋转角度。

发射端控制装置包括发射端单片机、发射端A/D转换器、第一偏振片D/A转换器、第一偏振片驱动电路、第一偏振片调整电机、发射端键盘和发射端显示器，

发射端A/D转换器的数字信号输出端与发射端单片机的数字信号输入端相连；

发射端单片机的数字信号输出端与第一偏振片D/A转换器的数字信号输入端相连，第一偏振片D/A转换器的模拟信号输出端与第一偏振片驱动电路的输入端相连，第一偏振片驱动电路的输出端与第一偏振片调整电机的驱动端相连，第一偏振片调整电机通过驱动机械齿轮来旋转第一偏振片的角度；

发射端键盘的外部指令输出端与发射端单片机的外部指令输入端相连；

发射端单片机的显示信号输出端与发射端显示器的显示信号输入端相连。

接收端控制装置包括接收端单片机、接收端A/D转换器、接收端键盘、接收端显示器、第二偏振片D/A转换器、第二偏振片驱动电路、第二偏振片调整电机、第三偏振片D/A转换器、第三偏振片驱动电路、第三偏振片调整电机、半波片D/A转换器、半波片驱动电路和半波片调整电机，

接收端键盘的外部指令输出端与接收端单片机的外部指令输入端相连；

接收端单片机的显示信号输出端与接收端显示器的显示信号输入端相连。

接收端A/D转换器的数字信号输出端与接收端单片机的数字信号输入端相连；

接收端单片机的第一数字信号输出端与第二偏振片D/A转换器的数字信号输入端相连，第二偏振片D/A转换器的模拟信号输出端与第二偏振片驱动电路的输入端相连，第二偏振片驱动电路的输出端与第二偏振片调整电机的驱动端相连，第二偏振片调整电机通过驱动机械齿轮来旋转第二偏振片的角度；

接收端单片机的第二数字信号输出端与第三偏振片D/A转换器的数字信号输入端相连，第三偏振片D/A转换器的模拟信号输出端与第三偏振片驱动电路的输入端相连，第三偏振片驱动电路的输出端与第三偏振片调整电机的驱动端相连，第三偏振片调整电机通过驱动机械齿轮来旋转第三偏振片的角度；

接收端单片机的第三数字信号输出端与半波片D/A转换器的数字信号输入端相连，半波片D/A转换器的模拟信号输出端与半波片驱动电路的输入端相连，半波片驱动电路的输出端与半波片调整电机的驱动端相连，半波片调整电机通过驱动机械齿轮来旋转半波片的角度。

本实用新型的优点：本实用新型所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置能实现自由空间偏振跟踪。通过处理偏振消光曲线发射端偏振基准被实时动态跟踪。并且通过半波片的旋转对其进行实时动态补偿。使卫于太空中的发射机或接收机具有共同的偏振基准。

附图说明

图1是本实用新型所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置的结构示意图；

图2是发射端控制装置的原理框图；

图3是接收端控制装置的原理框图；

图4是偏振基准为92°方位时的偏振消光曲线；

图5是半波片被旋转到46°的方位，对图4所述的偏振基准补偿后的消光曲线；

图6是发射端偏振基准被旋转了68°时的偏振消光曲线；

图7是半波片旋转到12°方位时，对图6所述的偏振基准补偿后的消光曲线。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图4至图7说明本实施方式，本实施方式所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，它包括发射端和接收端，

发射端包括发射端控制装置1、激光二极管2、光学衰减器3和第一偏振片4，

激光二极管2输出的光束经过光学衰减器3入射至第一偏振片4，第一偏振片4输出偏振信标，

发射端控制装置1控制第一偏振片4的旋转角度；

接收端包括干涉滤波片5、分光器6、半波片7、第二偏振片8、第一CCD9、接收端控制装置10、第三偏振片11和第二CCD12，

所述偏振信标入射至干涉滤波片5，干涉滤波片5透射输出的光束入射至分光器6，

分光器6的反射光束入射至半波片7，半波片7的出射光束入射至第二偏振片8，第二偏振片8的出射光束入射至第一CCD9的光敏面，第一CCD9的图像信号输出端与接收端控制装置10的第一图像信号输入端相连；

分光器6的透射光束入射至第三偏振片11，第三偏振片11的出射光束入射至第二CCD12的光敏面，第二CCD12的图像信号输出端与接收端控制装置10的第二图像信号输入端相连；

接收端控制装置10控制半波片7、第二偏振片8和第三偏振片11的旋转角度。

发射端发射一个偏振信标，信标的偏振零方向被定义为发射端的偏振基准。信标通过光学衰减器3和第一偏振片4后被发射到接收端的偏振分析设备中。发射端的偏振零方向由在接收端端参考系中第三偏振片11的旋转所决定的。图4所展示的是一个由偏振消光曲线求出发射端的偏振基准的实验。在接收端参考系中，当位置角达到92°时，相对光强达到最小值。发射端的偏振基准被定义为92°方位。为了对发射端偏振的零方向进行补偿，反射光路由半波片7、第二偏振片8以及第一CCD9组成。通过对接收端控制装置10的控制，半波片7被旋转到46°的方位。图5所示的是对偏振基准补偿后的消光曲线。当位置角为182°时，光的相对强度达到最小值。因此，偏振跟踪引起的角度误差是2°。对于这一实验，角误差的主要来源是于光学元件。

在实际星地通信中以及卫星间的量子通信中，发射端偏振零方向是动态变化量。这里考虑到仪器的精确度，偏振跟踪引起的角度误差Δф被定为2°。运用以上原理，一旦发射端和接收端基准的角度差距大于Δф，就通过对接收端控制装置10的控制来旋转半波片7对偏振基准进行实时动态补偿。在此，我们任取一发射端偏振角度来进行实验。当发射端偏振基准被旋转了68°时，第二CCD12探测发射端的偏振零方向位于24°。图6描述了由偏振消光曲线反应发射端偏振基准。通过对电学系统控制，半波片7旋转到12°方向。补偿后，测得偏振零方向位于178°。偏振补偿后的消光曲线如图7所示。因此，偏振跟踪引起的角度误差是2°。

这一实验，展示了自由空间偏振跟踪。通过处理偏振消光曲线发射端偏振基准被实时动态跟踪。并且通过半波片7的旋转对其进行实时动态补偿。

具体实施方式二：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，发射端控制装置1包括发射端单片机1-1、发射端A/D转换器1-2、第一偏振片D/A转换器1-3、第一偏振片驱动电路1-4、第一偏振片调整电机1-5、发射端键盘1-6和发射端显示器1-7，

发射端A/D转换器1-2的数字信号输出端与发射端单片机1-1的数字信号输入端相连；

发射端单片机1-1的数字信号输出端与第一偏振片D/A转换器1-3的数字信号输入端相连，第一偏振片D/A转换器1-3的模拟信号输出端与第一偏振片驱动电路1-4的输入端相连，第一偏振片驱动电路1-4的输出端与第一偏振片调整电机1-5的驱动端相连，第一偏振片调整电机1-5通过驱动机械齿轮来旋转第一偏振片4的角度；

发射端键盘1-6的外部指令输出端与发射端单片机1-1的外部指令输入端相连；

发射端单片机1-1的显示信号输出端与发射端显示器1-7的显示信号输入端相连。

发射端单片机1-1采用型号为STC89c52RC的单片机。

第一偏振片调整电机1-5采用步进电机。

具体实施方式三：下面结合图2说明本实施方式，本实施方式对实施方式一作进一步说明，接收端控制装置10包括接收端单片机10-1、接收端A/D转换器10-2、接收端键盘10-3、接收端显示器10-4、第二偏振片D/A转换器10-5、第二偏振片驱动电路10-6、第二偏振片调整电机10-7、第三偏振片D/A转换器10-8、第三偏振片驱动电路10-9、第三偏振片调整电机10-10、半波片D/A转换器10-11、半波片驱动电路10-12和半波片调整电机10-13，

接收端键盘10-3的外部指令输出端与接收端单片机10-1的外部指令输入端相连；

接收端单片机10-1的显示信号输出端与接收端显示器10-4的显示信号输入端相连。

接收端A/D转换器10-2的数字信号输出端与接收端单片机10-1的数字信号输入端相连；

接收端单片机10-1的第一数字信号输出端与第二偏振片D/A转换器10-5的数字信号输入端相连，第二偏振片D/A转换器10-5的模拟信号输出端与第二偏振片驱动电路10-6的输入端相连，第二偏振片驱动电路10-6的输出端与第二偏振片调整电机10-7的驱动端相连，第二偏振片调整电机10-7通过驱动机械齿轮来旋转第二偏振片8的角度；

接收端单片机10-1的第二数字信号输出端与第三偏振片D/A转换器10-8的数字信号输入端相连，第三偏振片D/A转换器10-8的模拟信号输出端与第三偏振片驱动电路10-9的输入端相连，第三偏振片驱动电路10-9的输出端与第三偏振片调整电机10-10的驱动端相连，第三偏振片调整电机10-10通过驱动机械齿轮来旋转第三偏振片11的角度；

接收端单片机10-1的第三数字信号输出端与半波片D/A转换器10-11的数字信号输入端相连，半波片D/A转换器10-11的模拟信号输出端与半波片驱动电路10-12的输入端相连，半波片驱动电路10-12的输出端与半波片调整电机10-13的驱动端相连，半波片调整电机10-13通过驱动机械齿轮来旋转半波片7的角度。

接收端单片机10-1采用型号为STC89c52RC的单片机。

第二偏振片调整电机10-7、第三偏振片调整电机10-10和半波片调整电机10-13都采用步进电机。

Claims (7)

1.基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，它包括发射端和接收端， 

发射端包括发射端控制装置(1)、激光二极管(2)、光学衰减器(3)和第一偏振片(4)， 

激光二极管(2)输出的光束经过光学衰减器(3)入射至第一偏振片(4)，第一偏振片(4)输出偏振信标， 

发射端控制装置(1)控制第一偏振片(4)的旋转角度； 

接收端包括干涉滤波片(5)、分光器(6)、半波片(7)、第二偏振片(8)、第一CCD(9)、接收端控制装置(10)、第三偏振片(11)和第CCD(12)， 

所述偏振信标入射至干涉滤波片(5)，干涉滤波片(5)透射输出的光束入射至分光器(6)， 

分光器(6)的反射光束入射至半波片(7)，半波片(7)的出射光束入射至第二偏振片(8)，第二偏振片(8)的出射光束入射至第一CCD(9)的光敏面，第一CCD(9)的图像信号输出端与接收端控制装置(10)的第一图像信号输入端相连； 

分光器(6)的透射光束入射至第三偏振片(11)，第三偏振片(11)的出射光束入射至第二CCD(12)的光敏面，第二CCD(12)的图像信号输出端与接收端控制装置(10)的第二图像信号输入端相连； 

接收端控制装置(10)控制半波片(7)、第二偏振片(8)和第三偏振片(11)的旋转角度。 

2.根据权利要求1所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，发射端控制装置(1)包括发射端单片机(1-1)、发射端A/D转换器(1-2)、第一偏振片D/A转换器(1-3)、第一偏振片驱动电路(1-4)、第一偏振片调整电机(1-5)、发射端键盘(1-6)和发射端显示器(1-7)， 

发射端A/D转换器(1-2)的数字信号输出端与发射端单片机(1-1)的数字信号输入端相连； 

发射端单片机(1-1)的数字信号输出端与第一偏振片D/A转换器(1-3)的数字信号输入端相连，第一偏振片D/A转换器(1-3)的模拟信号输出端与第一偏振片驱动电路(1-4)的输入端相连，第一偏振片驱动电路(1-4)的输出端与第一偏振片调整电机(1-5)的驱动端相连，第一偏振片调整电机(1-5)通过驱动机械齿轮来旋转第一偏振片(4)的角度； 

发射端键盘(1-6)的外部指令输出端与发射端单片机(1-1)的外部指令输入端相连； 

发射端单片机(1-1)的显示信号输出端与发射端显示器(1-7)的显示信号输入端相连。 

3.根据权利要求2所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，发射端单片机(1-1)采用型号为STC89c52RC的单片机。 

4.根据权利要求2所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，第一偏振片调整电机(1-5)采用步进电机。 

5.根据权利要求1所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，接收端控制装置(10)包括接收端单片机(10-1)、接收端A/D转换器(10-2)、接收端键盘(10-3)、接收端显示器(10-4)、第二偏振片D/A转换器(10-5)、第二偏振片驱动电路(10-6)、第二偏振片调整电机(10-7)、第三偏振片D/A转换器(10-8)、第三偏振片驱动电路(10-9)、第三偏振片调整电机(10-10)、半波片D/A转换器(10-11)、半波片驱动电路(10-12)和半波片调整电机(10-13)， 

接收端键盘(10-3)的外部指令输出端与接收端单片机(10-1)的外部指令输入端相连； 

接收端单片机(10-1)的显示信号输出端与接收端显示器(10-4)的显示信号输入端相连； 

接收端A/D转换器(10-2)的数字信号输出端与接收端单片机(10-1)的数字信号输入端相连； 

接收端单片机(10-1)的第一数字信号输出端与第二偏振片D/A转换器(10-5)的数字信号输入端相连，第二偏振片D/A转换器(10-5)的模拟信号输出端与第二偏振片驱动电路(10-6)的输入端相连，第二偏振片驱动电路(10-6)的输出端与第二偏振片调整电机(10-7)的驱动端相连，第二偏振片调整电机(10-7)通过驱动机械齿轮来旋转第二偏振片(8)的角度； 

接收端单片机(10-1)的第二数字信号输出端与第三偏振片D/A转换器(10-8)的数字信号输入端相连，第三偏振片D/A转换器(10-8)的模拟信号输出端与第三偏振片驱动电路(10-9)的输入端相连，第三偏振片驱动电路(10-9)的输出端与第三偏振片调整电机(10-10)的驱动端相连，第三偏振片调整电机(10-10)通过驱动机械齿轮来旋转第三偏振片(11)的角度； 

接收端单片机(10-1)的第三数字信号输出端与半波片D/A转换器(10-11)的数字信号输入端相连，半波片D/A转换器(10-11)的模拟信号输出端与半波片驱动电路(10-12)的输入端相连，半波片驱动电路(10-12)的输出端与半波片调整电机(10-13)的驱动端相连，半波片调整电机(10-13)通过驱动机械齿轮来旋转半波片(7)的角度。 

6.根据权利要求5所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，接收端单片机(10-1)采用型号为STC89c52RC的单片机。 

7.根据权利要求5所述基于半波片旋转的动态偏振补偿装置，其特征在于，第二偏振片调整电机(10-7)、第三偏振片调整电机(10-10)和半波片调整电机(10-13)都采用步进电机。 

Images