一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种量子通信地面站望远镜光轴实时修正方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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。
[0003] 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】
[0004] 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。
[0005] 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：
[0006] 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位 置敏感探测器上，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；
[0007] 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；
[0008] 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。
[0009] 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：
[0010] 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；
[0011] 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；
[0012] 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。
[0013] 进一步的，所述的参考光为发散角较小的单色光源。
[0014] 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。
[0015] 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。
[0016] 进一步的，所述的第一分光镜的分光面镀膜，使参考光和信标光高透，量子光高 反。
[0017] 进一步的，所述的第二分光镜的分光面镀膜，使参考光高透，信标光高反。
[0018] 进一步的，所述的参考光波长与量子光和信标光波长不同。
[0019] 进一步的，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。
[0020] 进一步的，所述的光电探测器为（XD、CMOS、PSD或QD。
[0021] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1是本发明光轴实时修正方法对应的光路原理图；
[0023] 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 表不电动偏转反射镜，6表不第一分色镜，7表不量子光接收模块，8表不第二分色镜，9表不 光电探测器，10表不信标光接收模块；
[0024] 图2是光斑偏移量和光轴偏差的关系；
[0025] 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】
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 这里假定地平式望远镜的光学系统为Im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表不该光学兀器件为反射镜。
[0029] 表I R-C望远镜光学参数
【权利要求】
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); 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 经第一分光镜（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光镜（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。
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：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。
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1?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：所述的第一分光镜的分光面镀膜，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：所述的第二分光镜的分光面镀膜，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。
10. 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：所述的光电探测器为（XD、CMOS、PSD或QD。
【文档编号】G02B23/04GK104393932SQ201410670381
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年11月20日 优先权日:2014年11月20日
【发明者】亓波, 薛正燕, 任戈, 杨虎, 张晓明, 黄永梅 申请人:中国科学院光电技术研究所