单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置及方法与流程

1.本发明涉及单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置及方法，属于激光信号检测与卫星通信测距技术领域。


背景技术：

2.当前卫星通信受频谱和轨道资源等限制，激光测控技术具有保密性能好、传输速率高等优势，成为解决空间高速传输的有效手段，在空间高分辨测绘、载人飞船交会对接、空间站建设等重大工程项目中发挥重要作用，是精密单点定位、天基监测、抗干扰定位的关键环节。
3.卫星激光测控系统需完成角度测量、距离测量、数据传输任务，在轨卫星测控需要地面端在卫星过境时间内对大视场区域进行快速搜索实现对卫星信号的捕获，并持续地调整对准角度进行跟踪。现有激光测控系统中用于信号捕获跟踪的测角硬件子系统与用于通信测距的硬件子系统为独立两套光学接收设备，需要使用分光镜将接收到的激光信号分成两部分。一部分由ccd(charge coupled device)相机接收，通过信号在光敏面中的成像位置对卫星信号进行捕获和跟踪测角；另一部分由激光信号接收器进行接收，转换成电信号并通过数字信号处理算法实现通信和测距。
4.由于星地下行激光信号功率极弱，地面端需要使用单光子探测器进行光子级别的信号接收，分光镜在光子数量极少的情况下难以取得理想分光效果。同时ccd相机灵敏度远低于单光子探测器，要使ccd相机正常工作需要分配更多的能量给测角硬件子系统，极大地减弱了用于实现通信测距的信号能量，降低了通信测距性能及链路建立的成功率。


技术实现要素：

5.为解决测角与通信测距硬件子系统分立、ccd相机的灵敏度低影响系统性能和建链成功率的问题，本发明的主要目的是提供单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置及方法，使用灵敏度高的单光子探测阵列替代ccd相机测角子系统，基于单光子探测阵列能够在完成信号接收的同时对信号进行跟踪测角，简化激光跟踪测角与通信测距系统结构，提高接收信号利用率与系统接收灵敏度。所述灵敏度高指仅需几光子/脉冲即能够实现对信号的接收，单次脉冲响应所需光子数量达到个位数。
6.本发明的目的是通过以下技术方案实现：
7.本发明公开的单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置，包括光望远镜、压电偏转镜、压电控制器、单光子探测阵列、信号放大分配网络、信号采集与处理模块、低相位噪声频率综合器、边沿检测与多通道合成器。
8.所述光望远镜用于接收卫星发射的空间激光信号，完成对激光信号的捕获和跟踪，在卫星过境期间将空间激光信号聚焦传输至压电偏转镜。
9.所述压电偏转镜用于反射光望远镜接收到的激光信号，调整光路方向，使信号精确对准单光子探测阵列中心位置。
10.所述压电控制器用于控制压电偏转镜的二维偏转角度，进而控制光路传输方向。
11.所述高灵敏度的单光子探测阵列用于实现在信号接收的同时对信号进行跟踪测角，使用多个单光子探测器组成单光子探测阵列增大了信号接收面积，相对于单个单光子探测器接收提高信号接收稳定性。通过单光子探测阵列探测单个光子级别的极弱下行激光信号，将该信号转换为上升沿快速、下降沿呈指数衰减的电脉冲信号。接收到光子的阵列像元输出电脉冲信号，未接收到光子的像元输出低电平。利用单光子探测阵列中像元接收到的信号能量差异计算光斑在阵列中的位置，进一步得到入射激光信号的角度信息，实现信号测角，进而在信号接收的同时对信号进行跟踪测角。所述灵敏度高指仅需几光子/脉冲即能够实现对信号的接收，单次脉冲响应所需光子数量达到个位数。所述极弱下行激光信号指激光信号中的光脉冲所含光子数量小于100个。
12.所述信号放大分配网络用于接收来自单光子探测阵列输出的多通道电信号，首先将信号幅度放大，然后将放大的信号分为两组。其中一组信号送到边沿检测与多通道合成器进行电脉冲上升沿检测与多通道信号合成，另一组信号送入信号采集与处理模块中进行光斑位置计算，并通过光斑位置计算激光信号入射角度。
13.所述信号采集与处理模块一方面基于所述信号放大分配网络输出的多通道电脉冲信号实现角度测量，另一方面根据合成信号实现通信数据解调与测距时间信息测量。
14.所述低相位噪声频率综合器用于产生信号采集与处理模块、边沿检测与多通道合成器的工作时钟。
15.所述边沿检测与通道合成器用于对信号调理与分配网络放大处理后的多通道电脉冲信号进行提取边沿，对上升沿快速、下降沿呈指数衰减的信号进行整形，并将整形后的多路信号合成为一路调制信号，送至信号采集与处理模块进行通信与测距信息处理。
16.本发明还公开基于单光子探测阵列的激光跟踪测角与通信测距的方法，基于所述激光跟踪测角与通信测距的装置实现，所述激光跟踪测角与通信测距的方法包括如下步骤：
17.步骤一、光望远镜对卫星下发的激光信号进行接收并聚焦到压电偏转镜，压电控制器控制压电偏转镜在二维平面进行扫描，对光望远镜入射的星地下行激光信号进行快速搜索，搜索阶段光望远镜旋转与压电偏转镜相互独立，跟踪阶段光望远镜以焦点处为原点与压电偏转镜进行协同转动，光望远镜转动的角度量为压电偏转镜转动角度的两倍。
18.步骤二、n
×
m单光子探测阵列对压电偏转镜反射的激光信号进行的高灵敏度接收，探测灵敏度为单个光子级别，对卫星下行激光信号完成光电转换，输出多路电信号。n、m分别为单光子探测阵列行列像元数量，n
×
m单光子探测阵列的信号接收面积为单个单光子探测器接收面积的nm倍，实现对信号的更可靠接收。
19.步骤三、信号放大分配网络对单光子探测阵列输出的多路电信号进行放大，分配为两组信号，其中一组信号送到边沿检测与多通道合成器进行电脉冲上升沿检测与多通道信号合成，另一组信号送入信号采集与处理模块中进行光斑位置计算，并通过光斑位置计算激光信号入射角度。
20.步骤四、信号采集与处理模块对信号放大分配网络输出的多路信号进行采集，并对每路信号中的脉冲进行计数，当某扫描驻留点接收到的光脉冲计数值超过门限值时，计算其光斑质心位置，作为信号跟踪起点，通过光斑质心位置计算偏转角度，输出角度控制信
号给压电控制器。
21.光斑质心位置(xi,yi)为第i个像元的坐标，n为单光子探测阵列的像元个数，阵列中心为坐标原点，ii为第i个像元在测量周期内接收到的脉冲数量。
22.压电偏转镜与单光子探测阵列间的光路与光斑质心位置在阵列原点时的角度(θ
x
,θy)为：l为压电偏转镜与单光子探测阵列间的距离。
23.为使光斑质心位置移动到阵列中心，需要控制压电偏转镜的偏转角度(δθ
x
,δθy)为：
24.步骤五、压电偏转镜根据压电控制器的控制信号调整镜片偏转角度，使得激光信号经压电偏转镜反射后处于单光子探测阵列的中心位置。
25.步骤六、若此驻留点接收到的光脉冲计数值小于门限值，则返回步骤一，控制压电偏转镜重新搜索激光信号；若此偏转角度的扫描驻留点接收到的光脉冲计数值超过门限值，通过光斑质心位置继续更新偏转角度，使光斑质心持续位于单光子接收阵列中心位置，实现对激光信号的跟踪测角。
26.步骤七、信号采集与处理模块对边沿检测与通道合成器合成的模拟电信号进行采集，完成模拟电信号的数字量化，并对数字信号进行捕获跟踪、同步解调及译码，提取出通信数据和测距信息，实现通信。卫星发送的信号中包含发送时刻信息，地面端接收信号时记录接收时刻信息，通过接收时刻信息与解调出的发送时刻信息做差得到信号的传输时间，进而计算出信号的传输距离实现测距。
27.合成信号r(t)表示为：ri(t)为第i个像元的输出信号；τ为信号延时量，根据需要输出的脉冲宽度进行设计。
28.发送信号s(t)表示为：其中t为符号周期，n为脉冲在符号内的位置，通过脉冲在符号内的位置传输信息，
29.步骤八、根据步骤四至步骤六，利用单光子探测阵列中像元接收到的信号能量差异计算光斑在阵列中的位置，进一步得到入射激光信号的角度信息，实现信号测角；根据步骤七，利用单光子探测阵列输出的电脉冲信号实现通信和测距；即基于单光子探测阵列在完成信号接收的同时对信号进行跟踪测角，简化激光跟踪测角与通信测距系统结构，提高接收信号利用率与系统检测灵敏度。
30.有益效果：
31.1、本发明公开的单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置与方法，使用灵敏度高的单光子探测阵列替代ccd相机测角子系统，实现信号接收和测角跟踪一体化集成，即利用单光子探测阵列中像元接收到的信号能量差异计算光斑在阵列中的位置，进一步得到
入射激光信号的角度信息，实现信号测角，进而在接收信号的同时对信号进行跟踪测角，简化激光跟踪测角与通信测距系统结构，相较于被替代的ccd相机测角子系统，具有结构简单、体积小的优点。
32.2、本发明公开的单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置与方法，由于使用灵敏度高的单光子探测阵列替代ccd相机测角子系统，使所有的信号能量都被单光子探测阵列接收，用于通信测距和测角跟踪，进而提高激光信号能量利用率。
33.3、使用ccd相机进行测量需要至少几百光子/脉冲，本发明公开的单光子探测阵列的激光跟踪测角与通信测距装置与方法，使用灵敏度高的单光子探测器，仅需几光子/脉冲即可实现对信号的接收，单次脉冲响应所需光子数量达到个位数，进而提高激光跟踪测角与通信测距系统检测灵敏度。
34.4、本发明公开的单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置与方法，使用多个单光子探测器组成探测阵列对信号进行接收，增大信号接收面积，进而扩大激光跟踪测角与通信测距装置的接收视场，相对使用单个单光子探测器能够更可靠的对信号进行接收。
附图说明
35.图1是本发明中基于单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距的装置结构示意图；
36.图2是本发明中信号采集与处理模块的硬件结构示意图；
37.图3是本发明中基于单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距的方法流程图；
38.图4是本发明中信号采集与处理模块的信号处理流程图。
具体实施方式
39.下面结合附图和实例对发明内容做进一步说明和详细描述。
40.实施例1：
41.如图1所示，本实施例公开的基于单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距的装置，包括：光望远镜、压电偏转镜、压电控制器、单光子探测阵列、信号放大分配网络、信号采集与处理模块、低相位噪声频率综合器、边沿检测与多通道合成器。压电偏转镜将光望远镜接收的激光信号反射至单光子探测阵列，信号采集与处理模块通过压电控制器与压电偏转镜相连；信号放大分配网络分别与单光子探测阵列、信号采集与处理模块、边沿检测与多通道合成器相连；低相位噪声频率综合器与信号采集与处理模块、边沿检测与多通道合成器相连。
42.其中，所述光望远镜用于接收空间激光信号，完成对激光信号的捕获和跟踪，在卫星过境期间将空间激光信号传输至压电偏转镜。
43.所述压电偏转镜用于反射光望远镜接收到的激光信号，调整光路方向，使信号精确对准单光子探测阵列中心位置。
44.所述压电控制器用于控制压电偏转镜的二维偏转角度，进而控制光路传输方向。
45.所述高灵敏度的单光子探测阵列用于实现在信号接收的同时对信号进行跟踪测角，使用多个单光子探测组成单光子探测阵列增大了信号接收面积，相对于单个单光子探测器接收提高信号接收稳定性。通过单光子探测阵列探测单个光子级别的极弱下行激光信
号，将该信号转换为上升沿快速、下降沿呈指数衰减的电脉冲信号。接收到光子的阵列像元输出电脉冲信号，未接收到光子的像元输出低电平。利用单光子探测阵列中像元接收到的信号能量差异计算光斑在阵列中的位置，进一步得到入射激光信号的角度信息，实现信号测角，进而在信号接收的同时对信号进行跟踪测角。所述灵敏度高指仅需几光子/脉冲即能够实现对信号的接收，单次脉冲响应所需光子数量达到个位数。所述极弱下行激光信号指激光信号中的光脉冲所含光子数量小于100个。
46.所述信号放大分配网络用于接收来自单光子探测阵列输出的多通道电信号，首先将信号幅度放大，然后将放大的信号分为两组。其中一组信号送到边沿检测与多通道合成器进行电脉冲上升沿检测与多通道信号合成，另一组信号送入信号采集与处理模块中进行光斑位置计算，并通过光斑位置计算激光信号入射角度。
47.所述信号采集与处理模块一方面通过多通道电脉冲信号完成角度测量功能，另一方面根据合成信号实现通信数据解调与测距时间信息测量。
48.所述低相位噪声频率综合器用于产生信号采集与处理模块、边沿检测与多通道合成器的工作时钟。
49.所述边沿检测与通道合成器用于对信号调理与分配网络放大处理后的多通道电脉冲信号进行提取边沿，对上升沿快速、下降沿呈指数衰减的信号进行整形，并将整形后的多路信号合成为一路调制信号，送至信号采集与处理模块进行通信与测距信息处理。
50.所述压电偏转镜采用芯明天公司型号为s37.t4sf的压电偏转镜。
51.所述压电控制器采用芯明天公司型号为e70.d3s的压电控制器。
52.如图2所示是信号采集与处理模块硬件结构示意图，信号采集与处理模块包括：测角信号采集adc(芯片型号ad9695-625)、xc7vx485t主控fpga芯片、合成信号采集adc芯片adc12dj5200rf、时钟管理单元以及千兆网口。时钟管理单元(芯片型号lmx2594)为fpga芯片及adc芯片提供参考时钟；n通道的测角信号采集adc负责采集单光子探测阵列输出的经信号放大分配网络放大后的信号，然后由xc7vx485t主控fpga对每个通道的电脉冲进行计数，并利用每个通道的计数值计算光斑质心在单光子探测阵列中的位置，然后将位置信息转换为压电偏转镜的角度信息，得到测角结果；同时，高速信号采集芯片adc12dj5200rf对边沿检测与通道合成器输出的n合一信号进行采集，xc7vx485t主控fpga对采集到的数字信号进行处理，完成通信和测距信息解算；测角、通信以及测距结果经fpga计算解调后通过千兆网口传输到电脑进行结果显示。
53.实施例2
54.如图3所示以4
×
4单光子探测阵列、光波长1550nm的激光探测系统为例，对本发明的具体实施过程进行说明。
55.基于所述的一种基于单光子探测阵列的激光跟踪测角与通信测距装置，本实施例还公开一种基于单光子探测阵列的激光跟踪测角与通信测距方法，具体实施步骤如下：
56.步骤一、光望远镜接收卫星端发送的激光信号，并将激光信号聚焦入射到压电偏转镜。
57.发送信号s(t)可表示为：其中t为符号周期，n为脉
冲在符号内的位置，通过脉冲在符号内的位置传输信息，
58.步骤二、压电偏转镜在压电控制器的控制下调节二维偏转角度，将来自光望远镜的激光信号反射到4
×
4单光子探测阵列。
59.步骤三、4
×
4单光子探测阵列对接收到的激光信号进行光电转换，输出16路电信号至信号放大分配网络，信号放大分配网络将16路信号放大后功分为两组信号分别输出到信号采集与处理模块、边沿检测与多通道合成器。
60.步骤四、信号采集与处理模块通过16通道adc对16路测角信号进行采集，对16路信号进行电脉冲计数，得到光斑灰度成像，并计算光斑质心在4
×
4单光子探测阵列中的位置，将其转换为角度信息输出给压电控制器。
61.光斑质心位置(xi,yi)为第i个像元的坐标，n为单光子探测阵列的像元个数，阵列中心为坐标原点，ii为第i个像元在测量周期内接收到的脉冲数量。
62.压电偏转镜与单光子探测阵列间的光路与光斑质心位置在阵列原点时的角度(θ
x
,θy)为：l为压电偏转镜与单光子探测阵列间的距离。
63.为使光斑质心位置移动到阵列中心，需要控制压电偏转镜的偏转角度(δθ
x
,δθy)为：
64.步骤五、压电控制器对压电偏转镜的角度进行控制，使得偏转镜发射后的激光信号在4
×
4单光子探测阵列上形成的光斑质心处于接收阵列的中心位置。
65.步骤六、边沿检测与多通道合成器对16路信号进行边沿提取、16合一输出一路整形并合成的信号至信号采集与处理模块。
66.合成信号r(t)可表示为：ri(t)为第i个像元的输出信号，∩表示逻辑与运算，τ为信号延时量，根据需要输出的脉冲宽度进行设计。
67.步骤七、信号采集与处理模块通过10gsps高速信号采集adc芯片对合成信号进行采集，捕获跟踪同步算法完成对合成信号的同步，同步信号经解调译码与测距解算得到通信数据和测距数据。
68.步骤八、显示监控模块对通信数据、测距结果及光斑质心位置信息进行实时更新显示。
69.如图4所示是信号采集与处理模块的信号处理流程图，原始通信数据包含遥测数据及测距数据等，每7136bit原始数据进行crc校验和rs(223,255)纠错编码得到8160bit编码数据。编码数据附加64bit帧头数据及776bit填充数据组成一帧9000bit数据，并通过时隙映射将9000bit数据映射为2250个脉冲位置调制符号。4
×
4单光子探测阵列输出的16路测角信号经ad9695-625采样后传输至fpga进行电脉冲计数，得到光斑灰度成像并算得光斑质心在4
×
4阵列中的位置，进一步得到角度信息以控制压电偏转镜。4
×
4单光子探测阵列
输出的16路信号合成的高速信号经adc12dj5200rf进行采样量化，fpga对采样数据进行滑动相关捕获，并经早迟门算法实现稳定跟踪，进一步的，数据经纠错译码后进行通信数据解调和测距结果解算实现通信和测距。
70.以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。