专利名称：量子通信系统跟踪相机视轴现场自校准方法
技术领域：
本发明属于量子通信技术领域，具体是指一种量子通信捕获跟瞄系统的捕 获跟踪相机视轴在工作现场自动校准的方法。
背景技术：
空间或星地量子通信技术以及量子通信的捕获跟踪瞄准(ATP)系统技术 是当前国际新技术研究的热点之一。通常量子通信系统采用的量子通信激光的 发散角非常小(2()^""左右)，对量子通信的捕获跟瞄系统提出了很高的要求 (一般要小于2()^^)。因而，量子通信捕获跟瞄系统的光学校准精度必须非 常高(一般需要小于1^^)。
量子通信系统的捕获跟瞄系统在整机产品安装光校后，系统的精跟踪相机 的视场中心、粗跟踪相机的视场中心以及量子收发模块光轴中心能够达到高精 度一致。但是在设备运输、火箭发射升空、温度条件改变、重力条件改变或其 它过程中，设备的振动以及热力等多种因素会造成系统光路的细微变化。这种 变化造成前述三个光学中心之间的平行性恶化，给捕获跟瞄系统跟瞄精度引入 额外误差。当此误差尤其是精跟踪相机视场中心与量子收发光轴之间的误差达 到几微弧度甚至更高时，捕获跟瞄系统的精度将难以满足星地量子通信的要 求。
目前已有的量子通信捕获跟瞄系统一般只在整机安装时进行人工校准，或 者系统的光学平行度出现严重误差后重新进行人工校准，而未有采取办法使设 备能够在工作现场自动校准。
发明内容
本发明的目的在于针对空间或星地量子通信捕获跟瞄系统，提供一种有效 的方法使设备在工作状态下甚至在发射到太空轨道后在轨工作时，系统能够全 自动地对捕获跟瞄系统光路的量子收发模块视轴中心、精跟踪相机视场中心以 及粗跟踪探测视场中心进行校准。本方法同样适用于地面量子通信捕获跟瞄系 统视轴的现场自动校准。
本发明的方法是利用量子通信捕获跟瞄系统自身的捕获跟踪相机，对量子 通信系统的量子收发模块光轴与捕获跟踪相机自身视轴的平行度偏差进行测 量和计算。捕获跟踪相机根据测量和计算结果自动调整重定位自身视轴中心位 置，从而达到星地量子通信捕获跟瞄系统视轴现场自校准的目的。根据此原理 设计捕获跟踪相机的控制程序即可在现有的捕获跟瞄系统中实现本发明的方 法。
使用本发明的方法，量子通信系统可以对其捕获跟瞄系统的粗、精跟踪相 机探测视轴中心位置，随时(包括地面设备工作现场、星载设备在轨工作现场) 进行自动校准，保证跟踪相机视轴中心与量子收发模块光轴之间的高度平行。 能够应用本发明方法的量子通信系统结构如图l所示，包括量子通信收发模
块l、粗跟踪前光路2和精跟踪后光路(由精跟踪相机3、分光片4和角反射 器5构成)。通过升级捕获跟踪相机的控制程序，加入现场自校准控制即可实
现本发明方法。现场自校准方法的具体步骤是
1. 关闭粗跟踪前光路2，开启角反射器5，从量子通信模块1发射量子通
信时间同步激光用来指示量子通信模块1的光轴方向标 。
2. 量子时间同步激光在精跟踪相机视场6内形成光斑图像7，精捕获跟踪 相机提取得到该光斑的中心位置。以此位置坐标作为校正后的视场中心8，替代校正前视场中心9，如图2所示。 3.关闭角反射器4和量子通信模块5的时间同步激光，开启粗跟踪前光路 6，控制精跟踪机构保持在零位。采集同一时刻粗跟踪相机和精跟踪相 机的一组信标光斑图像，结合粗、精跟踪相机视场的对应关系以及校正 后的精跟踪相机视场中心位置，自动重新计算定位粗跟踪相机的视场中 心。
本发明捕获跟踪相机具有以下优点
1. 适用性强，在满足图l所示结构的量子通信系统中均能适用，无需额外 的校准设备。并且通过完善捕获跟踪相机的控制程序即可实现本发明的 方法，无需对量子通信系统做硬件改动。
2. 自动校准的精度很高，等于精跟踪相机的探测精度。
图1是能够应用本发明方法的量子通信系统结构示意图。 图2是精跟踪相机的视轴中心位置校准方法示意图。 图3是使用本发明方法进行现场自校准的量子通信系统实例结构示意图。
具体实施例方式
结合图3所示的一个实例系统使用本发明的方法进行跟踪相机视轴的现场
自校准，做进一步的具体说明。此系统应用于星地量子通信系统中作为星载量
子通信终端，通信距离大于800km,系统需要具有优于2()^^的跟踪精度，其
光学系统的校准精度需要优于^"""。在此实例系统中，粗跟踪使用二维摆镜
和卡式望远结构，粗跟踪相机的探测精度优于3^^，精跟踪相机的探测精度 优于a4//^/。系统的光学平行性在运输、发射升空或者其它过程中可能发生变
化产生误差，此时不便进行人工校准应当采用现场自校准方法进行自动校准。星地量子通信系统设备在开机上电时或工作过程中，根据需要进行自校准，其 过程如下
1. 系统进入精跟踪视场中心与量子通信模块光轴校准状态。开启角反射 镜，调整粗跟踪机构使对方通信终端(地面站)信标光不进入精跟踪视 场以免影响后光路校准。
2. 发射量子通信模块的时间同步激光，利用它作为精跟踪校准光。校准光 经分色片(部分透射、反射)、角反射器、双峰滤光片(透过校准光和 对方通信终端信标光)、精跟踪相机镜头后，在精跟踪相机上成光斑图 像。精跟踪相机提取光斑中心位置，记录保存此位置数据。捕获跟瞄系 统以此位置作为精跟踪视场中心，将在系统跟瞄工作过程中据此计算对 方通信终端(地面站)信标光的脱靶量。关闭角反射器，和量子通信模 块5的时间同步激光，精跟踪相机视场中心与量子通信模块光轴校准完 毕。精跟踪视场中心与量子通信模块光轴的配准精度优于^4^""。
3. 为了进一步校正粗、精跟踪视场中心之间的误差，系统进入粗跟踪相机 视场中心校准状态。使精跟踪快速指向镜(FSM)保持在零位。开启粗 跟踪捕获跟瞄闭环，以粗跟踪校正前的参数捕获对方通信终端信标光并 将它引导进入精跟踪视场。
4. 采集同一时刻粗跟踪探测器和精跟踪探测器提取得到的一组信标光斑 中心位置。根据粗、精视场的对应关系以及校正后的精跟踪视场中心位 置，重新计算定位粗跟踪相机视场中心位置并记录保存。捕获跟瞄系统 以此位置作为粗跟踪视场中心，将在捕获跟瞄系统跟瞄工作过程中据此 计算对方通信终端信标光的脱耙量。自校准过程完毕，粗跟踪视场中心 与量子通信模块光轴的配准精度优于3〃^ 。量子通信捕获跟瞄系统的光学校准精度主要由其精跟踪相机的视场中心 校准精度决定，所以系统自校准的精度约为G^^""。
权利要求
1.一种量子通信系统跟踪相机视轴现场自校准方法，其特征在于包括以下步骤A.关闭粗跟踪前光路(2)，开启角反射器(5)，从量子通信模块(1)发射量子通信时间同步激光用来指示量子通信模块1的光轴方向标准；B.量子时间同步激光在精跟踪相机视场(6)内形成光斑图像(7)，精捕获跟踪相机提取得到该光斑的中心位置，以此位置坐标作为校正后的视场中心(8)，替代校正前视场中心(9)；C.关闭角反射器(4)和量子通信模块(5)的时间同步激光，开启粗跟踪前光路(6)，控制精跟踪机构保持在零位，采集同一时刻粗跟踪相机和精跟踪相机的一组信标光斑图像，结合粗、精跟踪相机视场的对应关系以及校正后的精跟踪相机视场中心位置，自动重新计算定位粗跟踪相机的视场中心。
全文摘要
本发明公开一种星地量子通信系统跟踪相机视轴现场自校准方法，使设备在发射到太空轨道后或在轨工作时，能够对捕获跟瞄系统光路的量子收发模块视轴中心、精跟踪探测视场中心以及粗跟踪探测视场中心进行校准。该方法是利用量子通信捕获跟瞄系统自身的捕获跟瞄相机，对量子通信系统的量子收发模块光轴与捕获跟瞄相机自身视轴之间的平行度偏差进行测量和计算，捕获跟瞄相机根据测量和计算结果自动调整重定位自身视轴中心位置使之与量子收发模块的光轴一致，从而达到星地量子通信捕获跟瞄系统视轴现场自校准的目的。
文档编号H04B10/30GK101645741SQ20091019516
公开日2010年2月10日 申请日期2009年9月4日 优先权日2009年9月4日
发明者何志平, 林均仰, 王建宇, 嵘 舒, 贾建军 申请人:中国科学院上海技术物理研究所