一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统的制作方法

一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统
1.本技术要求于2020年08月07日提交的申请号为202021620947.x、发明人为董志鹏、慈兆会、徐修峰，发明名称为“一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统”的专利申请的优先权，其全部内容通过引用并入本技术。
技术领域
2.本技术涉及量子通信技术领域，具体涉及一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统。


背景技术：

3.量子通信指的是应用量子力学中的基本定理，进行消息传递的一种信息交互方式。目前量子通信中光子的传输方式主要有两种，一种是利用光纤作为信道实现收发双方之间的光子传输，另一种是利用自由空间作为信道实现收发双方之间的光子传输。与光纤中的量子密钥分发相比，自由空间中的量子密钥分发方式具有其独特的优势，比如不需要特定的传送介质，具有无线电通信的便捷性，大气中光子传播不受双折射效应的影响，信道噪声较小，高度增加时大气密度降低，光子传输损耗急剧减小。因此，有望利用自由空间量子密钥分发技术完成地面卫星站与卫星间的量子密钥分发，继而构建基于量子密钥分发的全球安全通信网，具有非常好的发展前途。
4.自由空间量子通信的收发设备一般采用卡塞格林镜头来进行单光子发送和捕捉，卡塞格林镜头也称为卡式镜头，通常建立自由空间量子通信系统需要高度稳定、高度精密以及高通信效率的卡式镜头，因此卡式镜头是自由空间量子信道系统的关键组成部分。在实际应用的过程中，由于量子光的信号极其微弱，接收方很难对发射方发出的量子光瞄准、跟踪及捕获，增加了自由空间激光通信系统应用现实难度。
5.因此现有技术的卡式镜头系统通过粗跟踪系统以及精跟踪系统实现对量子光快速瞄准、跟踪及捕获工作。然而卡式镜头系统内需要设置有粗跟踪系统、精跟踪系统以及卡式镜头，因此，需要一种系统结构简单、体积紧凑的卡式镜头系统，以提高自由空间激光通信系统在小型化的适用性。


技术实现要素：

6.本技术提供一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统，以解决现有的方案中自由空间量子通信系统中卡式镜头系统结构不紧凑、体积较大的问题。
7.本技术第一方面提供一种卡式镜头系统，包括后继光学基板；
8.所述后继光学基板的上表面固定连接有粗信标跟踪系统以及卡式镜头，所述后继光学基板的下表面固定连接有精信标跟踪系统、通信系统装置以及快反镜装置；
9.所述光学基板的中心设置有通孔，所述卡式镜头的底部为目镜镜筒，目镜镜筒的底端穿过所述通孔，且在目镜镜筒的底端设置有第一反光镜；
10.所述快反镜装置用于将所述精信标跟踪系统和通信系统装置发射的光信号传输
至所述第一反光镜，以及用于将第一反光镜反射输出的光信号输入至所述精信标跟踪系统和通信系统装置中。
11.优选地，所述粗信标跟踪系统包括粗信标发射镜筒和粗信标跟踪镜筒，所述粗信标发射镜筒和粗信标跟踪镜筒呈180度夹角装设在所述卡式镜头的两侧。
12.优选地，所述后继光学基板在所述粗信标发射镜筒、粗信标跟踪镜筒和卡式镜头对应位置处分别设置有与之配合的第一柱面、第二柱面以及第三柱面，所述粗信标发射镜筒、粗信标跟踪镜筒和卡式镜头采用固定连接的方式分别装设在第一柱面、第二柱面以及第三柱面上。
13.优选地，所述第一柱面、第二柱面以及第三柱面均为棱柱面；
14.或，所述第一柱面、第二柱面以及第三柱面均为圆柱面；
15.或，所述第一柱面和第二柱面为棱柱面，所述第三柱面均为圆柱面；
16.或，所述第一柱面和第二柱面为圆柱面，所述第三柱面均为棱柱面。
17.优选地，所述快反镜装置包括fsm系统、第二反光镜、第三反光镜以及第四反光镜，所述精信标跟踪系统包括精信标发射器以及精信标跟踪器；
18.所述fsm系统用于将所述第一反光镜反射输出的光信号输入至所述第二反光镜，或者将所述第二反光镜输出的光信号输入至所述第一反光镜；
19.所述第二反光镜的透射端通过光路与所述通信系统装置连接，所述第二反光镜的返射端通过光路与第三反光镜连接；
20.所述第三反光镜的透射端通过光路与所述精信标发射器连接，所述第三反光镜的返射端通过光路与所述第四反光镜连接；
21.所述第四反光镜的透射端通过光路与所述精信标跟踪器连接。
22.优选地，精信标跟踪系统用于发射精信标发射信号和接收精信标跟踪信号，所述通信系统装置用于发射或者接收通信的通信号，其中精信标发射信号、精信标跟踪信号以及通信号采用不同的波长；
23.所述第二反光镜、第三反光镜以及第四反光镜透射的光信号波长分别与通信的通信号、精信标发射信号和精信标跟踪信号的波长匹配。
24.优选地，所述精信标跟踪器包括精跟踪镜筒、第五反光镜和精跟踪相机；
25.所述第五反光镜用于将精跟踪镜筒输出的精信标跟踪信号反射至精跟踪相机中。
26.优选地，所述快反镜装置还包括第一镜座、第二镜座和第三镜座；
27.所述第一镜座、第二镜座和第三镜座分别用于支撑所述第二反光镜、第三反光镜以及第四反光镜，且所述第一镜座、第二镜座和第三镜座均通过螺栓与所述后继光学基板连接。
28.优选地，若所述通信系统装置位于发射方则为通信信号发射器，若所述通信系统装置位于接收方则为通信信号探测器。
29.本技术第二方面提供一种量子密钥分发系统，包括上述任意一项所述的卡式镜头系统。
30.本技术提供一种卡式镜头系统及量子密钥分发系统，与现有技术相比，本技术具有以下优点：
31.本技术在后继光学基板的上表面固定连接有粗信标跟踪系统以及卡式镜头，后继
光学基板的下表面固定连接有精信标跟踪系统、通信系统装置以及快反镜装置；快反镜装置用于将所述精信标跟踪系统和通信系统装置发射的光信号传输至所述第一反光镜，将第一反光镜反射输出的光信号输入至所述精信标跟踪系统和/或通信系统装置中。
32.本技术将粗信标跟踪系统与精信标跟踪系统分别装设在后继光学基板的上、下表面，并通过快反镜装置将精信标信号和通信信号传输至后继光学基板上表面的卡式镜头中，或者将卡式镜头接收的精信标信号和通信信号传输至后继光学基板下表面的精信标跟踪系统和通信系统装置。因此粗信标跟踪系统、卡式镜头、精信标跟踪系统和通信系统装置全部安设于后继光学基板上，且通过快反镜装置可实现安设在后继光学基板下表面的精信标跟踪系统和通信系统装置可通过在后继光学基板上表面的卡式镜头接收或发送光信号，因而卡式镜头系统的结构简单且紧凑，从而具有小型化、轻量化的特点，可适用于具有小型化要求的平台。
附图说明
33.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
34.图1为本技术信标跟踪系统和卡式镜头与后继光学基板装配后的结构示意图；
35.图2为本技术精信标跟踪系统、通信系统装置和快反镜装置与后继光学基板装配后的结构示意图。
具体实施方式
36.为使本技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。
37.本技术第一方面提供一种卡式镜头系统，其结构请参阅图1以及图2所示的示意图，具体结构包括后继光学基板1；所述后继光学基板1的上表面固定连接有粗信标跟踪系统2以及卡式镜头3，所述后继光学基板1的下表面固定连接有精信标跟踪系统4、通信系统装置5以及快反镜装置6。所述光学基板1的中心设置有通孔11，所述卡式镜头3的底部为目镜镜筒，目镜镜筒的底端穿过所述通孔11，且在目镜镜筒的底端设置有第一反光镜31，所述精信标跟踪系统4和通信系统装置5发射的光信号传输至所述第一反光镜31，以及用于将第一反光镜31反射输出的光信号输入至所述精信标跟踪系统4和通信系统装置5中。具体而言，当卡式镜头3接收发送方发射的通信信号及精跟踪信号后，所述第一反光镜31将通信信号及精跟踪信号反射至快反镜装置6，所述快反镜装置6将通信信号发送至通信系统装置5，所述快反镜装置6将精跟踪信号发送至精信标跟踪系统4；当所述快反镜装置6接收通信系统装置5发送的通信信号及精信标跟踪系统4发射的精跟踪信号后，所述快反镜装置6将通信信号及精跟踪信号反射至所述第一反光镜31，所述第一反光镜31将通信信号及精跟踪信号反射至卡式镜头3，并通过卡式镜头3发射给接收方。
38.本技术将粗信标跟踪系统2与精信标跟踪系统4分别装设在后继光学基板1的上、下表面，并通过快反镜装置6将精信标信号和通信信号传输至后继光学基板1上表面的卡式镜头中，或者将卡式镜头3接收的精信标信号和通信信号传输至后继光学基板1下表面的精
信标跟踪系统4和通信系统装置5。因此粗信标跟踪系统2、卡式镜头3、精信标跟踪系统4和通信系统装置5全部安设于后继光学基板1上，且通过快反镜装置6可实现安设在后继光学基板1下表面的精信标跟踪系统4和通信系统装置5可通过在后继光学基板1上表面的卡式镜头3接收或发送光信号接收或发送光信号，因而本技术的卡式镜头系统的结构简单且紧凑，从而具有小型化、轻量化的特点，适用于具有小型化要求的平台。
39.所述粗信标跟踪系统2包括粗信标发射镜筒21和粗信标跟踪镜筒22，所述粗信标发射镜筒21和粗信标跟踪镜筒22呈180度夹角装设在所述卡式镜头3的两侧。所述后继光学基板1为圆盘形，所述粗信标发射镜筒21和粗信标跟踪镜筒22呈180度夹角装设在所述后继光学基板1的轴线两侧，以便收发双方能够快速调整双方的角度，快速的实现通讯。
40.为了保证所述粗信标发射镜筒21、粗信标跟踪镜筒22以及卡式镜头3的同轴度，所述后继光学基板1在所述粗信标发射镜筒21、粗信标跟踪镜筒22和卡式镜头3对应位置处分别设置有与之配合的第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14，所述粗信标发射镜筒21、粗信标跟踪镜筒22和卡式镜头3采用固定连接的方式分别装设在第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14上。
41.所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14均为在所述后继光学基板3上设置的一定高度的平台，所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14均为规则的圆柱体或棱柱体，具体形状可根据设计手册和/或具体需求而定，可根据结构的轻量化和紧凑性等要求确定柱面的形状，例如所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14均为棱柱面；或，所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14均为圆柱面；或，所述第一柱面12和第二柱面13为棱柱面，所述第三柱面14均为圆柱面；或，所述第一柱面12和第二柱面13为圆柱面，所述第三柱面14均为棱柱面。此外所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14上均设置有螺栓孔，所述粗信标发射镜筒21、粗信标跟踪镜筒22以及卡式镜头3分别通过螺栓连接在所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14，且所述第一柱面12、第二柱面13以及第三柱面14轴心在一条直线上，从而保证了所述粗信标发射镜筒21、粗信标跟踪镜筒22以及卡式镜头3的同轴度。
42.所述快反镜装置6包括fsm系统61、第二反光镜62、第三反光镜63以及第四反光镜64，所述精信标跟踪系统4包括精信标发射器41以及精信标跟踪器42；所述fsm系统61即快速转向镜，是光电跟踪系统中的精密跟踪器件，具有共振频率高、响应速度快并且动态滞回误差小的特点，所述fsm系统61用于将所述第一反光镜31反射输出的光信号输入至所述第二反光镜62，或者将所述第二反光镜62输出的光信号输入至所述第一反光镜31；所述第二反光镜62的透射端通过光路与所述通信系统装置5连接，所述第二反光镜62的返射端通过光路与第三反光镜63连接；所述第三反光镜63的透射端通过光路与所述精信标发射器41连接，所述第三反光镜63的返射端通过光路与所述第四反光镜64连接；所述第四反光镜64的透射端通过光路与所述精信标跟踪器42连接。本技术的第二反光镜62的透射端通过自由空间与所述通信系统装置5连接，即所述第二反光镜62的透射端发出的通信信号通过自由空间传输至所述通信系统装置5，本技术的第二反光镜62的反射端反射的除通信信号之外的其他信号通过自由空间传输至第三反光镜63，即所述第二反光镜62的透射端发出的通信信号通过光纤信道传输至所述通信系统装置5。所述第三反光镜63的以及第四反光镜64也通过自由空间分别将其反射与透射的信号传输出去，本技术不在赘述。
43.为了方便装设所述第二反光镜62、第三反光镜63以及第四反光镜64，本技术的快反镜装置6还包括第一镜座65、第二镜座66和第三镜座67；所述第一镜座65、第二镜座66和第三镜座67分别用于支撑所述第二反光镜62、第三反光镜63以及第四反光镜64，且所述第一镜座65、第二镜座66和第三镜座67均通过螺栓与所述后继光学基板1连接。
44.除此之外，由于用于通信的通信号、以及用于精跟踪的精信标发射信号和精信标跟踪信号采用不同波长的光信号，因此所述第二反光镜62、第三反光镜63以及第四反光镜64需要透射的光信号波长分别与通信的通信号、以及用于精跟踪的精信标发射信号和精信标跟踪信号波长匹配，因此，所述第二反光镜62选择透过通信信号，且反射其他信号的快反镜；第三反光镜63选择透过精信标发射信号，且反射其他信号的快反镜；第四反光镜64选择透过精信标跟踪信号，且反射其他信号的快反镜。另外，本技术需要说明的是，所述精信标发射器41、所述精信标跟踪器42以及通信系统装置5的位置可以互换，同时与之连接的所述第二反光镜62、第三反光镜63以及第四反光镜64也需要互换相应的位置。但是最优的方案是通信信号首先经过所述第二反光镜62发送至通信系统装置5，或者通信信号首先经过所述第二反光镜62发送至所述fsm系统61，这是由于光在经过反射折射后多少会有损耗，而量子通信中量子光信号为极弱光，因此首先需要确保通信信号损耗最少。
45.所述精信标跟踪器42包括精跟踪镜筒421、第五反光镜422和精跟踪相机423；所述第五反光镜422用于将精跟踪镜筒421输出的精信标跟踪信号反射至精跟踪相机423中。为了进一步实现结构的紧凑性，有效利用所述后继光学基板1的面积，本技术将精跟踪镜筒421和精跟踪相机423排列为“l”型，通过第五反光镜422将精跟踪镜筒421发射出的精信标跟踪信号传输至精跟踪相机423中。
46.本技术在接收方和发送方中的卡式镜头系统的精信标发射器41发射的精信标信号波长不同，若卡式镜头系统安装在所述发射方，则卡式镜头系统中的所述通信系统装置5则为通信信号发射器，若卡式镜头系统安装在接收方，则卡式镜头系统中的所述通信系统装置5则为通信信号探测器。
47.最后，本技术的所述后继光学基板1和卡式镜头3的支架可采用高强度的铝合金制成，具有质量轻、强度高的特点。另外为了保障卡式镜头系统，本技术的卡式镜头系统还包括外壳，该外壳内还设置有消光光阑，顶部设置有与粗信标跟踪系统2以及卡式镜头3对应的位置处分别开设有粗信标发射窗口、粗信标接收窗口以及卡式镜头窗口，所述消光光阑用于遮罩卡式镜头3。除此之外，外壳采用高强度铝合金制成，且外壳外侧周围还设置有若干减重槽，用于降低本技术卡式镜头的重量。
48.综上所述，本技术的卡式镜头系统不仅结构紧凑、体积小，而且还具有坚固稳定、质量轻的特点，适用于小型化的平台，应用场景广泛，可适用于陆基、空基等平台的通信。
49.本技术第二方面提供一种量子密钥分发系统，包括上述任意一项所述的卡式镜头系统。
50.以上结合具体实施方式和范例性实例对本技术进行了详细说明，不过这些说明并不能理解为对本技术的限制。本领域技术人员理解，在不偏离本技术精神和范围的情况下，可以对本技术技术方案及其实施方式进行多种等价替换、修饰或改进，这些均落入本技术的范围内。本技术的保护范围以所附权利要求为准。