本發(fā)明屬于光學(xué)通信設(shè)備，具體涉及一種基于單光子探測技術(shù)的小型化星地激光通信終端。

背景技術(shù)：

1、與現(xiàn)有的微波通信技術(shù)相比，衛(wèi)星激光通信技術(shù)具有數(shù)據(jù)率高、抗干擾和保密性好等顯著優(yōu)點(diǎn)，是今后衛(wèi)星通信的有效補(bǔ)充技術(shù)手段。目前，國內(nèi)外已開展了多項(xiàng)衛(wèi)星光通信在軌試驗(yàn)，正在逐步開展軍事和商業(yè)航天應(yīng)用。

2、相對(duì)于傳統(tǒng)微波通信系統(tǒng)，激光通信系統(tǒng)優(yōu)于采用了光波波段作為信息載波（載波10~400thz），具有極高的通信帶寬，同時(shí)具有重量輕、體積小、功耗低的突出優(yōu)點(diǎn)。

3、激光通信天線負(fù)責(zé)完成發(fā)射信號(hào)/信標(biāo)光的整星、束散角壓縮以及指向發(fā)射；同時(shí)完成對(duì)接收信號(hào)/信標(biāo)光的收集、分束并聚焦在相應(yīng)探測器上。傳統(tǒng)的激光通信系統(tǒng)采用pin、pd、apd等器件，感光材料為ingaas或gaas，其靈敏度一般在40~42dbm@10gbpa；而光斑位置探測器為ccd或cmos器件，感光面材料為ingaas或si材料，其靈敏度在-60~65dbm。靈敏度相對(duì)較低，終端光學(xué)天線口徑需要相對(duì)較大（500mm~1600mm），終端體積（6~20m3）、重量（2~10t）和功耗均較大，使得傳統(tǒng)激光通信地面站需要建立在固定房屋或較大尺寸載重車輛上，嚴(yán)重制約了激光通信地面終端的應(yīng)用范圍。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)上述存在問題，本發(fā)明提出一種基于單光子探測技術(shù)的小型化星地激光通信終端，采用基于單光子定位探測器和單光子通信探測器作為激光通信的位置和通信探測器，極大的提升了系統(tǒng)探測器靈敏度（-75~-80dbm），同時(shí)實(shí)現(xiàn)了小口徑接收（150~200mm），系統(tǒng)重量顯著下降（由2~8t降低為400kg），降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)隨著重量降低，該終端可實(shí)現(xiàn)小型車承載運(yùn)輸，不但可以實(shí)現(xiàn)星地通信傳輸，隨著體積變小，可以實(shí)現(xiàn)固定點(diǎn)與固定點(diǎn)、固定點(diǎn)與激動(dòng)點(diǎn)之間的地面點(diǎn)對(duì)點(diǎn)高速激光傳輸，極大的拓展了激光通信地面終端應(yīng)用范圍。

2、上述的目的通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

3、一種基于單光子探測技術(shù)的小型化星地激光通信終端，包括如下的光學(xué)原件：

4、主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標(biāo)接收透鏡組、粗信標(biāo)探測器、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、雙向角反射棱鏡組、反射鏡四、反射鏡六、光陷阱、分束鏡三、信號(hào)發(fā)射鏡組、信號(hào)光源、濾光片二、精信標(biāo)一接收鏡組、精信標(biāo)一探測器、精跟蹤鏡二、分束鏡一、濾光片三、精信標(biāo)二接收鏡組、精信標(biāo)二探測器、光學(xué)提升器、分束鏡二、單光子信標(biāo)接收濾光片、單光子信標(biāo)接收鏡組、單光子定位探測器、單光子信號(hào)接收濾光片、單光子信號(hào)接收鏡組、單光子通信探測器、信標(biāo)/信號(hào)激光器、信標(biāo)/信號(hào)發(fā)射天線；

5、上述的光學(xué)原件構(gòu)成了觀測接收光路a、信號(hào)發(fā)射光路b、近紅外信標(biāo)接收光路c、短波紅外信標(biāo)接收光路d、單光子信號(hào)接收光路e、單光子信標(biāo)接收光路f、信標(biāo)發(fā)射光路g，其中：

6、觀測接收光路a由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標(biāo)接收透鏡組、粗信標(biāo)探測器組成，外部接收光束經(jīng)過主望遠(yuǎn)鏡收集和縮束后，入射反射鏡一反射后，入射濾光片一和粗信標(biāo)接收透鏡組，最終入射粗信標(biāo)探測器，完成信標(biāo)光接收和定位工作，該光路用于測量入射的粗信標(biāo)光；

7、信號(hào)發(fā)射光路b由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三、信號(hào)發(fā)射鏡組、信號(hào)光源組成，首先由信號(hào)光源發(fā)送指定波長信號(hào)光，并經(jīng)由信號(hào)發(fā)射鏡組整型后，經(jīng)過分束鏡三透射后，再經(jīng)由反射鏡六、反射鏡四、反射鏡三、精跟蹤鏡一的反射后，再次經(jīng)過補(bǔ)償鏡組和反射鏡五、反射鏡二后經(jīng)過主望遠(yuǎn)鏡整形和縮束后對(duì)目標(biāo)發(fā)射；

8、近紅外信標(biāo)接收光路c由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三、濾光片二、精信標(biāo)一接收鏡組、精信標(biāo)一探測器組成，外部信標(biāo)光經(jīng)由主望遠(yuǎn)鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、分束鏡三入射到濾光片二、精信標(biāo)一接收鏡組，并最終在精信標(biāo)一探測器上成像，該光路利用在精信標(biāo)一探測器的信標(biāo)光光斑信息實(shí)現(xiàn)對(duì)精跟蹤鏡一的閉環(huán)跟蹤；

9、短波紅外信標(biāo)接收光路d由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、濾光片三、精信標(biāo)二接收鏡組、精信標(biāo)二探測器組成，外部短波紅外信標(biāo)光經(jīng)由主望遠(yuǎn)鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到濾光片三、精信標(biāo)二接收鏡組，并最終在精信標(biāo)二探測器成像，該光路利用在精信標(biāo)二探測器的信標(biāo)光光斑信息實(shí)現(xiàn)對(duì)精跟蹤鏡二的閉環(huán)跟蹤；

10、單光子信號(hào)接收光路e由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、光學(xué)提升器、分束鏡二、單光子信號(hào)接收濾光片、單光子信號(hào)接收鏡組、單光子通信探測器組成，外部通信光經(jīng)由主望遠(yuǎn)鏡接收縮束后，經(jīng)過經(jīng)過反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到光學(xué)提升器后，入射分束鏡二反射后，并入射單光子信號(hào)接收濾光片、單光子信號(hào)接收鏡組，并最終聚焦入射單光子通信探測器上，利用單光子通信探測器實(shí)現(xiàn)對(duì)接收信號(hào)光完成通信信號(hào)接收；

11、單光子信標(biāo)接收光路f由主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一、光學(xué)提升器、分束鏡二、單光子信標(biāo)接收濾光片、單光子信標(biāo)接收鏡組、單光子定位探測器組成，外部通信光經(jīng)由主望遠(yuǎn)鏡接收縮束后，經(jīng)過反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、反射鏡四、反射鏡六、精跟蹤鏡二、分束鏡一入射到光學(xué)提升器后，并在分束鏡二反射后入射單光子信標(biāo)接收濾光片、單光子信標(biāo)接收鏡組，并最終在單光子定位探測器成像，該光路利用在單光子定位探測器的單光子定位信息對(duì)精跟蹤鏡二的閉環(huán)跟蹤；

12、信標(biāo)發(fā)射光路：由信標(biāo)/信號(hào)激光器、信標(biāo)/信號(hào)發(fā)射天線組成，滿足波長的信標(biāo)光由信標(biāo)激光器發(fā)射并經(jīng)過信標(biāo)/信號(hào)發(fā)射天線整形、束散角壓縮，并隨經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺(tái)指向目標(biāo)并發(fā)送。

13、進(jìn)一步地，所述主望遠(yuǎn)鏡、反射鏡一、濾光片一、粗信標(biāo)接收透鏡組、粗信標(biāo)探測器、反射鏡二、反射鏡五、補(bǔ)償鏡組、精跟蹤鏡一、反射鏡三、雙向角反射棱鏡組、反射鏡四，信標(biāo)/信號(hào)激光器、信標(biāo)/信號(hào)發(fā)射天線放置在經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺(tái)上；通過光斑在粗信標(biāo)探測器上電位置反饋控制經(jīng)緯儀二維轉(zhuǎn)臺(tái)的目標(biāo)跟蹤。

14、進(jìn)一步地，所述主望遠(yuǎn)鏡采用卡塞格林望遠(yuǎn)鏡。

15、進(jìn)一步地，所述雙向角反射棱鏡組通過伺服機(jī)構(gòu)插入光路，且所述雙向角反射棱鏡組口徑應(yīng)大于2英寸。

16、進(jìn)一步地，所述反射鏡四到反射鏡六之間增加自適應(yīng)光學(xué)組件，所述自適應(yīng)光學(xué)組件為32~64單元。

17、進(jìn)一步地，所述分束鏡一的分光比需要按照精信標(biāo)二探測器、單光子通信探測器、單光子定位探測器的靈敏度特點(diǎn)進(jìn)行光強(qiáng)劃分，即分束鏡一的分光比，其中為精信標(biāo)二探測器的靈敏度，單位為dbm；為單光子定位探測器的靈敏度，單位為dbm；為單光子通信探測器的靈敏度，單位為dbm。

18、有益效果：

19、1.相較于傳統(tǒng)庫德光路天線，本星地激光通信終端設(shè)計(jì)了不經(jīng)過庫德光路臂的大視場信標(biāo)接收光路，用于對(duì)目標(biāo)的大視場信標(biāo)接收；本發(fā)明采用精跟蹤鏡一和精跟蹤鏡二兩級(jí)快反鏡設(shè)計(jì)，其中一級(jí)快反鏡受控于信標(biāo)探測器，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)光路軸系誤差的補(bǔ)償，二級(jí)快反鏡受控于精信標(biāo)二探測器或單光子定位探測器，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)粗跟蹤和一級(jí)快反鏡跟蹤殘差的補(bǔ)償；其中單光子定位探測器包括但不限于單光子四象限探測器，還可以是其他多像元單光子定位探測器。

20、2.本發(fā)明的星地激光通信終端設(shè)計(jì)了雙向角反射棱鏡組作為自檢機(jī)構(gòu)，通過伺服機(jī)構(gòu)將雙向角反射棱鏡組插入光路，使得該系統(tǒng)不依賴于外部光源即可進(jìn)行信號(hào)發(fā)射光路、近紅外信標(biāo)接收光路、短波紅外信標(biāo)接收光路、單光子信號(hào)接收光路、單光子信標(biāo)接收光路等光路的同軸度檢測，方便了系統(tǒng)使用。

21、3.針對(duì)單光子探測器超靈敏度探測對(duì)噪聲異常敏感的問題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了光陷阱，對(duì)發(fā)射光路光信號(hào)進(jìn)行有效清除，避免單光子探測器虛警。

22、4.本發(fā)明設(shè)計(jì)了光學(xué)提升器，將終端后光路與單光子探測器進(jìn)行隔離，同時(shí)提供了方位向和高度向自由度。