单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开的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。本发明专利技术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。本发明专利技术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。本发明专利技术能够使所有信号能量都被单光子探测阵列接收，提高激光信号能量利用率，且能够增大信号接收面积。且能够增大信号接收面积。且能够增大信号接收面积。

【技术实现步骤摘要】
单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置及方法


[0001]本专利技术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


技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]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，本专利技术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。
[0006]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现：
[0007]本专利技术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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本专利技术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：
[0017]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。
[0018]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。
[0019]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。
[0020]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。
[0021]光斑质心位置(x
i
,y
i
)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，I
i
为第i个像元在测量周期内接收到的脉冲数量。
[0022]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
,θ
y
)为：L为压电偏转镜与单光子探测阵列间的距离。
[0023]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
,Δθ
y
)为：
[0024]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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置，其特征在于：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；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；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；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；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；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；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；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。2.如权利要求1所述的单光子探测阵列激光跟踪测角与通信测距装置，其特征在于：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。3.基于单光子探测阵列的激光跟踪测角与通信测距的方法，基于如权利要求1或2所述的激光跟踪测角与通信测距的装置实现，其特征在于：包括如下步骤，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；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
×
...

【专利技术属性】
技术研发人员：林玉洁，胡春源，袁亚博，邰馨慧，卜祥元，
申请(专利权)人：中国人民解放军六三九二一部队，
类型：发明
国别省市：