【摘要】：在自由空間進(jìn)行量子通信,使用空間激光信道傳遞量子態(tài)信息,激光束散角較小,需要捕獲、跟蹤、瞄準(zhǔn)(Acquisition,Tracking and Pointing,簡稱ATP)系統(tǒng)來建立和保持通信鏈路�？臻g量子通信發(fā)展向天地一體化網(wǎng)絡(luò)邁進(jìn),發(fā)展高軌道量子衛(wèi)星作為通信中繼將是必由之路,高軌衛(wèi)星對地超遠(yuǎn)的鏈路距離對ATP系統(tǒng)的跟蹤精度提出了更高的要求�；诘蛙壛孔有l(wèi)星“墨子號”的ATP技術(shù)基礎(chǔ),從機理上進(jìn)行系統(tǒng)分析和工程實踐優(yōu)化,是發(fā)展更高精度ATP系統(tǒng)切實可行的方案之一。本論文以量子通信的空間ATP系統(tǒng)為研究對象,研究超高跟蹤精度的ATP系統(tǒng)需要進(jìn)一步突破的關(guān)鍵技術(shù),復(fù)合軸ATP系統(tǒng)的精度由精跟蹤系統(tǒng)決定,所以精跟蹤系統(tǒng)成為了本文的研究重點。論文主要工作包括:介紹了ATP系統(tǒng)的工作原理,包括工作流程、系統(tǒng)構(gòu)成和瞄準(zhǔn)方案,分析了系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)耦合關(guān)系,并對精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了重點介紹;在對ATP系統(tǒng)進(jìn)行瞄誤差分析的基礎(chǔ)上,提出了基于衍射光斑采樣的探測體制,并對精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行光學(xué)參數(shù)優(yōu)化;基于zernike多項式推導(dǎo)了離軸光學(xué)系統(tǒng)和同軸光學(xué)系統(tǒng)的像差轉(zhuǎn)換關(guān)系,仿真分析了光學(xué)像差對離軸光學(xué)系統(tǒng)接收光軸和發(fā)射光軸的影響;分析了面陣探測器的非理想特性因素,仿真分析了各個因素對光斑定位的影響,并實施了探測器非均勻性校正;給出精跟蹤控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,綜合仿真分析和實驗測試,探究控制分辨率對跟蹤精度的影響。論文的主要創(chuàng)新點有:1)研究了衍射斑采樣的探測體制。分析了波長、系統(tǒng)焦距、望遠(yuǎn)鏡口徑、探測器有效像元尺寸等對衍射斑定位的綜合影響,提出了精密位置探測必須滿足的空間采樣關(guān)系。在衍射采樣的探測誤差空域和頻域分析基礎(chǔ)上,對精跟蹤系統(tǒng)進(jìn)行了光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化,實驗結(jié)果表明,當(dāng)滿足空間采樣關(guān)系時,精跟蹤精度從0.44?rad提高到0.12?rad。2)研究了光學(xué)系統(tǒng)像差對接收與發(fā)射光軸偏差的影響。基于zernike多項式的像差擬合,分析了光學(xué)系統(tǒng)各級像差對接收光軸和發(fā)射光軸的影響。數(shù)值仿真結(jié)果表明,為了實現(xiàn)優(yōu)于0.1?rad的收發(fā)光軸配準(zhǔn),同軸光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)需要達(dá)到?/30 RMS,離軸光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)需達(dá)到?/100 RMS。3)研究了探測器非理想特性對光斑定位的影響。建立數(shù)理模型分析不同探測器隨機噪聲、填充率等對光斑定位精度的影響,得到不同填充率下的最優(yōu)光斑半徑;分析了探測器條狀噪聲對光斑位置定位的影響,仿真和實驗結(jié)果表明,探測器條狀噪聲導(dǎo)致沿噪聲延伸方向的光斑定位偏差大于其正交方向。對探測器的響應(yīng)非均勻性進(jìn)行校正分析,實驗結(jié)果表明,非均勻性校正后光斑定位最大偏差0.08pixel收斂到0.05pixel以內(nèi)。4)研究了系統(tǒng)控制分辨率對跟蹤精度的影響。分析了不同控制分辨率下精跟蹤系統(tǒng)的干擾抑制能力與跟蹤精度并進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明,當(dāng)使用16bit量化的DAC時,相比于12bit量化結(jié)果,跟蹤精度從0.5016?rad提高到了0.4128?rad。頻譜分析表明,若要進(jìn)一步提高跟蹤精度,需要進(jìn)一步增大系統(tǒng)的干擾抑制帶寬。理論及實驗結(jié)果表明,采取滿足空間采樣關(guān)系的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計,光學(xué)系統(tǒng)像質(zhì)控制在同軸優(yōu)于波長1/30?RMS(離軸優(yōu)于波長1/100?RMS),對探測器各像元響應(yīng)進(jìn)行非均勻性校正,單像元瞬時視場小于1?rad,并將跟蹤控制分辨率提高至16位量化,可以將系統(tǒng)的跟瞄精度從目前0.5?rad量級提高到0.1?rad以下。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)院大學(xué)(中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：O413;TN918
【圖文】：

算和量子通信兩大分支，對量子計算的研究有望實現(xiàn)超強計算，此后傳統(tǒng)的密碼體系在它面前將形同虛設(shè)[3]。同時，量子理供了 防御之盾 ，使用量子態(tài)加載信息進(jìn)行量子通信，理論上技術(shù)內(nèi)在的安全隱患，被證明是無條件保密、可靠的通信方式通信主要形式包含：量子密鑰分發(fā)、量子糾纏分發(fā)、量子隱形碼等[5]。6 年 8 月 16 日凌晨 1 點 40 分，量子科學(xué)實驗衛(wèi)星 墨子號 在中心成功發(fā)射上天[6]，如圖 1.1 所示。2017 年 9 月 29 日，第的量子通信干線—— 京滬干線 正式開通，綜合使用 墨子，中國科學(xué)家實現(xiàn)了洲際量子保密通信[7]。 墨子號 驗證了星子通信的可行性，而為了構(gòu)建完善的天地一體化廣域量子通信量子衛(wèi)星作為空間中繼和開展星間超遠(yuǎn)距離的量子通信是必

圖 1.8 LLST 光學(xué)模塊Figure 1.8 Optical module of LLST標(biāo)光能量進(jìn)行高帶寬的跟蹤以維持通信鏈路穩(wěn)定。LLST 的跟蹤方式：系統(tǒng)中配備了 MIRU（磁流體動力穩(wěn)定慣性蹤平臺，降低了對光學(xué)被動跟蹤的帶寬需求，在系統(tǒng)層面更多的積分時間，LLST 的光學(xué)模塊如圖 1.8，可見 MIR蹤萬向節(jié)之間。MIRU 的 ATP 系統(tǒng)的典型的光路圖如圖 1.9 所示，MIRU 振動背景下的慣性自穩(wěn)定平臺，從該自穩(wěn)定平臺上發(fā)射），如圖 1.9 中的藍(lán)色實線所示，該光束分別經(jīng)過盡可能多自閉環(huán)模式，以抵制光學(xué)跟蹤后高頻的殘余機械振動，在 系統(tǒng)跟蹤帶寬達(dá)到了 300Hz[26]。MIRU 使用基于磁流體動

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2717889