高精度空间量子通信跟瞄技术的误差机理研究

《高精度空间量子通信跟瞄技术的误差机理研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文高精度空间量子通信跟瞄技术的误差机理研究作者姓名：陈少杰指导教师：王建宇研究员学位类别：工学博士学科专业：电路与系统研究方向：光电探测与精密控制培养单位：中国科学院上海技术物理研究所2018年6月中国科学院大学研究生学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明或致谢。作者签名：日期：中国科学院大学学位论文授权使用声明本人完全了解中国科学院大学有关保留，使用

2、学位论文的规定，即：学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存学位论文。本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将学位论文提交《中国学术期刊（光盘版）》电子杂志社，编入CNKI学位论文全文数据库并充实到“学位论文学术不端行为检测系统”比对资源库，同意按章程规定享受相关权益。保密论文在解密后遵守此规定。论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日StudyonErrorMechanismofHighPrecisionSpaceQuantumCommunicationTr

3、ackingandPointingTechnologyAdissertationsubmittedtoUniversityofChineseAcademyofSciencesinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofEngineeringInElectricalcircuitandsystemByChenShaojieSupervisor:ProfessorWangJianyuShanghaiInstituteofTechnicalPhysicsofChineseAcademyofSciencesJune2018

4、摘要摘要在自由空间进行量子通信，使用空间激光信道传递量子态信息，激光束散角较小，需要捕获、跟踪、瞄准（Acquisition,TrackingandPointing，简称ATP）系统来建立和保持通信链路。空间量子通信发展向天地一体化网络迈进，发展高轨道量子卫星作为通信中继将是必由之路，高轨卫星对地超远的链路距离对ATP系统的跟踪精度提出了更高的要求。基于低轨量子卫星“墨子号”的ATP技术基础，从机理上进行系统分析和工程实践优化，是发展更高精度ATP系统切实可行的方案之一。本论文以量子通信的空间ATP系统为研究对象，研究超高跟踪精度的ATP系统需要进一步突破的关键技术，复合轴ATP系统的

5、精度由精跟踪系统决定，所以精跟踪系统成为了本文的研究重点。论文主要工作包括：介绍了ATP系统的工作原理，包括工作流程、系统构成和瞄准方案，分析了系统的关键参数耦合关系，并对精跟踪系统进行了重点介绍；在对ATP系统进行瞄误差分析的基础上，提出了基于衍射光斑采样的探测体制，并对精跟踪系统进行光学参数优化；基于zernike多项式推导了离轴光学系统和同轴光学系统的像差转换关系，仿真分析了光学像差对离轴光学系统接收光轴和发射光轴的影响；分析了面阵探测器的非理想特性因素，仿真分析了各个因素对光斑定位的影响，并实施了探测器非均匀性校正；给出精跟踪控制系统的基础上，综合仿真分析和实验测试，探究控制分

6、辨率对跟踪精度的影响。论文的主要创新点有：1）研究了衍射斑采样的探测体制。分析了波长、系统焦距、望远镜口径、探测器有效像元尺寸等对衍射斑定位的综合影响，提出了精密位置探测必须满足的空间采样关系。在衍射采样的探测误差空域和频域分析基础上，对精跟踪系统进行了光学系统参数优化，实验结果表明，当满足空间采样关系时，精跟踪精度从0.44rad提高到0.12rad。2）研究了光学系统像差对接收与发射光轴偏差的影响。基于zernike多项式的像差拟合，分析了光学系统各级像差对接收光轴和发射光轴的影响。数值仿真I高精度空间量子通信跟瞄技术的误差机理研究结果表明，为了实现优于0.1rad的收发光轴

7、配准，同轴光学系统像质需要达到/30RMS，离轴光学系统像质需达到/100RMS。3）研究了探测器非理想特性对光斑定位的影响。建立数理模型分析不同探测器随机噪声、填充率等对光斑定位精度的影响，得到不同填充率下的最优光斑半径；分析了探测器条状噪声对光斑位置定位的影响，仿真和实验结果表明，探测器条状噪声导致沿噪声延伸方向的光斑定位偏差大于其正交方向。对探测器的响应非均匀性进行校正分析，实验结果表明，非均匀性校正后光斑定位最大偏差0.08pixe