[发明专利]一种星地量子通信链路方向跟踪系统

说明书

技术领域

本发明属于量子通信技术领域，具体是指一种应用于星地量子通信中的， 通信链路方向提取与跟踪的系统。

背景技术

量子通信比常规的自由空间激光通信有更高的通信链路指向精度要求。星 地量子通信的捕获跟踪瞄准(ATP)系统用于建立量子通信终端间的量子通信 链路，必须具有非常高的跟瞄精度、带宽和稳定性。捕获跟踪系统的通信链路 方向提取与跟踪子模块必须具有更高的性能。

目前公知的应用于星地间量子通信的采用CCD或CMOS图像传感器作为 探测器的通信链路方向提取与跟踪系统存在以下缺点而难以满足星地量子通 信的需求：

1.系统的探测器驱动、光斑图像处理、跟踪控制器等功能由多个电路模块 或者多个处理单元分别实现。各个功能模块内部运算延时加上模块间的 数据传输延时造成系统闭环的总信号延时较大，达到3ms甚至更长时 间，限制了捕获跟踪系统的跟瞄抑制带宽。

2.并未采取抑制大气湍流对星地间量子通信链路干扰作用的措施，或者采 取的抑制措施效果十分有限，即使在较好的大气条件下最优的探测精度 约为1～2μrad左右。

3.系统的构成复杂，体积和重量大，不适合作为星载量子通信设备。

发明内容

本发明针对星地量子通信高精度信标跟踪的应用背景，为了解决上述 现有技术的不足，提供一种基于CMOS或CCD探测器、FPGA硬件图像 处理与信息提取的实时高精度高带宽的星地通信链路方向提取与跟踪系 统。

本发明主要由图像传感器、FPGA、数模转换接口、数据/指令差分接 口构成，它们的连接关系如图1所示。其中，图像传感器根据量子通信的 应用需求可以选用可见光波段、红外波段的CCD传感器或CMOS传感器； FPGA选用规模大于8000逻辑单元的器件即可；模数转换接口芯片选用速 度大于10MHz转换频率的DAC芯片；对差分接口芯片无特殊要求。

图1还给出在FPGA内部集成实现探测器驱动、光斑图像处理、跟踪 控制器与数据/指令接口等多种功能的方法和电路结构。这些功能通过用 Verilog或VHDL硬件描述语言对FPGA编程实现。

其中，FPGA的光斑图像处理方法是一种硬件卷积方式的图像处理方 法。具体是指FPGA对从CMOS/CCD探测器输出的图像数据逐点即时处 理的方法，包括：固定模式噪声(FPN)校正、图像滤波预处理、自适应阈值 处理、光斑修剪整形和光斑位置提取。其中，固定模式噪声(FPN)校正采用 简单有效的列模式校正方法；图像滤波预处理采用八邻近中值滤波算法； 光斑位置提取采用质心算法或形心算法。

阈值的自适应算法为：系统上电时自动设定一个初始阈值，在系统工 作过程中FPGA统计每帧图像阈值处理后的亮点(数据值大于零的像素点) 个数，根据当前帧图像的统计结果自适应调整下一帧图像的阈值。当亮点 数太多时逐渐增加阈值，当亮点数太少时逐渐降低阈值。

光斑修剪整形使用改良的膨胀和腐蚀结合的方法。所说的本发明对该 图像处理方法的改良是指，对信标光斑图像做膨胀和腐蚀处理时不对图像 做二值化处理而直接采用原始输入图像数进行运算，并且膨胀点的取值为 周围邻近点的均值。这样的改良能够保留真实光斑的亮度分布信息，提高 后续光斑位置提取结果的精度。本发明率先将膨胀和腐蚀图像处理方法应 用于星地量子通信链路方向提取与跟踪系统，取得良好效果。光斑修剪整 形消除了光斑的扩散、毛刺和絮状边缘、内部裂缝，从而较有效地抑制了 大气湍流和其它干扰因素对星地量子通信信标的干扰作用。

本发明具有以下优点：

1.系统的探测器驱动、光斑图像处理、跟踪控制器等功能由一个FPGA 芯片集成实现，避免了多个电路模块间数据传输产生的延迟，克服了现 有系统图像数据传输和图像处理延时大的不足。采用了实时的硬件卷积 图像处理方法使系统延时小于1μs。

2.低延时的特点结合大于2.5kHz系统测带宽，使得整个系统的跟瞄抑制 带宽可以提高到200Hz以上。达到国内先进水平，基本满足了星地量 子通信尤其是星载终端的需求。

3.本发明将膨胀和腐蚀图像处理算法引入到量子通信捕获跟踪系统中使 用，并做了改良，一定程度上克服了现有系统不能有效抑制大气湍流干 扰的不足。在存在大气湍流的条件下，系统对信标激光的探测精度优于 0.5μrad。