基于无人机的移动光通信系统

成果编号：38562

价格：面议

完成单位：南京大学

单位类别：985系统院所、211系统院所

完成时间：2021年

成熟程度：小批量生产阶段

服务产业领域：电子信息

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发布人：南京大学技术转移中心在线

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量子信息，将量子物理与信息技术相结合，能实现很多经典信息无法实现的功能，成为了当下的一个研究热点。近年来，美、欧各国不断加大在量子信息领域的投入，在我国十四五规划中，也将量子信息列为国家重大科技项目优先发展的“三驾马车”之一。其中，量子通信，作为量子信息的重要方向之一，以其绝对安全的特性，满足了当下对安全通信的巨大市场需求。目前，光量子通信已逐渐从基础研究走向实用，比较有代表性工作的是基于光纤和卫星光量子链路实现了量子信息的远距离传输。相比于这两种链路，采用以无人机为代表的陆、海、空基移动平台与光纤、卫星网络节点相联，形成机动灵活、快速重构、即搭即撤的低空量子链路，这不仅对于满足国防、应急抢险和岛屿、山区等特殊场景下通信需求具有重要意义，也有望按需连接到移动终端用户。在此基础上与相对固定的地基（光纤）、天基（卫星）量子链路相连，可以解决量子信息的末端接入问题，推动量子网络实用化。将该过程中构建的低损耗移动光传输链路与近些年飞速发展的自由空间激光通信相结合，也可以实现激光通信的功耗降低和传输速率的提高，推动真正实用化的高速大带宽低空光通信网络的建立与广泛覆盖。以无人机移动光通信平台为基础，构建经典与量子相结合的低空移动光通信网络，满足保密性和传输速率的不相同要求，对推动新一代通信网络构建具有重大应用价值。这种低空移动光通信网络对通信系统中各器件和技术提出了前所未有的高要求。目前光通信系统主要是由分立的光学元件组合而成，在无人机等小型化移动平台的应用中，面临着轻量化、稳定性与可扩展性等重大瓶颈。发展集成光电器件和高效自动化技术，能够将高亮度能量子光源、光电信息处理器件芯片化、轻量化，在低空通信网络中构建自由空间激光通信、射频通信和量子通信相结合的通信链路，实现''人-机-物''互联。是实现这一目标并推动其走向应用的关键。为此，本项目中我们开发了基于无人机的移动光通信平台，搭建了经典、量子一体的移动光通信链路，致力于未来构建灵活便捷的移动光通信网络。

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成果介绍

科技计划：

成果形式：新技术、新工艺、新产品

合作方式：技术转让、技术开发、技术咨询

参与活动：第二届江苏产学研合作对接大会 2023年高校院所服务苏北五市产学研合作对接活动

专利情况：未申请专利

成果简介

综合介绍

创新要点

1. 高亮度轻量化低功耗量子纠缠光源制备技术传统的量子光源通常由体块光学元件搭建的空间光路系统组成，其体积、重量、尺寸和功耗较大，大大超出了无人机特别是小型无人机的负载能力。同时，空间光路系统稳定性较差、环境敏感度高，仅能在实验室环境下正常运行。而外场试验环境复杂、恶劣，震动、温度、湿度、酸碱度等因素都会导致量子光源系统的性能发生下降。因此，研发高集成轻量化量子光源是实现小型化无人机量子通信系统的关键，亦是构建无人机量子通信网络的必要基础。但是，目前基于体块光学元件搭建的空间光学系统，其固有的体积限制了系统的集成化与轻量化。针对这一问题，本项目以光学超晶格等光学微结构材料代替体块光学元件，来缩小光量子核心器件体积；基于准相位匹配等原理对光学超晶格材料的原理设计、制备工艺等技术进行研究，选择最优的光学超晶格材料及结构，以降低功耗的同时保持纠缠源高亮度；同时通过光刻等技术在硅片等衬底上完成光路标记，利用高精度光学抛光技术保证光学元件机械精度，简化光路搭建流程与复杂度，仅需通过机械对准、光胶等技术完成干涉环路的搭建；设计高精度集成耦合系统，减小整体光路，减轻器件重量。最终研制出了高亮度、小型化、集成化量子纠缠光源，以满足无人机平台荷载要求。创新性：基于光学超晶格构建无人机载超小型集成化纠缠源，填补满足无人机载需求的量子载荷的空白（“从0到1”的创新）。在本项目中，首次将光学超晶格材料应用到超小型纠缠源的装备开发中，通过准相位匹配等原理设计最优的光学超晶格结构，以实现量子态的集成化调控，在缩小体积、降低功耗的同时保持纠缠源高亮度，实现光学超晶格材料在纠缠源研发领域的应用模式创新。结合光路一体化封装等技术。本项目开发出一种新型超小型纠缠源，其拥有集成度高、稳定性好、功耗低、体积小等优点，符合无人机机载的需求，实现了量子纠缠源在无人机载应用领域从零到一的创新，填补满足无人机载需求的量子载荷的空白，为构建无人机量子通信网络提供载荷基础。

技术指标

轻量化、快速、高精度跟踪瞄准技术量子态对传输损耗非常敏感，稳定、低损耗的自由空间光链路，是实现无人机量子通信的关键之一。但是，相比于稳定运行在固定轨道的卫星等其他自由空间量子通信节点，无人机的运动轨迹随机性强、对地运动角速度变化快、振动幅度大、受近地面大气湍流影响严重。同时，无人机机动过程中的震动、温度、湿度等各项因素的剧烈变化，也会给跟踪瞄准系统的工作增加更多的挑战。因此，传统的ATP系统的各项性能难以满足无人机量子通信的实际需求。同时，无人机的负载能力又限制了跟踪瞄准系统的重量、体积与功耗。针对这些问题，本项目开发的跟踪瞄准系统，革新性的通过小型化轻量化设计大幅降低系统体积与重量；结合高性能转台及多级伺服系统的软硬件的开发来满足无人机高机动状态下的跟瞄需求；通过系统封装等方式将环境变化对系统性能带来的影响降到最低。通过跟踪瞄准系统的设计，提升了系统内的各项光学、电学元件的性能，实现了光信号在自由空间近衍射极限的准直输出，最终研制出耦合效率高、响应速度快、响应范围大的满足无人机实际应用需求的小型化跟踪瞄准系统。创新性：本项目开发的轻量化、快速、高精度跟踪瞄准技术，首次针对无人机平台的运动特点进行了大动态范围、高精度、高带宽的多级APT系统的研发，填补了相关领域的研究空白（“从0到1”的创新）。在本项目中，首次针对无人机运动姿态变化快、云台与无人机姿态角不一致的特点，进行自动化大动态范围的初始捕获系统的研发，能够满足高机动场景下的目标捕获和再次捕获需求。同时，通过光学跟瞄系统的滤波原理创新和伺服系统的硬件集成化创新，实现了整套跟瞄系统的轻量化，这是无人机载光通信最终实现的关键。

其他说明

商业化概述 (市场前景): 产品可应用于消费级无人机视频数据传输、运营商遂行应急通信任务，国家电网、公安、消防、测绘的巡查监控，面向诸如军事应用的特定领域需求的机载光量子通信和量子密钥分发等领域。

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