卫星激光测距中光束亮度的偏振影响及应用

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)常利用激光大气后向散射所形成的图像来引导光束指向,而光束图像亮度随天区变化的现象在SLR站普遍存在,影响了激光对卫星的瞄准。以中国科学院上海天文台现有SLR系统为研究平台,阐明了该现象的成因,即光束图像成像光路中分光镜的效率会随偏振方向改变而变化。据此提出偏振方法,通过建立出射激光偏振方向随望远镜位置变化模型,改变发射光路中新引入半波片的角度,实现了光束图像于不同亮度的实时控制。相比使用消偏振分光镜的方案,该方法具有应用灵活、系统简单且成本低的优势,研究成果在提高激光对卫星的瞄准精度及星象图像信噪比等方面具有重要意义。     

库德光路的五棱镜安装方法

为实现库德光路的快速高精度装调,提供了一种基于自准直原理的五棱镜安装方法,给出了库德光路的原理和安装方法,并对组装后的库德光路进行误差分析。得出应用此方法安装库德光路的光学静态误差在15″以内,满足一般库德光路的技术要求。因此,此方法不仅可以适用于库德光路,对反射镜的安装也有一定的借鉴和参考。     

基于CCD的激光测距机光轴平行性检测

提出了一种利用CCD器件检测激光测距机光轴平行性的方法,利用CCD和图像采集卡组成的图像采集系统对激光测距机瞄准系统十字分划像和发射的激光光斑进行采集,通过图像处理技术对采集到的图像进行处理,并确定激光光斑中心和十字分划中心坐标,即可获得激光测距机的光轴平行性误差.该方法能够实时、定量地检测光轴偏差,检测精度高,操作简单,有效地解决了传统方法只能定性地估算误差,人眼主观判断误差较大等问题.     

一种用于高精确度双框架伺服系统的标定方法

为实现对空间动态目标的稳定跟踪，介绍了一种高精确度双框架结构伺服系统，通过标定提高了其指向精确度。利用旋转变压器作为角度位置传感器，通过激光测距机和相机实现远场目标的稳定跟踪。利用高精确度单轴转台、激光测距机和平面反射镜对伺服系统双框架指向精确度进行标定实验测量。针对伺服系统几何误差，对获得的采样数据进行分段直线拟合，并写入控制程序。对测量数据进行分段检索定位，通过拟合直线参数对数据进行修正。实验结果表明，标定后的双框架伺服系统指向精确度优于16"，可有效提高伺服系统指向精确度。     

单脉冲雷达系统误差特性与分离方法研究

新体制下靶场配备的单脉冲测量雷达系统误差难以满足精度指标要求.文中通过对大量实验数据的分析和研究,提出了系统误差特性分析与回归分析相结合的脉冲雷达误差分离方法.首先,利用误差影响函数,定性分析测量误差模型中各种误差成分;然后,通过模型辨识理论和回归分析方法分离系统误差.用该方法对实测数据进行误差分离,结果表明,该方法能较好地分离出残留误差成分,为设备查找问题提供充分依据,同时有效提高了数据处理结果的精度.     

阵列光束棱镜扫描光束指向及点云精度分析

在面阵扫描成像激光雷达中，阵列光束照明与棱镜扫描相结合实现了高能量利用率、高分辨率和宽探测视场，但阵列子光束倾斜入射棱镜，破坏了光束传输的旋转对称性，棱镜对子光束偏转能力存在差异，规则光束阵列产生了形状畸变，导致光束指向误差，影响点云位置精度。首先，将阵列光束与棱镜结合的圆锥扫描方式分解为多角度入射多波束并行扫描，通过所有子光束的传输特征来综合表征阵列光束传输特征；然后，采用三维矢量光学方法推导了阵列光束在棱镜中的传输过程，建立了子光束指向变化与棱镜扫描角度的关系；最后，通过对机载激光雷达棱镜扫描成像过程的数值仿真，建立了光束指向变化与点云数据质量的联系。仿真结果表明：阵列光束(3×3)棱镜扫描系统在航高0.5 km时，光束阵列畸变导致平面误差RMS约为5 cm，并随航高呈线性变化；斜率约为0.1 m/km，并随着阵列光束规模和子光束角间距增加点云平面精度随之下降。通过对棱镜扫描过程中光束阵列畸变规律掌握，为后续机载飞行试验数据的校正、阵列光束结合多棱镜扫描系统的设计提供了基础。     

1 064 nm波长白天卫星激光测距试验

1 064 nm波长大气透过率高、天空背景辐射小,采用该波长激光开展卫星测距,有助于提升测距系统的探测能力,已成为国际测距技术的重要发展趋势之一。采用2.2 nm窄带滤光片,计算并测试了白天情况下1 064 nm波长测距系统的噪声,验证了该滤光片在白天对背景噪声的抑制效果。基于圆心光路调节方法,夜间借助红外相机实现了1 064 nm波长激光发射光路与机械轴的重合度调节,保证了全天区优于5″的激光指向精度,解决了白天观测条件下1 064 nm波长激光精确指向问题。采用重复频率为1 kHz、功率为5 W的1 064 nm激光器,建立了1 064 nm波长白天卫星激光测距试验系统,最远获得了地球同步轨道卫星的有效回波数据,实现了1 064 nm波长白天激光测距。试验研究将为我国1 064 nm在远距离卫星激光测距、空间碎片漫反射激光测距方面的应用与发展奠定了技术基础。     

基于图像处理的激光指向误差修正技术方法研究

为了进一步提高卫星激光测距系统中激光指向修正的效率,提出了一种优化的用于激光指向的图像处理算法实现方案。针对实拍的CCD图像,利用拉东变换的方式对图像中的散射光尖点进行精确定位,采用带阈值的质心法提取目标卫星质心,将解算出的光尖点与卫星点的位置偏差转换为望远镜指向的弧度偏差,反馈至激光指向控制系统中,形成了有效的闭环控制。目前,该方案已成功应用于乌鲁木齐气象卫星站内的地基激光定位系统中,实现了在线实时修正激光指向误差,并将指向精度控制在2弧秒以内。     

激光与经纬仪高精准对接技术

激光发射系统中激光与经纬仪高精准对接保证了激光的高精度定向发射,针对激光器与经纬仪机下对接方式,从理论上建立整体坐标系下基于库德光路传导激光的库德镜空间归一化模型,精确标定激光在各库德镜空间中的位置及其变化,通过该模型提出内场分级、外场秒级的激光与经纬仪高精准对接技术,结合某长波激光发射系统进行实验验证,可实现激光与经纬仪2以内高效精准对接,从工程上验证了该技术的正确性和实用性,为该类型激光对接提供了技术支撑。     

基于Levenberg-Marquardt算法的旋转双棱镜指向偏差修正

针对旋转双棱镜系统指向误差较大、误差源较多等指向精度较差的问题,提出了一种新的旋转双棱镜指向偏差修正方案。采用非近轴光线追迹方法建立旋转双棱镜指向模型和二维转台指向模型,在全视场区域内均匀选取若干点,比较旋转双棱镜理论出射光束与实际出射光束的偏差,通过Levenberg-Marquardt迭代算法对旋转双棱镜前镜和后镜的转角误差、楔角和折射率进行修正。在整个视场区域内修正后,指向最大偏差由8.37 mrad变为3.75 mrad,平均指向偏差由4.00 mrad变为1.38 mrad,并且当俯仰角较小时,修正效果较好;在俯仰角小于15°的视场区域进行单独修正后,最大指向偏差变为1.51 mrad,平均偏差变为0.84 mrad。所提修正方法提高了旋转双棱镜的指向精度,对旋转双棱镜指向偏差的补偿修正具有一定的参考价值。     

手持激光测距仪的光路设计

介绍了手持激光测距仪的光路设计,该光学系统由激光发射、瞄准和激光接收光路等组成,采用短焦距、小孔径、二合一光路布局。重点研究了激光测距仪测距能力的估算及有关参数的确定．测距仪观察光路设计及像差,激光发散光路和激光接收光路设计。该手持式激光测距仪系统具有体积小、重量轻、测程远、操作简便、测距误差小、密封性能好、可靠性高等特点。     

中波红外激光器的光束指向红外图像检测法

由于中波红外(3～5μm)探测器在军事上的广泛应用,基于中波红外激光器的定向红外发射装置已经成为发展的重点,而其中的激光束指向稳定性就成为非常重要的参数。对于一种光学参量振荡(OPO)产生的中波红外激光器进行了指向稳定性的测试,测试采用了中波红外成像系统及边缘提取与阈值的图像算法,获得了此种激光器的指向稳定性数据。实验结果表明,此激光器在常温下的最大指向偏移量为1.1mrad,平均值为0.3mrad。激光二极管(LD)抽运源晶体及非线性OPO晶体的温控还有进一步提高的可能性。研究结果将为中波红外激光器的研制、光束整形与光束指向测量与稳定技术提供参考。     

基于四象限探测器的监视对准实验

激光束的空间稳定性是激光系统非常重要的指标,要保持激光束的空间稳定性就必须先对激光束的指向进行监测.本文采用四象限设备作为532 nm半导体激光指向的监测设备,它可以快速响应光斑的中心位置.实验测量了激光束自身的漂移抖动量,然后利用转台和透镜组合标定了3个角度的指向误差.实验结 果表明,激光束的漂移抖动最大值为3...     

一种自由空间光通信光路的设计与分析

提出了一种用于自由空间光通信的光学系统的设计方法,在这种设计方法中通过卡塞格伦天线实现对激光束的准直,通过偏振分光镜和γ/2波片的巧妙使用来减少杂散光和反射光对信号光的干扰,通过对光学系统的自动跟踪控制消除了通信终端的失准问题。分析和实验表明,基于该光学系统的通信终端激光发散角达到0.4 mrad,对准误差小于6μrad,可实现2 km的自由空间光通信。     

ICF装置光束定位的结构稳定性设计

激光驱动ICF装置的甚多束激光在打靶过程中需要高精度定位于靶面,这就要求可以改变光束着靶点位置的光学元件满足定位误差指标要求。首先介绍光束定位误差分解方法,在光束对准过程中和打靶前,在多源激励作用下能改变光束着靶点位置的光学元件需要评估其支撑系统的稳定性设计,发展了光学元件稳定性指标分解方法用于其支撑系统的稳定性评估。从基频、环境随机振动、模态阻尼的角度讨论了支撑系统振动稳定性设计思路。光学元件的通用支撑系统采用大而重的钢筋混凝土和钢结构的混合结构,钢筋混凝土保证光学元件稳定性的同时,钢结构提供结构设计的灵活性。采用有限元技术分析光学元件在宽频环境随机振动作用下的响应,评估支撑系统的振动稳定性设计。描述了神光Ⅲ宽频环境随机振动和光束定位误差的测量,测量结果表明神光Ⅲ支撑系统满足设计要求,该技术能应用于激光驱动ICF装置支撑系统的设计。     

一种共光路自动对准系统

强激光发射装置和光电跟踪系统中,光学器件多,光路复杂,光学机械零件位置的相对移动会使光轴平行度偏离,为此提出一种共光路自动对准系统.基于对准原理,利用激光发射光路,建立上、下行基准光束,使之分别与系统轴系、出射激光平行,并且通过自准直CCD测角仪测出上、下行光路的角偏差值,控制信号驱动快速控制反射镜,使快速控制反射镜两轴转动到角偏差为零值,实现发射激光与一级扩束系统对准及一级扩束系统与跟瞄系统之间的精密自动对准.实验结果表明,对准后的光轴平行度为5.21",快速控制反射镜的闭环精度不大于5".     

高精度激光动态测试技术研究

在星载激光测距仪的研制过程中,如何通过地面检测方法对 测距仪的各项性能指标进行测试,是一项重要的工作内容。根据脉冲式激光测 距仪的工作原理,设计了一套基于光电延时法的高精度动态测试系统,并对影响系 统精度的系统误差进行了分析,最终实现了对激光测距仪测距精度的测量。与传 统的测试方法相比,该方法具有模拟距离动态范围大、精度高等特点。实验结果表明,这种测试系 统的模拟距离范围可达15 m～30 km,模拟精度优于0.15 m。由于操作简易且实用性强,该系统可以满足 目前各种激光测距仪的测试需求。     

基于色散光学的光波束形成网络

为了实现大波束指向范围和精细步进调节的光波束形成网络,采用了基于光学色散实现光真延时的方法.通过光开关实现N路高色散光纤路径切换获得大步进等延时差,实现了波束指向的大范围和大步进调节;通过调谐线性啁啾光纤光栅色散系数连续调谐获得小步进等延时差,实现了波束指向的小范围和小步进调节.结果表明,波束指向角度范围为-73.74...     

高精度激光动态测试技术初探

激光测距仪在研究过程中,主要是通过地面检测方法对测距仪的性能指标等加以测试研究,在整个工作过程中也是重要的工作内容.根据激光测距仪的基本工作原理,再设计出高精度激光动态测试系统,综合分析影响高精度的误差因素等,最终能够实现对激光测距仪的精度测量.相比起传统测试方法而言,激光测距仪具有以下两种特点:其一,精度高;其二,模拟距离动态的范围比较大.研究结果表明,高精度激光动态测试系统距离范围能够达到16m~28km,模拟精度超过0.16m.高精度激光动态测试系统在操作过程中既简单又方便,除此之外,具有比较强的实用性.高精度激光动态测试系统能够满足现阶段各种激光测距仪的基本需求.