高重复率卫星激光测距的关键技术及其进展

高重复率卫星激光测距技术通过采用千赫兹的发射频率获得更多的观测数据来提高测距精度,是未来卫星激光测距的发展方向.综述了国内外高重复率卫星激光测距系统采用的关键器件及技术的研究现状,并展望了系统未来的发展趋势.     

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。     

高精度事件计时器及其在卫星激光测距应用

高重复率卫星激光测距需采用事件计时方式记录激光发射和接收时刻,作为测距系统精密计时单元。本文介绍了事件计时器测量原理,以及上海天文台基于时间数字转换(TDC)和现场可编程门阵列(FPGA)所设计开发的高精度事件计时器。对该事件计时器性能进行了测试,计时精度优于10 ps,非线性误差在数皮秒内。利用上海天文台卫星激光测距系统,进行了事件计时器控制软件开发,对地面靶目标和卫星进行了观测。根据国际激光测距数据处理中心反馈,卫星测量误差达到国外同类事件计时器水平,满足卫星激光测距应用要求。     

百kHz重复频率卫星激光测距

对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析,表明单位时间内相同激光回波数,重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低;同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析,表明标准点时长内测距点数越多,SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式,解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式,使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统,以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等,采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光,收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量,近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm,远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm,为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。     

多脉冲激光的微弱信号探测能力分析研究

激光测距雷达方程分析表明,多脉冲的包络总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。由偏振分束,增加两路光的光程,再由偏振合束的方法以及根据再生放大的特性,实现单个脉冲、双脉冲、四脉冲的2 kHz重复频率及等功率的532 nm皮秒多脉冲输出,以上海天文台千赫兹卫星激光测距系统为平台,实现各多脉冲下的卫星激光测距。分析卫星回波的有效点数,以及各脉冲的回波叠加后的精度,结果表明各输出方式的有效回波点数基本接近,精度与单脉冲的误差小于1 mm,验证了多脉冲总能量与脉冲能量相等单脉冲具有相同的测距能力。多脉冲相对单脉冲能够更好地提高整个脉冲包络的能量,增大激光测距的脉冲发射能量,有利用微弱信号激光的探测。     

机载扫描激光测距精度的研究

基于高亮度,高重复频率激光源的机载扫描激光测距,是提供对地定位高程数据的一种技术手段,而高的测距精度又是定位数据满足实用要求的重要保证。本文首先根据机载遥感对地定位的发展需求,介绍机载扫描激光测距的基本原理与研究现状,接着分析机载扫描激光测距精度的范畴和影响因素,同时提出了测距精度改进的主要措施。     

异步应答激光测距技术测量精度实验

异步应答激光测距与传统反射式激光测距相比,接收激光功率仅与距离的2次方成反比,可极大地提高卫星激光测距的作用距离,并可实现星地时差测量.该技术自提出以来一直是激光测距的重点研究方向,但目前尚未应用于卫星激光测距领域.为了验证该体制的工程可行性,掌握测量精度,文中设计并开展了地面演示验证试验,利用两台地面激光器分别模拟位于地面和航天器的终端,充分模拟真实情况下的星地异步应答激光测距.结果表明:异步应答测距体制方法可行,可用于两终端之间距离和主波时差的精确测量,其测距精度介于两个测距终端对应的反射测距精度之间.     

关于机载重复率激光测距系统几个问题的探讨

本文提出了激光测距系统与机载火控系统交联的原理方案;计算了战术飞机实施激光测距所要求的激光发射功率和重复频率;探讨了提高测距概率需要采取的特殊方法;讨论了激光测距系统的几个技术关键。     

光行差对高轨卫星激光测距的影响分析

随着卫星激光测距技术的发展,高轨卫星激光测距的数据量明显提高。由于高轨卫星距离远回波弱,这就要求望远镜系统能精确地对准卫星目标才能接收到有效回波。首先分析了影响望远镜对准的光行差因素,即卫星运行的速度光行差和发射激光运行引入的光行差。文中以Glonass系列高轨卫星为例,重点研究了发射激光束运行引入的光行差偏移量,并且计算出测站测量Glonass系列卫星的光行差角偏移量为26rad。在实际高轨卫星激光测距中对Glonass系列卫星进行了数十次的测距实验验证,证明了文中对光行差影响的分析是正确的。通过文中的研究可以提高高轨卫星激光测距的捕获机率,大大提高高轨卫星观测效率。     

横向激励大气压(TEA)CO2激光测距机的脉冲编码调制

调制TEA CO2激光脉冲的尾部,TEA CO2激光测距机就可用作测距和传递信息。CO2激光测距机的这种多用性是由电光调制器进行脉冲编码调制来实现的。在双程结构中用CdTe晶体普克耳盒产生一系列重复频率为5兆赫、脉宽为100毫微秒的光脉冲。     

高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避

大气后向散射对高重复率卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重,已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程,分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响,以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台,通过试验验证了分析的合理性;据此厘清后向散射干扰产生时序,给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块,并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出,基于FPGA（Field Programmable Gate Array）完成了后向散射自动规避电路,成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中,实现了对散射的完全规避,且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%,具有很好的推广应用价值。     

高重复率激光时间比对激光发射时序精确控制

我国空间站即将首次开展高重复率（~kHz）星地激光时间比对,搭载的星载探测器拟采用固定门控开启模式,对地面激光发射时序的控制提出了高实时、高重复率和高精度等要求。基于卫星激光测距（SLR）的距离门控原理,提出高重复率激光时间比对地面激光点火信号精确产生方法,以使上行激光脉冲能在门控信号之后短时间内到达星载探测器,极大减少噪声干扰。该方法可在单片可编程门阵列FPGA中实现,具有重复率大于10 kHz、控制精度5 ns以及软件交互简单等优势,结合方法计算精度和半导体泵浦激光器的纳秒级触发抖动,预计地面激光发射时刻精度最终控制在10 ns以内,满足空间站激光时间比对激光发射时序的控制需求,并可为其他激光时间比对工程的实施提供技术支持。     

偏振调能技术对SLR数据偏差的改善研究

改善激光观测数据偏差对推动毫米级精度卫星激光测距（Satellite Laser Ranging,SLR）技术在全球大地测量观测系统中应用具有重要作用。系统时延标定误差是激光观测数据偏差产生的主要原因,其中地面靶目标测量与卫星测量时的系统差异,以及单光子探测中激光回波强度所引起的光子探测时间游动误差是主要因素。以上海天文台SLR系统为平台,对上述两种测量模式下系统时延及激光回波强度差异进行了分析和修正。利用激光偏振特性,应用半波片-偏振片组合调能技术,实现两种测量模式下光路的零差异切换以及回波强度的实时控制,有效减少光路不同和探测器时间游动效应,激光数据偏差改善了10~20 mm,达到了国际SLR数据质量标准要求。激光偏振技术也可用于高重复率激光测距的激光后向散射规避,提高激光回波数,具有很好的应用推广价值。     

锁模激光器在人卫激光测距中的应用

在人卫激光测距中,激光器的性能至关重要,它对仪器的测程和精度起着决定性的作用。本文将描述锁模激光器的结构、性能及其在人卫激光测距中的应用与发展.     

放电激励重复频率HF激光器稳定输出实验研究

在放电激励重复频率气体激光研究中,激光器重复频率运行能量稳定输出是提高其输出平均功率及其实用化的基础。利用实验室已建立的单脉冲输出能量焦耳级的放电激励重复频率脉冲HF激光装置,通过调节气体介质循环速率及优化实验条件,开展激光器重复频率运行稳定输出实验研究,获得激光器重复频率运行时能量稳定输出的最佳工作条件。研究结果表明,随着运行频率的上升,激光输出能量衰减较快;增大气体介质循环速率有利于改善放电稳定性,提高激光器重复频率运行时输出能量稳定性。当混合气体工作介质以3.5m/s的流速循环时,激光器可实现1～50Hz重复频率激光输出,在重复频率50Hz运行时稳定输出能量约130mJ,能量波动约5%。     

LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Ｑ高重频窄脉宽激光器

激光二极管（LD）泵浦的Q调制高频率、窄脉宽、高峰值功率的固体激光器在激光雷达、激光加工等领域日益得到广泛的应用，而更高调制频率的固体激光器在将来会更受青睐。分析了泵浦功率和输出透过率两个因素在10~100 kHz调制频率下对脉宽的影响程度。研制了LD单端泵浦Nd:GdVO4声光调Q 激光器，实现了重频100 kHz下窄脉宽激光输出。在重频为80 kHz时，获得脉宽17.7 ns，平均输出功率3.49 W，峰值功率2.46 kW和在重复频率为100 kHz时，获得脉宽19.6 ns，平均输出功率3.52 W，峰值功率1.79 kW的效果。     

高重复频率DPL 激光对光学薄膜元件损伤实验研究

光学薄膜的高重频激光损伤特性一直是激光薄膜研究者的重点。为了分析光学薄膜在高重频激光辐照下的损伤特性,探究其损伤机理,文中从实验出发,研究了重复频率10 kHz DPL 激光对光学薄膜元件的损伤特性。结果表明,修正膜层内的驻波场分布,降低膜层内高折射材料中的驻波场峰值可以提高高重频激光损伤阈值;从激光损伤形貌与辐照激光功率的关系上看,在高重频激光辐照下光学薄膜元件的损伤实质上是热效应和场效应共同作用下产生的微损伤累积放大所造成的。当薄膜吸收率较小时,损伤主要表现为场效应所致的微损伤累积放大,当薄膜吸收率较大时,损伤主要表现为热效应所致的微损伤累积放大。