卫星激光测距数据处理算法的研究进展

简述了卫星激光测距系统研究背景和发展现状,阐述了数据处理算法在卫星激光测距技术中的重要地位和作用,重点介绍了当前国际上普遍采用的一些数据处理算法的发展应用情况以及一些先进的数据处理算法的研究进展,包括屏幕处理技术、泊松统计滤波算法、相关检测算法等.最后展望了卫星激光测距技术及其数据处理算法的发展方向.     

高自动化卫星激光测距系统研究与设计

卫星激光测距(SLR)技术因测量精度高而广泛应用,但由于涉及多门学科领域使得系统复杂,制约了自动化水平提高,影响着该技术的发展和推广应用。基于上海天文台SLR系统平台,分析了SLR的操作流程,提出光学系统、伺服系统、控制系统及远程监控管理系统等自动化发展方向,设计了角秒级精度光束指向瞄准方法,研制了精度为1″的小型化伺服控制系统,实现了观测模式的快速切换,并搭建远程监控管理系统,使整个SLR系统的自动化能力得到提高,减少了人力操作,提高了观测效率。应用上述研究成果,在国内成功进行了SLR的远程控制实验,实现了SLR系统的异地操作和监控,为SLR的全自动化及远程控制应用奠定了技术基础。     

SLR系统地靶数值仿真及数据处理

地靶测量是获取SLR系统时延值、校准系统误差的重要手段,对提高系统测距精度具有重要意义。基于SLR系统地靶测量原理,采用蒙特卡洛方法,建立了地靶测距模型,实现了SLR地靶测距仿真。同时,从噪声的角度出发,提出了一种自适应噪声相关性匹配(ANCM)算法对地靶测距数据进行去噪,利用短时静态实测背景噪声和随机噪声阈值构建了回波噪声模板,结合SLR地靶数值仿真模型产生的模拟测距数据,通过优化回波选取区间、算法迭代次数等参数,完成了地靶有效信号的提取。与传统地靶数据处理算法相比,利用ANCM算法得到的中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站SLR地靶数据有效点数增加了30%以上,数据处理精度提高2倍左右,数据处理的效率得到明显改善,为准确地获取SLR系统时延值提供了新的思路。     

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。     

科技简讯

中国高精度人造卫星激光测距仪将运抵阿根廷用于中国与阿根廷之间开展天文国际合作的重要仪器———第3代高精度人造卫星激光测距仪(SLR)日前已交付天津港,运往阿根廷。这架SLR将是第1个设在境外但产权属中国的中型天文仪器。这架具有60cm口径望远镜、重达6吨的第3代高精度SLR是于2003年完成并进行了试观测,其观测资料被送往国际激光测距服务数据处理中心并进行了处理,结果良好。2004年1月,通过专家组验收,认为测程(300km至20000km)和测距精度(优于1.5cm)等主要指标达到了国际激光测距服务的标准。据介绍,圣胡安大学在阿根廷国家科技部…     

产业动态

我国卫星激光测距取得新突破技术达国际领先水平 8月26日，中国科学院长春分院宣布，中科院国家天文台长春人造卫星观测站在国内首次实现白天千赫兹卫星激光测距（SLR），技术达到国际领先水平。     

运动条件下光子计数激光测距系统点云数据的处理

研究了运动条件下光子计数激光测距系统的探测机制,分析了该系统在数据处理中涉及到的回波光子信号的统计特性、探测概率等理论问题。针对运动条件下的测距背景,根据该系统的回波信号特点,基于Matlab产生了符合统计分布规律的包含目标回波和噪声回波的仿真信号。在对泊松滤波算法等传统数据处理算法进行研究的基础上,提出了一种改进的基于栅格滤波的算法,并利用该算法对仿真回波数据进行了处理,最终有效滤除了随机分布于整个探测空间的噪声信号,获得了目标的运动轨迹。与传统的数据处理算法相比,该算法对运动条件下的光子计数激光测距数据具有良好的处理效果。     

1064 nm波段白天背景噪声分析及应用研究

卫星激光测距(SLR)是目前卫星单点距离测量精度最高的技术,已成为高精度测量领域不可或缺的手段。国际上大多数SLR台站采用532 nm的工作波长,在白天测距中存在天空背景噪声大、有效回波识别困难等问题,影响了台站的白天测距数据产出。鉴于白天1064 nm 波段天空背景亮度低,理论上对比分析计算了1064 nm波段与532 nm波段的系统噪声强度。并在晴好白天开展了1064 nm波段的噪声测量,并与532 nm波段的测距系统噪声进行了比较,数据结果与理论分析基本一致。在此基础上,开展了晨昏时段的1064 nm卫星激光测距实验,并获得了多圈次卫星的有效回波数据,为1064 nm的白天卫星激光测距打下了技术基础。     

卫星激光测距系统皮秒准确度时延标定研究及应用EI北大核心CSCD

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)以脉冲激光为媒介获取卫星的精确距离,是空间大地测量技术中准确度最高的手段。在传统卫星激光测距系统中,通过测量已知距离的固定靶目标实现系统总时延的标定,对获取单向发射或接收时延的研究较少,这制约了卫星激光测距在激光时间比对、多台站协同测距及行星际激光测距等方面的应用。文中开展皮秒准确度时延标定方法的研究,首先,分析了卫星激光测距系统的时延组成及影响因素;其次,以中国科学院上海天文台卫星激光测距系统为平台,开展电学、光学和光电转换等时延的高精度测量,并将各部分时延组合完成收发时延的标定;最后,分析发射和接收时延标定的准确度,并将时延标定方法应用于地靶距离偏差的校验,验证时延标定方法的可行性。结果表明,发射和接收时延标定的准确度分别优于11 ps和13 ps,地靶距离偏差与国际激光测距组织(ILRS)反馈值相差仅11 ps。     

导航卫星白天激光测距实现方法分析

实现对导航卫星的白天激光测距对增加观测弧段和高精度轨道评估数据量有重要意义。本文分析了针对中高轨道和地球同步轨道导航卫星实现白天激光测距的技术难点,介绍了白天卫星激光测距的噪声抑制和信号识别技术。针对卫星导航系统应用．详述了导航卫星白天激光测距实现方法及初步测量结果．并探讨了提高导航卫星白天激光测距能力的改进方法。     

非线性激光制造的进展与应用（特邀）

超快激光是指脉冲宽度极窄的激光,其瞬时功率极高,与物质之间的相互作用呈现出非线性、非平衡、多尺度的状态。超快激光具有超快（脉冲持续时间短）、超强（瞬时功率高）、超精细（加工结构精细）等特点,由此实现的非线性激光制造技术可以打破传统微纳制造的局限,实现各类难加工材料和复杂微纳结构的超精细制造,精度可达亚微米至纳米量级,在微光学、生物医学、智能电子器件等前沿领域体现出了独特的应用价值。文中主要聚焦飞秒激光微纳加工技术前沿,简要概括了飞秒激光加工的特点;介绍了飞秒激光加工的主要技术手段,包括飞秒激光直写和飞秒激光并行加工;讨论了飞秒激光加工技术的前沿应用领域,如微纳光学器件、微流体器件、多功能结构化表面、生物医学工程等;最后,对飞秒激光加工制造技术未来的发展趋势和研究方向进行展望。     

导航卫星激光反射器技术发展综述

卫星激光角反射器(laser retro-reflector,LRR)作为SLR系统空间载荷部分,装载在卫星表面,其作用是增强星体目标对激光信号的反射率,实现星地距离的精密测距。导航卫星激光反射器是星载激光反射器应用的一个主要分支,本文主要就导航卫星激光反射器国内外技术发展现状、光机设计主要问题、未来趋势和研究方向进行了扼要的评述、讨论和展望;所叙述的内容对其他类型激光反射器的设计同样有借鉴作用。     

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。     

Ajisai Spin Parameter Determination Using Graz Kilohertz Satellite Laser Ranging Data

The spin rate and direction of the spherical satellite Ajisai and its slowdown between October 2003 and June 2005 were determined using Graz full-rate kilohertz satellite laser ranging (SLR) data. The high density of the kilohertz data results in a precise scanning of the satellite's retroreflector panel orientation during the spin motion. Applying spectral analysis methods, the resulting frequencies allow the identification of the arrangement of the involved laser retroreflector panels at any instant in time during the pass. Using this method, the spin rate with a high accuracy (a root mean square of 4.03times10^-4 Hz) and the slowdown of the spin rate during the investigated period with a magnitude of 0.0077497 Hz/year were calculated. These results were obtained in near real time from automatically performed analysis procedures during routine SLR tracking, i.e., day and night observations without any additional hardware     

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。     

卫星激光测距系统中图像处理子系统设计

为了提高卫星激光测距系统的自动化程度,设计了一套用于卫星激光测距系统的图像处理子系统。本子系统通过图像处理手段,解算出激光束光尖和卫星位置,并将位置偏差反馈给控制计算机,用以调整激光束的出光方向和修正预报偏差。首先给出了该系统的软硬件框架和实现流程;然后重点介绍了图像处理部分算法;最后结合实际观测对系统进行性能验证,结果表明本系统功能正常,稳定可靠,在一定程度上提高了激光测距系统的精度和实时性。     

机场泊位引导系统的发展现状及关键技术分析

介绍了机场泊位引导系统的发展现状,对当前国外研发生产的几款设备以及科研专利中的实现方法进行了系统比较,并对其发展趋势进行了展望。概述了基于三维激光扫描技术泊位引导系统的结构组成和工作原理。在总结对比泊位系统中激光扫描单元与成品三维激光扫描仪多种差别的基础上,论述了脉冲激光测距和双振镜扫描在泊位系统应用中的设计要求,针对容易产生误差的环节,提出了相应的校正方法,同时介绍了点云数据处理流程和算法设计要点。