阵列探测技术在激光测距中的应用

高精度的空间碎片观测数据对航天器碰撞预警具有重要意义,激光测距技术是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术,但大多数空间碎片上并未携带角反射器装置,激光测距回波信号较弱。阵列探测技术可以提高回波信号较弱的空间碎片激光测距探测成功概率,中国科学院云南天文台2015年开始开展基于阵列探测技术的激光测距试验,2017年成功将阵列超导纳米线单光子探测器和多通道事件计时器等阵列探测技术应用于激光测距试验系统中,分别在2017年3月和2018年3月的激光测距试验中,成功采集2×2和4×4阵列激光测距数据。其中探测到最小目标为轨道高度约1 000 km、大小为雷达截面（Radar Cross Section,RCS ） 0.045 m2的空间碎片;探测到最远目标为斜距约5 000 km、大小为RCS 18.25 m2的空间碎片。     

53 cm双筒望远镜高重频空间碎片激光测距系统

空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁,同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨,从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距,研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜,然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术,在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程,分析研究系统的空间碎片探测能力,当碎片距离为1 000 km时,能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明:该激光测距系统具有探测米级空间碎片（约1 000 km远）的能力。     

地基激光测距系统观测空间碎片及其探测能力研究

空间碎片高精度测量是提升碎片目标精密监测与预警的重要途径。作为空间碎片地基光电探测技术,激光测距具有高精度测量特性。根据空间碎片激光测距特点以及瞄准国际技术发展,研制高性能高功率激光器、突破高效率激光信号探测等,国内首先建立了60 cm口径空间碎片激光测距系统,实现了碎片目标测量距离从500~2 600 km,目标截面积从小于0.5 m2到大于10 m2,具备了空间碎片常规测量能力。根据空间碎片激光测距方程,结合实际激光回波数据,综合考虑空间碎片过境时段等,构建了地基激光测距系统探测仿真模型,研究了60 cm口径空间碎片激光测距系统探测能力,可对距离1 000 km、直径大于50 cm碎片目标进行观测,与实际测量结果相符,验证了仿真模型的合理性,为未来地基激光测距系统高效运行及测量装备建设与探测效能评估奠定了基础。     

白天空间目标激光测距微弱信号探测方法

白天空间目标激光测距数据有助于提高空间目标定轨精度,在航天科研方面具有重要应用价值。白天天空背景较亮,激光测距回波信号一般很弱,从较强背景光中识别出微弱的空间目标激光回波信号十分困难。针对白天空间目标激光测距微弱信号探测技术难题,从白天天空背景噪声影响估算入手,计算了不同探测阈值情况下的测距虚警率,分析了白天激光测距距离门宽与探测阈值的关系,给出了白天对空间目标激光测距的回波信号探测阈值,提出了基于多光子探测器的白天激光测距微弱信号探测方法,并对其可行性进行了实验验证,该研究成果可应用于白天空间目标激光测距系统设计及新型激光测距系统发展研究等方面。     

空间碎片激光测距应用研究

空间碎片的存在使空间环境日益恶化,已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先,概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次,在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上,研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法,仿真计算结果表明,该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后,提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法,并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性,为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。     

空间碎片漫反射激光测距试验

空间碎片的存在严重影响了在轨航天器的安全,国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究,利用漫反射激光测距技术对空间碎片进行探测是一个新的发展趋势。根据空间碎片漫反射激光测距的特点以及国内外漫反射激光测距技术的发展趋势和现状,研究了云南天文台的空间碎片漫反射激光测距系统。分析了云南天文台进行空间碎片漫反射激光测距探测成功的概率以及该技术所需要具备的系统组成和关键技术,并通过空间碎片漫反射激光测距实测试验方法验证了该技术的可行性。实测数据结果表明空间碎片漫反射激光测距精度为50~250 cm。     

激光主动探测系统中APD的探测性能分析

根据“猫眼”目标和漫反射目标的回波能量公式及高斯概率分布,推导了APD用于“猫眼”目标探测的虚警概率和探测概率公式,以此为基础,通过数值分析的方法研究了“猫眼”目标离焦量、探测距离对APD信噪比的影响;仿真了阈噪比对APD虚警概率的影响曲线,选定了合适的阈噪比。在选定阈噪比的基础上,分析了不同探测阈值下APD的探测性能,同时研究了离焦量、激光发散角对探测概率的影响。结果表明：APD的信噪比和探测概率随离焦量和探测距离的增大而减小,压缩激光发散角可提高APD探测概率,对不同距离上的目标进行探测时选择不同的探测阈值可有效提高APD探测性能。     

基于超导探测器的白天卫星激光测距试验与研究

超导纳米线单光子探测器是一种新型的单光子探测器,灵敏度高、暗计数低且可工作于恒流模式,对1064 nm波长激光具有较高的探测效率。将该探测器应用于夜间卫星和空间碎片激光测距试验,获得了较好的观测结果。为了使超导探测器的优点在空间目标激光测距中得到充分的应用,通过卫星白天激光测距观测试验以及对白天天空背景光实际响应输出测量等方法,研究分析了超导探测器应用于白天激光测距的可行性。在日落前测到了约20 000 km距离的导航卫星glonass134以及低轨卫星hy2a;实际白天天空背景光测量时,单光子超导探测器最高计数输出可达到约2 MHz。结果表明,使用超导单光子探测器作为回波探测器可实现高性能和高效率的白天激光测距系统。     

光束入射角对角锥合作目标激光测距的影响

为了掌握光束入射角对角锥合作目标激光测距接收功率的影响规律,分析了光束入射角和角锥棱镜反射器有效反射面积的关系,利用有效反射面积推导了角锥棱镜反射器的激光雷达横截面(LRCS)随光束入射角变化的理论公式,进而得到激光测距系统接收功率随光束入射角变化的规律。理论分析及仿真结果表明,接收功率随入射角增大而减小,在最大允许入射角处发生突变,并且角锥反射器的最大允许入射角理论值为±54.74°。     

用于机载远程测距的单光子探测关键技术仿真研究

机载微脉冲激光测距是一种新体制的激光测距技术,通过采用单光子回波探测来实现远程测距。针对机载远程测距的应用需求,对激光回波信号、背景光特性进行了理论研究和数值计算,并完成了设计参数的仿真优化。将空间滤波和光谱滤波组合使用,有效地抑制了背景光噪声,实现了100 km的远程测距;通过双通道分光,大幅度提高了测距的动态范围,将测距盲区减小到500 m。实验表明,微脉冲激光测距系统能够有效探测500 m~100 km距离内的目标回波,探测概率PD不小于96%,虚警率PFA不大于0.3%。     

空间目标激光测距技术发展现状及趋势

激光测距技术是空间目标轨道测定精度最高的手段,有利于实现空间目标高精度测量和监测,提高目标轨道预报精度和航天器机动规避能力。本文介绍了国内外漫反射激光测距技术、空间碎片激光烧融项目及一发两收测距技术的研究进展,提出了提高激光器功率、高重频测距、白天测距技术、发展阵列探测器等关键技术的发展趋势以及在碎片清除领域的应用前景。     

基于阵列探测技术的激光测距数据预处理方法

阵列探测技术对回波信号及其微弱的空间碎片激光测距系统具有重要意义,可提高探测成功概率。针对这一崭新的激光测距技术,文中研究了基于阵列探测技术的激光测距数据预处理方法。在常规卫星激光测距数据预处理方法基础上,针对阵列超导探测器特点,结合地靶测量方法和多高斯拟合及互相关分析方法,实现了多通道激光测距数据的通道间的时间偏差修正;利用泊松统计分析、循环拟合滤波等方法,实现了多通道激光测距数据的自动识别、数据拟合等。目前该方法已经成功应用于中国科学院云南天文台4×4阵列激光测距试验平台试验中,并获得良好的效果。     

基于近红外小功率卫星激光测距研究

为分析天琴计划激光测距台站卫星激光测距探测能力,设置单脉冲能量（平均功率）分别为0.15 mJ（0.015 W）,0.4 mJ（0.04 W）和4 mJ（0.4 W）对同步轨道卫星qzs2、compass i3和compass i5分别于夜晚和白天进行激光测距实验。理论方面,分析了白天天光背景噪声强度,并结合雷达方程计算了不同平均功率条件下卫星激光测距的有效回波率,重点分析了平均功率对卫星激光测距探测能力的影响。实验方面,固定望远镜俯仰角（E=50°）,旋转望远镜测量不同指向时的天光背景噪声强度。采用探测效率为60%（@1064 nm）的超导探测器阵列,并结合空间滤波、时间滤波和光谱滤波的方法抑制背景噪声,开展了小功率白天卫星激光测距。分析得到,白天对同步卫星激光测距的最小功率为0.04 W,夜晚对同步卫星激光测距的最小功率为0.015 W。天琴计划激光测距台站已具备白天和夜晚全时段常规卫星激光测距能力,将为今后天琴计划引力波探测卫星全时段激光测距奠定基础。     

摆镜在1.2 m望远镜激光测距接收系统中的应用分析

在月球激光测距与空间目标白天激光测距中，强烈的背景噪声会大幅降低测距成功率，在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统的接收光路中加入可调视场光阑，通过改变视场光阑孔径大小来调整接收视场，可减少背景噪声。但受到速度光行差等因素的影响，在接收视场减小到几个角秒时，回波会被光阑挡住无法通过，探测器接收不到回波信号。为解决这一问题，提出在视场光阑前加入二维偏转摆镜的方法，控制摆镜偏转使偏离的回波通过光阑中心被探测器正常接收。以高轨卫星和同步轨道卫星为目标，测量了回波信号偏离视场中心的角度值，并仿真分析了使用摆镜校正偏离角度值的效果。结果表明，该方法可以在小视场激光测距时快速高精度校正回波信号，可为满月时月球激光测距与空间目标白天激光测距提供支持。     

西北地区天空背景测量与分析

利用天空背景测量设备测量了西北地区的天空背景亮度,给出了该地区典型时刻的全天空背景亮度等值线分布,并进行了对应的背景光谱亮度比重分析;基于MODTRAN软件进行了对应时刻的天空背景亮度模拟计算,进行了比对分析。分析结果表明:西北地区的背景光谱分布相对于理论分布来说变化较缓,白天对空间目标观测采用窄带滤波能有效提高光电系统的探测能力;MODTRAN软件模拟计算的天空背景亮度在偏离太阳方向与该地区实测数据基本吻合,随着天顶角的减小误差也在减小,但在靠近太阳位置存在一定差距。     

基于星载激光测高仪多模式回波的激光测距修正值分析

星载激光测高仪多模式回波是由多个目标产生的子脉冲组合而成。根据多模式目标的空间分布特点,采用倾斜角、区域面积、中心位置和高度等参数实现其子目标的几何化建模,结合目标响应函数的基本定义,利用线积分的方式构建了子目标响应函数的表达形式。同时,基于一阶矩理论推导出子目标激光测距真值及其修正值的数学模型。以星载激光测高仪GLAS系统参数为输入,利用数值分析的方法,模拟出子目标倾斜角、面积和位置对接收脉冲回波形态和激光测距修正值的影响。结果表明,随着子目标倾斜角、区域面积和子目标偏离光斑中心距离的增加,激光测距修正值也逐渐增大。针对平坦目标、缓坡目标和陡坡目标,其激光测距修正值分别达到1.33 m、4.98 m和12.07 m,其影响程度非常大。基于激光测距修正值的分布规律,以子目标倾斜角、面积和中心偏距为变量,采用线性函数描述了激光测距修正值的理论表达形式,所得结论对于提升多模式激光测距值的测量精度具有重要的指导作用。     

基于摆镜技术提高测距成功概率的方法研究

深空激光测距受距离遥远、大气损耗等因素影响,地面站接收到的回波光子数非常稀少,因此,研究增加回波光子数的方法对提高系统测距成功概率具有重要的意义。文中在云南天文台1.2 m望远镜激光测距系统发射光路中增加摆镜,通过快速高精度控制激光光束传播方向的方法搜索回波光子数较多的指向位置。首先设计了摆镜扫描系统,然后对系统进行仿真分析,模拟系统出射光束偏转角度和能量分布随摆镜偏转角度的变化情况以及利用摆镜进行搜索的效果,最后对测距卫星进行实际观测试验。测量得到系统使用的二维摆镜的最小分辨率为0.2″,经激光发射系统扩束后,可以实现最小0.005″的搜索步长,控制频率在100 Hz以上。实际观测结果表明,使用摆镜提高回波率的方法是有效的,并且目标轨道高度越高效果越明显,因此可应用于深空目标激光测距系统。     

近红外多视场白天测星分析

近红外多视场恒星探测系统采用3个探测器同时进行恒星探测,分析了近红外波段白天恒星-背景对比度随探测参数的变化情况,对不同视场对比度进行对比,结果表明:随着探测天顶角的增大,恒星-背景对比度呈线性增大;太阳天顶角大于探测器天顶角以后,恒星-背景对比度随太阳天顶角近似于指数增长;一定高度时,对比度随探测器高度的增加近似指数增加;而随着探测方位角的增大,恒星-背景对比度呈高斯分布;三个视场内同一时刻的背景辐射比在主视场0探测方位角时达到最小,探测到的恒星-背景对比度随主视场探测方位角变化呈对称分布,为星等修正奠定较好的基础。     

双基地空间碎片探测系统工作频率分析

利用射电望远镜与雷达构成双基地系统是一种探测LEO轨道空间碎片有效手段。该系统充分发挥射电望远镜探测灵敏度高的特点,提高地基监测系统的空间碎片的探测能力。对基于大口径射电望远镜构成的双基地空间碎片探测系统进行了介绍,分析了基于射电望远镜的双基地探测系统的工作频率对探测性能的影响,针对特定尺寸小碎片目标的探测距离以及在目标距离范围内系统对小碎片的探测能力分别进行了仿真实验。文中所作的研究为国内利用射电望远镜建设小碎片监测系统提供了参考。     

基于氧气光谱吸收的被动测距中无云天空背景辐射特性研究

氧气吸收率是利用氧气A 吸收带进行被动测距技术计算的核心,将包含氧气A 吸收带在内的无云天空背景辐射和黑体辐射作为研究对象,利用CART 软件模拟计算了不同观测天顶角、不同时段、不同太阳天顶角的无云天空背景氧气吸收率分布,并与不同观测天顶角、不同距离下的黑体辐射氧气吸收率进行了比较分析,结果表明:当探测距离大于3 km 时,黑体辐射的氧气吸收率大于无云天空背景辐射氧气吸收率,所以根据不同观测条件设置被动测距的氧气吸收率阈值,可提高对目标的探测概率,降低背景辐射对被动测距的影响。