月球激光测距中的角反射器月面布置指向优化

为了进一步提高地月激光测距精度,新部署单体大孔径的激光角反射器是下一代月球角反射器的主要选择,由于单口径角反射器相比阵列式反射器面积要小,反射器指向要求更高。针对这一问题,本文在不含二面角误差的理想角反射器前提下,通过数值模拟的方法分析了角反射器的有效衍射区域随激光光束入射条件的变化规律。在忽略大气影响的简化条件下模拟了地面3个激光测月台站对新布置角反射器的观测情况,通过LevenbergMarquardt方法优化了角反射器的指向。结果表明,选择合适的指向可以将反射器有效衍射面积提高到80%以上,同时得到低纬度地面台站比高纬度台站更有利于观测的结论,提示我国应当充分利用已建成的两个低纬度激光测月台站,以期在未来地月激光测距和地月科学研究中发挥更大的作用。     

基于卫星反射器的转发式激光时间传递试验研究

基于星载曲面镜的转发式激光时间传递具有零时延、高可靠性和高准确度等优势,但由于缺少合适的卫星试验平台,该技术目前仅限于理论分析,尚未获得有效试验数据及性能评估结果。本文将相邻的两套卫星激光测距（SLR）系统作为试验台站,以激光卫星上搭载的反射器作为转发载荷,开展了转发式激光时间传递试验研究。首先,介绍了转发式激光时间传递的基本原理及理论;然后,对上海天文台SLR系统进行适应性改造,搭建了转发式激光时间传递试验系统,并开展了不同激光卫星的实测试验;最后,分析获得的时间传递结果,研究影响该技术性能的主要因素。试验结果表明：该技术可以获得优于100 ps的精度以及ns的准确度,单向工作模式可行,为转发式激光时间传递的发展提供了有力支撑。     

HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验

激光反射器作为一种被动无源光学合作目标,是人造卫星激光测距系统中的重要组成部分。对于运行在低轨卫星中的激光反射器,既要在较大的激光入射角范围提供服务,又要将角反射器阵列结构所引入的综合测距误差控制在一定范围内,以保证高精度的激光测距,因此绝大多数采用半球形阵列结构。文中以我国海洋二号卫星激光反射器为例,对半球形激光反射器的远场衍射分布、相对有效反射面积分布、距离更正误差分布和激光测距综合精度等核心技术参数进行理论分析。并以国内流动式卫星激光测距系统TROS1000对海洋二号卫星激光反射器进行追踪和激光测距实验,测量结果表明,激光测距内符合精度为1.1 cm,理论分析与实测结果相符。标志着海洋二号卫星激光反射器性能优良,这对以后激光卫星反射器的设计具有指导意义。     

试验卫星激光反射器的设计和试验

MS1和MS2试验星是我国首批设计寿命10年的中高轨导航卫星,为提高在轨精度和实现卫星精密定位,作为舱外有效载荷,两颗卫星均标配搭载了激光反射器。卫星激光反射器光学设计应考虑远场衍射等物理光学影响,不能仅考虑几何光学理论设计。以试验星反射器为例,基于角反射器光学远场衍射能量分布理论为基础,采用最大雷达截面法进行反射器尺寸优化,利用角度补偿法进行速差补偿角设计,对反射器表面加工精度、反射表面特性、切割方式等光学参数进行优化分析计算,并通过合理的机械结构和材料设计,解决了高量级力学环境、330℃高低温度交变、10年空间辐照寿命等环境适应性问题。试验星光学测试结果表明:参数设计合理,可实现远场环带能量在预定观测区域的最大化,在轨观测数据表明反射器工作正常,测距精度、测距范围等指标满足预期设计,理论设计和实践相符,这对今后同类激光反射器的设计具有借鉴和指导意义。     

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。     

北斗卫星激光反射器被国际组织确认为最佳

我国卫星激光反射器研究获得突破．中国科学院上海天文台研究员杨福民主持研制的卫星激光反射器,经过北斗二代M1卫星两年多的运行使用．证明其已达到了国际领先水平,受到国际同行的高度称赞．并被国际激光测距组织确认为目前最佳设计。     

月球激光测距观测模型的研究与应用

月球激光测距（LLR）极大推动了地月科学、月球空间基准以及引力物理的发展。为了充分利用LLR数据,依据目前广泛应用的国际地球自转服务2010(IERS 2010)规范对固体潮、海潮、大气延迟和广义相对论效应进行建模,并建立了LLR观测模型。利用该模型检核了国际激光测距服务（ILRS）提供的所有LLR观测数据,生成的月球角反射器预报文件CPF(Consolidated prediction format)支持云南天文台LLR的独立观测。将INPOP19a、DE430、EPM2017历表作为观测模型输入并检核LLR标准点数据,结果表明,相比其他历表,INPOP19a历表与实测数据更接近。     

Galileo卫星激光反射器的结构设计

卫星激光反射器的结构设计是激光反射器设计的重要内容,本文以Galileo卫星激光反射器为例,阐述了中高轨导航卫星激光反射器结构设计所需解决的问题和措施途径,包括结构总体布局、角反射器组件结构、材料设计、减振缓冲、静电防护、热控技术等;并针对航天环境载荷(结构装配、恒加速度、振动、冲击、热循环等),对激光反射器的机械和光学性能影响进行了分析、计算和讨论,以此验证结构设计的可行性;Galileo卫星实际测距效果理想进一步表明Galileo反射器结构设计的合理。     

区域观测卫星激光反射器有效反射面积的设计

卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布,进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中,地面台站只需对卫星局部天区过境观测,但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积,且对质量和尺寸有限制,需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型,并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例,给出了有效反射面积的仿真结果,并进行了实验室测试。结果表明,局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符,为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。     

美国月球激光通信演示验证——实验设计和后续发展

针对2013年9月6日美国宇航局(NASA)发射的月球大气与尘埃环境探测器飞船上进行的月球激光通信演示验证(LLCD),从实验设计和后续发展方面进行综述。实验中,飞船上的LLCD太空终端与主要的月球激光通信地面终端或与欧洲空间局的月球激光通信地面系统完成双向通信,而与美国喷气推进实验室的月球激光通信"光通信望远镜实验室"(OCTL)终端仅进行下行链路通信。LLCD系统还进行了优于厘米精度测距的双向飞行时间测量。未来NASA的激光通信中继演示验证任务将基于LLCD系统的相关设计。最后对LLCD的启示进行了讨论。     

卫星激光后向反射器结构应力对衍射能量分布影响研究

阐述了Galileo卫星激光后向反射器机械结构特性。 着重讨论了后向反射器的环境适应性设计和应力对角反射器光学性能的影响,以及相应的实验结果。     

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。     

可行的月地激光链路分析

通过对可行的不同的月地激光链路进行分析,找出各链路中所面临的关键问题,并提出相应的解决办法,为将来设计不同的月地激光通信系统提供参考。     

车轴激光清洗表面质量分析及在线评估

基于高铁转向架轮对在高级检修过程中的漆层去除需求,采用激光清洗技术对高强钢表面漆层进行去除,研究不同功率下漆膜的去除状况,分析不同清洗状态下工件表面的宏观、微观形貌及成分变化;之后,采用机器视觉技术提取工件表面状态图像并进行处理,提取出黑、白像素点的差异并将其作为特征值对工件表面的清洗状态进行判定,为高强钢表面漆层的去除提供了实用的工艺参数及检测方法。     

月球探测卫星激光高度计地面定标与性能验证技术

月球探测卫星激光高度计服务于月面三维影像获取的科学目标,在研制过程中需要对激光高度计的固定参数及系统性能进行定标与验证试验,为分析科学和应用目标实现及后期三维数据处理提供必要的参数.介绍了月球探测卫星激光高度计地面定标与性能验证技术,内容包括激光光束发散角、测距系统延迟常数、测距范围、最大测程、测距分辨率及测距不确定度,并对测试误差进行了分析.试验结果表明,激光高度计系统性能符合设计要求,可以保证月面三维影像获取的实现.     

美国月球激光通信演示验证——终端设计

2013年9月6日,美国宇航局(NASA)发射了月球大气与尘埃环境探测器(LADEE)飞船。针对LADEE上进行的月球激光通信演示验证(LLCD),从终端设计方面进行综述。LLCD系统主要包括一个安装在LADEE上的太空终端、三个地面终端以及一个协调该演示验证的地面运行中心,其中太空终端主要与一个多孔径望远镜阵列地面终端完成最高数据率为622 Mb/s的下行链路以及最高数据率为20 Mb/s的上行链路。考虑到该地面终端所在地的天气因素,又选择了两个备用地面终端,用来提供地理多样性,支持该演示验证。     

激光诱导等离子体光谱技术应用于月球探测的可行性研究

阐述了激光诱导等离子体光谱技术的物理机制,分析了气压影响激光诱导等离子体光谱探测的机制和规律,建立了低气压环境下进行激光诱导等离子体光谱探测的试验装置,开展了不同等级低气压环境下的试验研究,通过试验数据具体量化了气压对激光诱导等离子体光谱探测的影响,进而论证了激光诱导等离子体光谱技术应用于月球探测的可行性.     

Lageos卫星激光测距前沿回波数据提取模型及应用

Lageos卫星是专用地球动力学卫星,其卫星激光测距数据质量的提升对地球动力学研究具有重要意义。基于Lageos卫星激光角反射器分布,推导了不同层级角反射器回波与反射深度的关系,建立了Lageos卫星前沿回波数据提取模型,并将其应用于上海天文台卫星激光测距数据预处理,验证了该提取模型生成标准点的数据质量改善情况:内符合实验结果表明采用前沿数据提取模型生成的标准点距离参考线的标准差由337mm减小为050mm;外符合实验结果表明前沿数据提取模型处理结果经过快速精密定轨后反馈的距离偏差均值由28mm减小为21mm。因此,前沿回波数据提取模型所得标准点数据的稳定性和准确性有一定提升,为获得高质量Lageos卫星激光测距数据提供了一种有效的方法。     

用激光准直及CCD检测的小角度测量系统

为了实时提供被测目标的角位移。设计并研制出用激光准直和用ＣＣＤ摄像头检测的角度测量系统。文章叙述了由激光，ＣＣＤ及信息处理等部分的小角度测量系统的工作原理，介绍了该系统硬件结构和软件的流程图，叙述了整机的制作调试及性能，在线检测距离为４米，若使用中ＣＣＤ摄像装置，其角分辨率可以达到０．０８毫弧度。     

Fabry-Perot型告警器入射激光角度的测量

分析了Fabry-Perot型激光告警器的工作原理,讨论了F-P标准具摆动角、入射激光角度与折射角三者之间的关系,设计了计算来袭激光入射角度的方法.以波长为1.064 μm的激光为例,针对4种不同的入射角,对透射光强随摆动角的变化情况进行了模拟计算.利用处理软件,对4种来袭激光入射角度进行了模拟测量,结果表明,能够较精确地测量出来袭激光的入射角度.