双望远镜的空间碎片激光测距试验研究

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号,可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力,弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足,并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统,研究了双接收望远镜测距技术,在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验,验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明:1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍,双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力,在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。     

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。     

连续相干探测激光风速仪设计与测试

为实现近距离风场的精确实时观测,基于连续相干探测技术,选取人眼安全的1.55 m为工作波长,设计了一台激光风速仪。系统光路采用全光纤结构增强运行稳定性,望远镜采用同轴透射式结构,有效口径为70 mm,测量光束聚焦距离为80 m。利用A/D采集卡上板载现场可编程门阵列芯片处理大气回波信号,并设计了谱质心算法估计径向风速,提高了系统运行的精确性和实时性。长期径向风速测量结果表明,所设计激光风速仪输出信号稳定,时间分辨率为1 s,风速测量范围下限约为0.915 m/s。与一台校准过的脉冲相干测风激光雷达进行对比实验,两设备测得风速数据相关系数为0.997,标准差为0.090 m/s,最大相差0.480 m/s。     

云南天文台月球激光测距研究与实验

为了实现嫦娥四号中继星的激光测距,需要开展月球激光测距(LLR)进行技术验证。中国科学院云南天文台基于1.2m的望远镜研制了共光路LLR系统,在攻克了多项技术难题后,于2018年1月22日成功探测到Apollo 15月面反射器的回波信号,实现了LLR。多次重复实验结果表明,该LLR系统具备极弱激光信号探测能力,系统测量精度达到米级。     

基于APD的“猫眼”目标激光回波探测实验研究

针对＂猫眼＂目标激光主动探测,从抑制噪声干扰和激光后向散射出发,研究了APD激光回波信号探测系统的组成原理和电路设计。设计了一种基于APD的激光回波接收放大电路,采用自动增益控制技术（AGC）,同时给出了接收系统的控制时序逻辑图,并分别对窗帘、玻璃、光滑墙体,望远镜等目标的回波信号进行了接收实验和分析,提出了鉴别＂猫眼＂目标的方法,为后续＂猫眼＂目标识别的实验研究提供了依据。     

同轴零盲区米散射激光雷达系统仿真与设计

针对传统米散射激光雷达近距离探测盲区大的缺陷,设计一款同轴的米散射激光雷达气溶胶探测系统。首先,通过美国标准大气模型和激光雷达系统参数对系统回波信噪比进行了数值模拟研究。主要讨论激光脉冲能量、雷达接收口径、脉冲累加数对回波信噪比的影响。仿真结果表明,提高发射激光脉冲能量、增加雷达接收口径、增加脉冲累加数都可以提高回波信噪比,其中,增加雷达接收口径对回波信噪比的提升最为明显。其次,设计平衡探测器对散射回光进行光电转换。最后,基于系统结构搭建了可移动式米散射激光雷达实验平台,对大气气溶胶进行初步探测,试验结果表明：提高发射激光脉冲能量对探测距离的影响不大,该系统的有效探测距离在约10 km;平衡探测法相对于直接探测法信噪比提高了2.7倍;系统的同轴设计使得近距离探测盲区几乎为0,空间分辨率可以达到120 m。     

探测受声波调制的激光漫反射回波信号

基于光电接收目标的漫反射光原理,采用红外激光探测室内声波,在对目标特性研究和漫反射回波信号光功率估算的基础上,设计和研制了实验系统。用红外激光探测从玻璃目标返回带有受声波调制的激光漫反射回波信号,在6-63 m距离及直接反射光线与探测器光轴之间的夹角β≤±4°时,可以听见所探测到回波信号中的声音;当β=4°-15°时,可以探测到激光漫反射回波信号,但听不到声音。实验证明,利用漫反射激光探测室内声音的方法是可行的。     

全光纤相干多普勒激光雷达非线性最小二乘风速反演方法及实验研究

研制了一套人眼安全的全光纤相干多普勒激光测风雷达系统。系统采用1550 nm全光纤单频保偏激光器作为激光发射光源,激光器单脉冲能量0.2 m J,重复频率10 k Hz,脉冲半高全宽400 ns,线宽小于1 MHz。激光雷达接收望远镜和扫描器口径100 mm,采用速度方位显示(VAD)扫描模式对不同方位的视线风速进行测量,使用平衡探测器接收回波相干信号,通过1 G/s的模拟数字(AD)采集卡对相干探测信号进行采集,在现场可编程门阵列(FPGA)数字信号处理器中进行1024点快速傅里叶变换(FFT)得到不同距离门回波信号功率谱信息。对于获得的各方位视线风速,研究采用非线性最小二乘法对激光雷达测量的风速剖面矢量进行反演。激光雷达与风廓线雷达测量的风速进行了对比,两者测量的水平风速,风向和竖直风速相关系数分别为0.988,0.941和0.966。     

基于光子计数技术的远程测距激光雷达

100km远距离测距的激光雷达,由于作用距离远,多采用低重复频率、高能量激光器配合大口径望远镜实现远程激光测距,导致系统存在体积大、重量大、功耗高等缺点。基于光子计数技术的激光测距雷达具有灵敏度高的特点,有效降低了系统的激光能量和望远镜的接收口径,降低了系统的体积、重量和功耗。设计了一种应用于远距离小目标探测的测距激光雷达,采用盖格模式的雪崩光电二极管实现光子计数,实现了系统的小型化。详细介绍了该系统的设计原理、组成部分和实验结果。实验结果表明,在双程大气透射率为0.25的大气环境下,对于有效反射面积为6m2、反射率为0.1的小目标,该系统的最远测距能力达到100km,距离分辨率为6m。     

微秒脉冲激光钠导引星星群技术研究（特邀）

激光钠导引星被称为人造恒星,用于探测和校正光波经大气湍流引起的波前畸变,大幅度提高自适应光学望远镜的成像质量。采用单颗钠导引星探测的有效视场范围有限,通过多束黄激光分别激发大气电离层钠原子产生多颗钠导引星,能在较大视场内获得更清晰的目标成像,在精密天文观测、空间目标探测等领域具有重要应用。文中重点介绍了微秒脉冲激光钠导引星星群的产生,基于100 W级微秒脉冲激光,采用小角度精密偏振分光/并束调控的专利技术,在丽江天文台通过一台发射望远镜将四束20 W/束、重复频率kHz、脉冲宽度百微秒的钠激光发射到天空,在40"观测视场内生成四颗导引星,星群构型可调控,如线形、平行四边形、菱形和正方形等,每颗钠导引星亮度约为V波段8等星,光斑大小约3.25"。利用脉冲同步控制技术,钠导引星回波信号可以避免瑞利散射光的干扰,从而获得更高的空间分辨率。这为大口径天文望远镜多层共轭校正系统的研制提供技术参考。     

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。     

调频连续波激光引信探测系统设计

调频连续波（FMCW）激光探测技术将调频测距原理与激光的优点相结合,具有探测精度高、抗干扰能力强等优点。为验证FMCW激光探测原理和性能,设计了FMCW激光引信探测系统,包括激光发射子系统、激光接收子系统和信号处理子系统,具有FMCW激光发射、接收、信号处理和探测距离信息输出等功能。对FMCW激光引信探测系统的测距性能进行试验测试,结果表明:FMCW激光引信探测系统的最大探测距离12 m,测距误差在0.3 m以内。所设计的FMCW激光引信探测系统具有较高的探测精度,可应用于FMCW激光引信。     

基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统的比较研究

通过实验比较研究了基于SNSPD与SPAD探测器的激光测距系统.实验中,当接收回波端衰减120 d B时,天空光背景可忽略,基于SPAD的激光测距系统探测概率低于0.2%,而基于SNSPD的激光测距系统探测概率达35%;当激光发射频率低于1 k Hz,基于SNSPD的激光测距系统探测概率比SPAD高60%以上.研究表明:在探测弱信号回波光子时,SNSPD的探测性能远远优于SPAD,其原因是SNSPD具有较低的暗计数和高探测概率.与此同时,在接收端无衰减情况下,天空光背景会带来暗计数,影响测距系统信噪比.通过仿真分析表明,当背景亮度L0高于30 W/(m~2·sr)时,该基于SNSPD的激光测距系统的信噪比低于6,可能影响测距系统稳定探测.     

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。     

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。     

大量程脉冲激光测距仪性能检测方法

依据大量程红外脉冲式激光测距仪测距性能的检测需求,提出了一种基于MODTRAN数据库的激光回波信号模拟的检测方法。在室内环境下模拟激光测距大气回波信号,以实现对测距仪的测距精度及最大测程两项指标的检测。该方法调用MODRAN数据库计算出GJB2241A中仲裁实验的大气辐射透过率,在此基础上建立回波功率的数学模型,并采用FPGA以及模拟延时器件实现预设延时,使得距离模拟与能量模拟自成回路,实现了测距回波的真实模拟。实验结果表明:设计的回波信号模拟系统可实现50 m~22 km的大量程距离模拟,回波延时精度优于2 ns,最大测程的测准率可达90%,满足了激光测距仪性能测试的检测需求。     

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。     

数字化脉冲激光引信探测系统设计与信号处理

针对以往模拟脉冲激光引信探测系统存在的测距误差较大的缺点,为进一步提高脉冲激光引信的测距精度,设计了一种数字化脉冲激光引信探测系统.该探测系统包括发射、接收和信号处理3部分,其中信号处理部分主要实现脉冲回波信号的高速实时采样与缓存、信噪比增强与时延估计.采用双通道ADC并行采样,实现了以200 MHz的等效采样频率对脉冲回波信号进行高速采样.当脉冲回波信号很微弱时,采用多脉冲相干平均算法提高了其信噪比,增强了对微弱回波信号的检测能力.通过最小二乘时延估计算法得到了回波时延,进而计算得到目标距离.测距实验结果表明:该探测系统测距精度较高,最大测距误差为0.25 m.