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。     

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。     

近距离收发同轴激光测距精度研究

脉冲激光测距精度是影响二维激光扫描成像质量的重要因素,研究近距离条件下收发同轴系统中的脉冲激光测距技术对提高二维激光扫描成像质量具有重要意义。通过仿真计算分析了脉冲激光测距的精度与回波能量的关系,提出了二维激光扫描成像光学系统的基本设计方案。在室内距离下,提出了在收发同轴光学系统中,到达探测器的激光回波能量相对于距离的非线性关系,计算并得到了激光回波能量相对于距离的非线性关系曲线。最后,基于实测数据对激光回波能量与距离的非线性关系进行实验验证,分析该非线性关系对激光测距精度的影响。论文的研究对设计、完善近距离条件下激光测距光学系统具有重要价值。     

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。     

一种应用于卫星导航定位系统的SLR系统架构与实现

卫星激光测距(SLR)是一种高精度测量观测点与卫星之间距离的重要方法,它可以为卫星精密定轨和星地时间同步提供高精度观测数据。本文首先介绍了卫星激光测距基本原理,然后从系统架构角度深入分析了用于卫星导航定位系统的激光测距系统的组成和功能,详细阐述了激光测距中光学系统、控制系统等子系统原理及工作过程。最后,按照本文架构实现的激光测距系统给出了实际的测试结果和精度。实验表明,本文提出的激光测距系统具有较高的测量精度,能够满足我国导航定位系统的测距需求。     

基于回波信号插值重建的峰值判别技术

在脉冲式激光测距技术中,测量距离和目标反射特性变化等因素会引起微弱回波信号的峰值判别误差,造成激光飞行时间的测量误差,峰值判别误差是影响激光测距精度的主要因素之一.针对激光测距中微弱回波信号不规则引起的峰值判断精度低的难题,采用FPGA控制采样电路对回波信号进行高频采样,通过软件对采样数据进行插值重建,根据重建图形判断出回波信号的峰值点位置作为计数停止点,有效提高了回波信号峰值判别精度.实验证明:采用该项技术的激光测距机能够达到0.1 m测距精度.     

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。     

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。     

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。     

高重复频率卫星激光测距实验研究

介绍了上海天文台开展高重复频率激光测距实验和卫星实测情况.通过研制事件模式距离门控电路,开发高实时性测距控制软件,引进高精度事件计时器,利用重复频率为1 kHz、能量2 mJ的半导体泵浦激光器,以60 cm激光测距仪为平台,成功实现了对(800～7000)km卫星的高重复频率激光测距,所获得的回波数据是常规低重复频率测距的2～3个数量级.     

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。     

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。     

基于星间激光测距的高轨卫星定位技术研究

针对传统的高轨卫星定位技术存在定位精度低的问题,提出了基于基于星间激光测距的高轨卫星定位技术。在高轨卫星飞行器上安装低噪声激光探测器,借助激光探测器、发射机以及接收器构建星间通信链路,分析接收天线的接收功率与发射天线的发射功率之间的关系,通过激光脉冲传输空间测距与高轨卫星信号捕获接收功率和发射功率获得定位初始数据;再分析星间相对运动和修正电离层误差,得到定位数据的精确解算融合结果。选取精度因子DOP作为评判高轨卫星定位技术的参数,通过仿真实验发现高轨卫星定位技术比传统定位技术的平均DOP值高2.89,由此证明所提定位技术的定位精度更高。     

高重复频率的增益开关Nd3+:YVO4+KTP绿光激光器

摘要：介绍了可连续和脉冲双模式输出的绿光激光器。用一只半导体激光器端面抽运Nd3+:YVO4+KTP胶合晶体,通过腔内倍频,获得光-光转换效率为19%的连续绿光激光输出。利用增益开关技术,改变注入激光器的电脉冲波形,可以得到方波、正弦波或三角波的绿光激光脉冲输出;调节激光器驱动电流的幅度和占空比可改变输出激光脉冲的强度和脉宽;改变驱动电源的重复频率可以使输出绿光激光脉冲的重复频率连续可调,最大重复频率可达2MHz。在重复频率为560kHz时,获得了输出绿光激光脉冲宽度为74ns、峰值功率为285mW、振幅噪声小于3%。     

高重复频率的增益开关Nd3+:YVO4+KTP绿光激光器

为了设计一种可连续和脉冲双模式输出的绿光激光器,采用一只半导体激光器端面抽运Nd3+:YVO4+KTP胶合晶体,通过腔内倍频,获得光-光转换效率为19%的连续绿光激光输出.利用增益开关技术,改变注入激光器的电脉冲波形,可得到方波、正弦波或三角波的绿光激光脉冲输出;调节激光器驱动电流的幅度和占空比可改变输出激光脉冲的强度和脉宽;改变驱动电源的重复频率可以使输出绿光激光脉冲的重复频率连续可调,最大重复频率可达2MHz.在重复频率为560kHz时,获得了输出绿光激光脉冲宽度为74ns、峰值功率为285mW、振幅噪声小于%.研究表明,利用增益开关技术可以获得重复频率和窄脉冲宽度的绿光激光脉冲.     

地球同步轨道星载SAR多普勒特性分析

该文推导了适用于任意轨道高度的星载SAR多普勒中心频率和调频率的精确公式,为中高轨SAR多普勒特性的研究提供了有效的方法。基于上述公式,分析了地球同步轨道SAR多普勒中心频率与低轨SAR的联系;研究了星载SAR多普勒调频率随轨道高度的变化和地球自转对同步轨道SAR和低轨SAR调频率的影响;探讨了同步轨道SAR多普勒中心频率和调频率的特征。通过数值仿真验证了推导公式和多普勒特性分析的正确性。     

内腔倍频被动调QNd∶YVO_4/KTP激光特性的研究

实现了激光二极管(LD)抽运Nd∶YVO4/KTP,GaAs饱和吸收体被动调Q绿激光运转。测量了GaAs不同 厚度情况下的脉冲重复率、脉冲宽度、单脉冲能量及峰值功率随抽运功率的变化关系。在抽运功率3.22W下,300 μm厚的GaAs获得了381kHz的高重复率,53.2ns的脉冲宽度,0.18μJ的单脉冲能量。通过求解内腔倍频GaAs 调Q工作原理的耦合波方程组,所得的理论值与实验结果相符。