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。     

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。     

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。     

白天卫星激光测距望远镜指向误差修正方法研究

白天卫星激光测距时,由于望远镜机架受太阳辐照和温度变化等因素影响,指向误差时变性较大,影响了对白天卫星的精确跟踪指向。针对卫星过境天区,提出了一种通过白天恒星监视,实现望远镜局部指向误差快速修正的方法,消除环境温度变化效应,实现高精度望远镜指向。以中国科学院上海天文台60 cm口径卫星激光测距系统为平台,应用短波截止滤光技术,实现了对亮于3等恒星的白天监视;并在卫星过境天区选择到6到7颗恒星进行观测,建立望远镜局部指向误差修正模型,以满足白天激光观测需求。该方法对白天卫星测距特别是高轨卫星等具有一定应用价值,也可推广到其他需白天目标观测的望远镜系统。     

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。     

像差对星间激光通信系统高精度对准的影响向

为了减小ATP系统的像差对对准的影响,达到提高系统的对准精度的目的,文中以星间ATP系统中的高精度对准平台为基础,分析了激光器处于轴外发射状态时需要考虑的两个位置偏移量(离轴参量h/s和偏移参量ra),提出激光器的位置状态会对像差有着一定的影响.并通过数值仿真,分别分析了在存在激光器位置偏移量时各种像差对对准精度的影响情况.结果表明激光器发射的状态明显影响着像差对对准的影响程度,适当调节激光器发射状态有利于减小像差对对准精度的影响,进而提高对准精度.     

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。     

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。     

多望远镜信号接收的激光测距系统探测能力

地面激光测距站向空间目标发射激光信号后,其反射的回波信号达到地面站时将覆盖一定范围,通过设置多台望远镜接收信号,有利于提升对激光信号探测能力。根据激光雷达测距方程及信号探测概率,分析了多望远镜信号接收系统的探测概率、提升效果以及等效接收能力。利用中国科学院上海天文台相距约60 m、口径分别为1.56 m和60 cm双望远镜系统,通过双望远镜同时接收卫星的回波信号,研究了双望远镜信号接收系统探测能力。相比原60 cm口径望远镜系统,单位时间内激光回波数增加了四五倍。考虑到1.56 m口径望远镜激光测量性能,双望远镜可等效于一台口径约1.61 m望远镜系统接收能力,验证了多望远镜信号接收可行性和技术优势。分析了多望远镜系统对轨道高度1 000 km、直径10 cm非合作目标测量能力及所需望远镜台数,使该测量技术在微弱信号探测与大口径望远镜激光测量中将会发挥重要作用。     

导航卫星激光后向反射器研究

鉴于设计Galileo导航卫星上激光后向反射器的需要,采用理论计算和实验验证的方法对角反射器的光行差补偿设计和远场衍射光强分布进行了研究.对不同直角偏差、是否镀反射膜的角反射器远场衍射光强分布给出了计算和试验结果.研究结果表明:理论计算与实验结果是完全一致的;对类似Galileo卫星的角反射器设计采用光行差角补偿是必要...     

卫星激光测距系统控制分系统设计及实现方法

卫星激光测距系统是一套集光、机、电为一体的精密复杂系统。控制分系统主要通过精确控制激光器分系统、望远镜分系统、折轴光学系统实现测距信号的发射、接收和测距数据处理。是保证系统具有高自动化程度和高测距成功率的关键技术。使用 FPGA 设计制作控制信号板,产生激光点火信号和距离门信号,实现精确控制激光器、单光子雪崩二极管和时间计数器。 本文对系统的整个工作流程进行了仔细分析,设计出软件的各个功能模块。分别对 1m 望远镜、 激光器做了控制试验,用真实卫星白天测距数据做了数据处理试验,得到了很好的效果。     

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。     

APOSOS光电望远镜空间目标观测精度分析

利用内符合精度和外符合精度两种精度判定方法,对国内首台基于APOSOS亚太地基光学空间物体观测系统）项目安装在国外的15 cm地基空间碎片光电观测望远镜获得的观测数据进行了观测精度计算分析。经过计算分析,得到内符合精度在5左右;利用全球激光测距服务系统提供的综合激光测距数据格式标准点资料对Lageos1、Lageos2和Ajisai卫星进行精密定轨,进而获得这些卫星的精密轨道,并以此精密轨道作为APOSOS 15 cm光电望远镜观测数据外符合精度的评定依据,得到外符合精度大约在6左右。计算分析结果表明:系统的观测精度较高,达到了设计指标,能够满足科研和工程应用的需要。     

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。     

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。     

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。