中法激光时间比对和探测基本物理的相关空间计划

激光时间比对T2L2(Time Fransfer by Laser Link)是法国蔚蓝海岸天文台(OCA)和法国空间中心(CNES)进行的新一代的时间传递计划,将于2008年年中随Jason-2卫星发射上天,并开始观测.它利用激光脉冲在空间的传播来实现地面-卫星,地面-地面远距离时钟的同步,精度比现有的微波比对方式提高1～2个数量级.中国拥有5个固定激光测距站和2个流动激光测距站,基于良好的地理位置和巾法双方比较成熟的激光测距技术,中法激光站之间的时间比对和中国内部激光站之间的时间比对是该计划的重要内容.本文系统描述了T2L2的主要内容和关键技术,初步估算了该计划的精度和稳定度,对中法之间的时间比对做出了初步的观测规划.同时,简单介绍了目前世界上精密时钟的发展现况、F2L2的应用前景及正在研究中的TIPO、ASTRODI、ACS、EGE等探测基本物理的相关空间计划.     

基于G-SPAD的卫星激光测距回波特性

从盖革模式单光子雪崩光电二极管的光电特性出发,分析了卫星激光测距的测距精度与激光脉冲宽度及回波强度的关系,并利用长春站卫星激光测距系统对地球动力学卫星进行观测.结果表明,当回波光子数为1 000左右时,系统测距精度为10.2mm左右,当回波光子数为8 000时,测距精度减小为9.4mm左右,表明回波强度较大时,可提高卫星激光测距系统的测距精度;当激光器脉宽为200ps时,系统测距精度为17.3mm,当脉宽为50ps时,系统的测距精度为10.0mm,表明卫星激光测距系统的测距精度随着脉宽变窄得到了有效提高.为进一步验证理论结果,对Ajisai卫星进行实测,分析了高重复频率激光测距系统对系统测距精度的影响,结果表明采用窄脉宽高重复频率的激光测距系统,激光测距有效回波数和标准点密度呈数量级增加,测距精度也有一定的提高.因此,为了改善卫星激光测距系统回波特性,应选用脉宽窄、重复频率高、能量大的激光器作为基于盖革模式单光子雪崩光电二极管的卫星激光测距系统的激光光源.     

4kHz重复频率卫星激光测距系统及其应用

分析了上海天文台皮秒激光器系统在不同重复频率下的输出功率、输出波形等性能,实现了重复频率为4 kHz、功率为3 W、波长为532 nm的激光稳定输出。建立了4 kHz重复频率卫星激光测距系统,实现了4 kHz重复频率卫星测距,其测量数据量和标准点数据精度比1 kHz重复频率的分别提高了约2.62倍和1.62倍,提升了卫星观测性能。采用Lomb算法获得了Ajisai卫星自转频率(平均值为0.4234 Hz)以及自转频率准确度(0.0054 Hz),与1 kHz激光观测系统相比,4 kHz重复频率卫星激光测距系统的卫星自转测定精度显著提升。     

kHz激光器在武汉卫星观测站的测距实验

高重复频率激光器是kHz卫星激光测距系统的重要组成部分,提高激光发射频率可以有效地获得更多的观测数据,这是当今卫星激光测距领域的发展方向.针对武汉卫星观测站进行的kHz激光测距实验,介绍了kHz激光器的工作过程和原理,分析了影响高重复频率回波探测的因素.实验结果表明:对实验过程中所观测到的中低轨卫星,观测数据量提高了1...     

高精度千赫兹流动激光测距系统中国西部地区实测结果分析

为了解决人造卫星激光测距观测站在我国东西部地区分布不均衡的现状,中国地震局地震研究所采用方便运输的载车结构和皮秒级千赫兹半导体激光器,结合自行研制的皮秒级事件计数器和纳秒级距离门,研制了新一代的大口径流动卫星激光测距系统TROS1000.TROS1000具备千赫兹流动激光测距的能力,并且具有机动灵活、架设周期短等特点.2019年9月,TROS1000抵达中国科学院新疆天文台南山观测站,在我国西部地区首次获取千赫兹激光观测数据.经过数据预处理,中低轨卫星的单次精度优于14 mm,高轨卫星的单次精度优于19 mm,与上一代流动激光测距系统相比,其单次精度更高,有效回波信号更多,目标探测能力更强.     

星载激光测高系统的大气折射延迟改正模型研究

星载激光测高仪通过测量从卫星平台发射的激光脉冲在卫星与地面激光脚点之间的渡越时间计算两者之间的距离。由于光束经过大气层时发生的折射,导致卫星激光测高系统典型的与大气延迟相关的测距误差在数米量级。讨论了大气折射延迟修正的理论与方法,分析比较了各种大气折射率模型,以全球首个对地观测星栽激光测高仪系统GLAS系统为例,给出了各种折射率模型的计算偏差,发现在常见温度和湿度范围内Owens375模型是一种精度较高的简化折射率模型;计算了GLAS系统高度角偏离天顶方向不超过10°的情况下,使用简单映射函数与CfA2．2映射函数模型的值,发现其差异不超过0．5mm。     

距离千米级双望远镜的空间碎片激光测距

以上海天文台收发分离的21cm/60cm口径卫星激光测距系统为例,利用高精度计时器、光电探测器等设备,对发射/接收系统的时延分别进行测量与标定,测量地面靶目标所得到的发射/接收系统的总时延与常规地面靶目标测量方法的测量均值相比,时延标定误差为400ps。在此基础上,利用高精度时钟系统,并在解决远距离望远镜回波信号探测距离门控制问题的条件下,实现了相距2.5km的双望远镜系统对距离大于1000km的空间碎片目标的测量,验证了远距离接收空间碎片目标激光回波信号的能力。     

激光测距卫星的质心改正模型

卫星质心改正值(简称CoM,Center-of-Mass)是卫星激光测距系统中的一个重要参量,准确估算该参量有助于提高卫星激光测距精度.本文以Lageos卫星为例,应用概率理论以及卫星上的角反射器对光子的反射概率与反射器的光学截面成正比,建立了球形激光卫星的CoM数学模型,并计算了几颗球形卫星的CoM值,还对一般的情况进行了讨论.     

单光子探测技术的高峰—月球激光测距

月球激光测距的资料对诸多学科的研究有着重要独特的价值,但由于该项技术的高难度,即真正意义上的单光子探测,使得它成为激光测距技术研究和奋斗的目标。云南天文台1．2米望远镜卫星激光没距系统已经建成并正式参加国际及国内卫星激光测距网的联测,同时在进行激光测月的研究与准备。该文分析了月球激光测距回波的特性,以及为在1．2米望远镜测距系统上实现激光测月所采取的提高回波强度的措施。     

低值LD激光测距望远镜

研制成一种小型 ,低值 ,便携式 ,对人眼安全 ,无合作目标的 L RF- 1型系列 L D激光测距望远镜 .激光波长 90 5 nm ,激光峰值功率 17W,脉宽 2 5 ns,重复频率 10 0 Hz,系统的测距范围 1～ 10 0 0 m,望远镜放大倍率 6倍 ,测距精度 <± 1m,有多种工作模式 ,既能测距又能测速并具有省电功能 .L RF- 1型系列 L D激光测距望远镜是一种激光雷达系统 .本文对光子测距方程和 L D激光测距望远镜的优化设计进行了讨论 ,对系统的信噪比进行了分析     

月球激光测距中的关键物理与技术问题

根据国际上公开发表利用的1969—1972年美国Apollo 11、14、15宇航员放置在月球上的三个角反射器以及1970—1971年苏联无人登月车放置的两个角反射器进行的月球激光测距的论文和技术文献,讨论了月球激光测距中的几个关键物理和技术问题,主要包括:1)角反射器阵列指向与其月面位置的精确定位;2)角反射器激光回波信号的确认;3)接收信号强度与信噪比;4)测距结果的精度;5)满月时为什么不适于测距;6)地球大气对激光测月及其精度的影响。现有技术文献对一些关键的技术细节描述尚不完备,判定接收信号来自角反射器对激光的反射缺乏直接的物理证据,现在声称的距离测量精度与激光本身特性的关系尚需进一步分析。     

用于引力波关键技术验证的近地低成本商业卫星设计

地面引力波探测由于受到地表振动、重力梯度等噪声以及试验尺度的限制,探测频段被限制在10Hz以上,而对于更大特征质量和尺度的波源,探测频段主要在中低频段(0. 1 mHz～1 Hz)。因此,为避免地面干扰,需要在空间进行探测。由于引力波信号微弱,探测精度极高,针对空间引力波探测,国际上提出了以LISA为代表的空间引力波探测计划,国内中国科学院也提出了太极计划。然而,国内外的引力波探测卫星计划,对卫星的技术指标、设计复杂性和成本均提出了极高要求,短期之内难以实现。针对这一现实情况,本文参考LISA pathfinder的设计思路,设计一颗近地低成本商业卫星,针对引力波探测关键技术的验证需求,进行卫星任务需求分析及结构、热控、姿态控制等关键技术分析,提出商业化的低成本技术验证初步设想,希望能对空间引力波探测卫星总体设计提供一定借鉴。     

PN1B微小卫星激光反射器设计及激光测距试验

大气密度探测实验卫星PN1B于2015年9月在太原卫星发射中心成功发射,为了实现对该卫星星载GPS定轨数据提供检核标准及高精度测轨应用要求,依据卫星无法提供阵列结构激光反射器所需要的安装面积的限制,首次采用通光口径为10 mm的微小激光反射器按照不同的指向分布在卫星的棱边。利用TROS1000流动人卫激光测距系统对该卫星进行追踪和激光测距试验,测量结果表明激光回波数据充足,每秒平均激光回波光子数达173个,标志着此类微小激光反射器的应用将会在卫星轨道精密定轨方面发挥重要作用。     

一种改进的视觉传感器与激光测距雷达特征匹配点提取算法

激光测距雷达与视觉传感器的配准是视觉图像与激光距离信息融合的前提。激光测距雷达与视觉传感器的配准可分为点匹配与平面匹配。由于混合像素和非结构空间特征激光点丢失现象,使得基于点匹配的视觉传感器与激光测距雷达配准算法精度难以提高。通过对混合像素和非结构空间特征激光点丢失问题的分析,提出了一种结合平面建模思想,利用假想激光光束与平面模型相交提取匹配特征点的方法。验证了实验结果并进行了算法精度比较。实验结果表明,这种改进的特征匹配点提取算法解决了特征点缺失,并且提高了点匹配的精度,使匹配性能大大地改善。     

准线性扩散系数与空间高能电子特征物理量的关系研究

研究已经证实,地面电磁波进入电离层与高能粒子发生波粒相互作用,通过改变其投掷角、动量等发生扩散,导致粒子沉降,进而形成粒子暴.近几十年来,从卫星观测到很多电离层中的粒子暴与地震有关系.本文利用波粒回旋共振耦合理论,结合低轨卫星的观测范围,研究场向电磁波的准线性投掷角扩散系数分布与VLF电磁波频率、带宽、电子能量(0.1—50 MeV)、磁壳层(L=1.1—3)等特征物理量的关系,并研究在某个确定的投掷角条件下,电磁波频率与其所引发的电子沉降对应的最小耦合能量的关系.利用这些物理量之间的关系,为卫星观测的高能粒子沉降事例提供理论解释,为从卫星高能粒子探测中提取与地震相关的信息提供理论支持,也为我国计划2016年底将发射的电磁监测试验卫星的数据分析奠定基础.     

大气气溶胶粒子的时延效应及其对激光程差的影响分析

针对大气气溶胶粒子的时延效应影响激光测距精度的问题,利用双频互相关函数,推导了离散随机介质中激光程差的计算公式,建立了激光程差与粒子浓度、粒子直径等常规参数间的联系。在此基础上,提出了计算由大气气溶胶粒子的时延效应所引入的激光程差的方法,并根据气溶胶和云雾的光学特性(OPAC)气溶胶模式,计算了卫星对地激光测距时,大气气溶胶粒子所造成的激光程差。结果表明,当激光波长为1064 nm,气溶胶粒子的模式半径大于0.25μm时,随着模式半径的增大,其造成的激光程差逼近4.6 cm,在毫米乃至亚毫米级激光测距精度要求下,必须对其进行修正。     

本振光功率锁定方法应用于激光外差辐射计的研究

激光外差辐射计具备成本低、体积小、光谱分辨率高等优势,可扩展现有的地面碳测量网络,验证卫星观测结果,并能在卫星观测区域外提供数据覆盖.本文在现有的激光外差辐射计的基础上,报道了基于掺铒光纤放大器的可实现本振光功率锁定的近红外激光外差辐射计原型机.该激光外差辐射计利用一个中心波长为1.603μm的分布反馈式半导体激光器作为本振光源,采用掺铒光纤放大器放大本振光功率,并利用自动功率控制电路实现掺铒光纤放大器输出端光功率的锁定,消除了由本振光功率变化引起的基线斜率,从而实现免基线拟合的整层大气透过率谱的测量.详细评估了基于掺铒光纤放大器的高度集成化的激光外差辐射计的仪器性能,并在合肥市科学岛(31.9°N, 117.2°E)地区进行了整层大气CO₂透过率谱的测量.在一天的测量时间内得到6组大气CO₂透过率谱,与大气辐射模型模拟结果进行比对,测量结果一致.实验结果表明,掺铒光纤放大器的应用可以提高激光外差辐射计的性能,优化其结构,进而为实现无人值守的长期大气CO₂浓度观测和构建全面的碳观测网络提供仪器设备的补充.     

1 kHz重复频率多脉冲皮秒激光器研制及其空间碎片激光测距应用

超短皮秒脉冲的峰值功率高、大能量输出困难。通过将单个脉冲分成多个相邻的脉冲,可增大脉冲包络总能量,提高激光输出功率。设计并获得光-光转化效率为39.3%的单路锁模皮秒种子激光输出,提出将单脉冲分成多脉冲的方法,利用布拉格体光栅(VBG)脉冲展宽、多脉冲生成、再生放大、行波放大及频率转换等激光技术获得脉冲间距为1 ns、输出功率为10 W、脉冲包络能量为10 mJ、单脉冲脉宽约为100 ps、光束质量为1.67、重复频率为1 kHz的532 nm百皮秒四脉冲激光输出。通过激光模块泵浦产生的热透镜效应,并通过调节泵浦电流实现对激光输出发射角的连续精确调节,获得的最小发散角为0.2 mrad。将所设计方法应用在上海天文台空间激光测距站平台上,进行多颗空间碎片测距,测距精度最优为16.44 cm。该结果表明多脉冲可增大激光总输出能量、提高激光输出功率且可为空间碎片激光测距探测能力的提升提供有效的技术途径。     

基于斜程传输模型的卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究

基于大气气溶胶在空间的不均匀分布,提出并利用激光在大气气溶胶中的斜程传输模型开展卫星激光测距在气溶胶中探测性能的研究,即将气溶胶的分布分为水平及垂直方向,在垂直方向将其分为无穷多层,令每层气溶胶的水平方向浓度分布均匀,结合气溶胶粒子的散射截面、尺度分布函数,计算激光在每层气溶胶中的透过率,最后进行积分得到激光的大气传输透过率.结果表明,与Kim经验公式及Mie理论模型相比,由斜程传输模型计算得到的激光气溶胶透过率更接近实验值,其平均相对误差降低了一个数量级,仅为3.5%,表明该模型可准确地计算激光在气溶胶中的传输特性.结合激光雷达公式,利用该模型对气溶胶中不同轨道高度卫星探测成功率进行数值模拟仿真,发现在轻霾环境中低轨卫星的探测成功率可达40%以上,高轨卫星的探测成功率仅为15%,可利用高效率探测器与高能量激光器实现轻霾环境下的卫星激光测距.研究结果能合理解释已有的实验报道并有效地预估卫星激光测距系统探测性能,为系统的升级改造提供可靠的理论依据和技术保障.     

法国的军用激光研究

与YAG激光器相比,CO_2激光器具有基本的适于作战的优点,因此可能作为下一代的激光系统出现在1990年的地平线上。法国的军用激光研究活动可用技术发展阶段来进行分析。本文将集中到近期活动:包括目前正在生产而且肯定是需要的Nd:YAG激光器,中期及远期活动:co_2激光系统看来很有希望,但不包括对抗措施的激光研究和新激光器基础研究。 Nd:YAG激光器法国的主要计划是机载ATLIS系统,该系统能使单座战斗机上的激光照明光束在从空中向地面进攻时,盯住目标。汤姆逊—CSF