地基光电望远镜对空间碎片探测能力的评估模型

为了提高地基光电望远镜观测空间碎片的运行效率,建立了地基光电望远镜探测能力评估仿真模型.综合考虑碎片几何过境、碎片信号辐射量、背景源信号辐射量、光信号在传感器平面的投影等影响,获得碎片信号的探测信噪比,并作为过境碎片能否被探测到的依据.采用1m望远镜进行地球同步轨道碎片观测实验,并对模型进行验证.结果表明:仿真观测的第谷2星表中4颗背景亮星与观测实验结果一致;由于碎片形状等光学特性不同,碎片辐射量星等值的实验值与仿真值最大相差1.58倍,误差值在合理范围内.基于信噪比探测原理的地基光电望远镜探测能力评估仿真模型合理有效,可为观测设备建设、观测策略制定等提供参考.     

天基光电望远镜空间多目标成像模拟技术研究

提出了一种天基光电望远镜对空间多目标成像的模拟方法。首先由卫星轨道参数向量和三维矩阵变换得到卫星在地心赤道坐标系中的坐标矩阵,然后再通过平移、旋转和比例等变换得到卫星及恒星在望远镜中的坐标矩阵,最后即可得到总模拟图。设计了一种应用在天基光电望远镜上的空间多目标成像模拟数据库,并为数据库提供了几种基本的维护管理功能。给出了该数据库的基本设计方法和目标数据实例,提供了1000余颗卫星的相关轨道参数。计算机模拟了天基光电望远镜对空间多目标的成像。仿真结果表明,该方法可有效地模拟天基光电望远镜对空间多目标的成像。     

空间目标共视观测定位的误差分析

通过两台光电望远镜对空间目标共视观测能够定位空间目标,并且能够解决光电望远镜短弧测角数据的初轨确定问题,但其定位精度与空间目标和两台光电望远镜所形成的观测几何有关。首先对空间目标共视观测定位误差进行分析,然后推导其均方根误差的解析表达式,最后基于长春站和上海佘山站并结合不同轨道高度的低轨激光星CPF(Consolidated Prediction Format)星历生成仿真共视观测数据,用来对空间目标共视观测定位以及定轨精度进行分析。结果表明,两台光电望远镜对低轨空间目标的定位精度能够达到100 m,利用定位数据进行初轨确定可以得到轨道的半长轴误差小于10 km。     

国外地基光电系统空间目标探测的进展

简要介绍了国外先进地基空间监视系统的发展现状,从地基光电系统观测空间目标的角度描述了星火光学靶场35 m口径望远镜系统及367 m口径高级光电(AEOS)望远镜系统,给出了这两种望远镜系统的工作性能和所开展的工作。通过对这两套系统的设计理念和先进单元技术的研究,对构造“用于卫星成像的地基光电系统”的相关技术进行了初步探讨;针对目前提出的“对卫星成像的大口径地基光电观测设备”的总体研制方案,提出了建造应用自适应光学技术的18 m地平式望远镜的观点,提出该系统应设计为一个功能可扩展的光学平台。     

光电望远镜暗弱目标识别算法及探测能力

通过空间目标的光度测量可判断目标在轨运动特性和进行编目识别。对光电望远镜在卫星姿态判定领域的应用进行了介绍,验证了一种暗弱目标识别算法,即霍夫变换。通过仿真计算分析了影响极限探测星等的因素,并从目标成像后在探测器上获得信噪比的一般计算公式出发,推导计算得出光电望远镜的极限探测星等理论值,并使用星图比对的方法进行了试验验证。结果表明,星图比对法是一种可靠的星等测量方法。     

3种主动合成孔径成像技术极限探测能力的分析与比较

为了深入研究可行的中高轨成像技术,本文从探测能力角度(用最低发射激光功率表示)深入分析和比较3种主动干涉合成孔径成像技术——傅立叶望远镜(又称为相干场成像或条纹场扫描成像)、成像相关术(又称为强度相关成像)和剪切光束成像。本文利用光电倍增管的信噪比模型和激光作用距离方程,较为细致地分析每种技术在满足单次信噪比(SNR=5)条件下的极限探测能力。通过仿真分析得出:傅立叶望远镜、成像相关术和剪切光束成像所需的最低单光束单脉冲能量分别为11. 4 J、0. 73 MJ和3. 1 MJ。最终得出傅立叶望远镜是上述3种主动成像技术中在目前技术水平下最适合中高轨目标(约36 000 km)高分辨成像的可用技术的结论。     

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。     

多光谱目标探测的波段选择

利用超光谱数据对多光谱传感器的波段选择提出了一个框架。根据探测理论,导出了一个代价函数,对于区分弱小目标和杂波(光谱分布已知)的探测性能最优的光谱波段来说,可使该函数最小。利用匹配追踪算法找到了一个近似最小的代价函数,从而选出了滤波器。该方法可用于设计多光谱红外搜索跟踪和光电导弹预警传感器。在杂波背景下,对小目标探测的低虚警率和高探测概率来说是至关重要的。     

低轨红外卫星对类HTV-2高超声速飞行器测能力研究

由于临近空间高超声速飞行器具有速度快、高度低、机动能力强的优点,故以陆/海基雷达、高轨红外卫星为主建立的预警探测体系难以对其实施全程有效探测.因此,针对高超声速飞行器的技术特点,对低轨红外卫星的探测能力和全球覆盖性进行了研究.首先,基于类HTV-2升力体的气动外形,模拟了典型工况参数下飞行器的表面温度分布.然后,构建了低轨红外卫星探测模型.结合红外探测器典型性能参数,给出了不同轨道高度下探测器信噪比与观测视角和工作波段的关系,并得到了红外卫星在550 km和1600 km轨道高度下的有效探测半锥角.最后,给出了具有全球探测能力的低轨红外卫星星座的构型及主要参数.     

一种用于跟踪精度检测的动态目标模拟器设计北大核心CSCD

光电搜索跟踪系统是战场态势感知、信息获取、目标捕获、跟踪定位等武器装备的核心光电设备,其跟踪精度是表示光电搜索跟踪系统作战能力的关键参数。针对该参数的需求,提出了一种基于OLED发光的平行光管阵列式目标模拟器设计方案,其动态目标模拟角速度范围为1°/s~100°/s,角度定位精度为0.8″。对动态目标模拟器的角速度模拟进行了分析,得出角速度模拟的相对扩展不确定度可达0.6%~0.8%。     

用于空间碎片清除的高功率激光器（英文）

虽然人类的太空活动已经考虑了尽量减少空间碎片的措施,但近地轨道碎片的数量仍呈指数增长,特别是中小型碎片的现有数量已对在轨卫星构成了实质性的威胁。作为具有较高期待的消除碎片办法,用地基DF激光器和空基Nd∶YAG激光器消除碎片的方案令人关注,它们可以以低成本和非破坏性的方式清除空间轨道的危险碎片。本文介绍了使用平均功率为100 kW的高功率、高重复频率P-P Nd∶YAG激光器和平均功率约为1.5 MW的DF激光器来保护在轨飞行器和清除直径为1～10 cm空间轨道危险碎片涉及的相关工作。     

实现同步轨道（GEO）高分辨力对地观测的技术途径（上）

在地球静止同步轨道（GEO）上实现高分辨力对地观测，具有一系列独特优点，远为其它轨道所不及。然而，对于36000km的远程高分辨力可见波段观测，要求望远镜必须具备20m以上口径的主镜。传统的空间相机，如果要有如此大的口径，其总质量将超过1000t，无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜，可以大幅度降低主镜质量面密度，从而降低整个相机系统的总质量，可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配，则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜，将高分辨力的取得，由增大接收口径转变为加大发射间隔，用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构，取代常见的目标图像直接探测，突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性，从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料（左手型材料）可制成完美透镜，而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一，基于表面等离子激元（SPP）的光子器件则是其另一种选择。     

实现同步轨道(GEO)高分辨力对地观测的技术途径(下)

在地球静止同步轨道(GEO)上实现高分辨力对地观测,具有一系列独特优点,远为其它轨道所不及。然而,对于36 000 km的远程高分辨力可见波段观测,要求望远镜必须具备20 m以上口径的主镜。传统的空间相机,如果要有如此大的口径,其总质量将超过1 000 t,无法发射到GEO上。无支撑薄膜望远镜和大口径衍射望远镜,可以大幅度降低主镜质量面密度,从而降低整个相机系统的总质量,可算是一种极好的技术途径。分步发射与在轨装配,则提供了可供此类观测系统实施从地面转运到GEO的技术手段。基于变换成像原理的傅里叶望远镜,将高分辨力的取得,由增大接收口径转变为加大发射间隔,用大面积回波能量探测加上傅里叶分量重构,取代常见的目标图像直接探测,突破了远程高分辨力观测的致命瓶颈。近完美透镜为突破衍射极限提供了可能性,从而为超分辨力观测开拓出一片科学的新天地。负折射率材料(左手型材料)可制成完美透镜,而光子晶体是负折射率材料的热门选择之一,基于表面等离子激元(SPP)的光子器件则是其另一种选择。     

3.5 m口径空间望远镜单块式主镜技术展望

主反射镜的口径大小与结构形式在极大程度上决定了空间望远镜的技术难度与经济成本。为了实现更高的空间分辨率与更强的信息收集能力,各国研制的空间望远镜主反射镜的口径朝着越来越大的趋势发展,从“哈勃空间望远镜”（HST）的2.4 m,到“新世界观测者空间望远镜”（NWO）的4 m,甚至到“先进技术大口径空间望远镜”（ATLAST）的8 m,无不体现了对超大口径空间观测能力的追求。而单块式主镜凭借其支撑技术的可靠性与经济性,正成为超大口径空间望远镜的首选。通过对国外研制的超大口径空间望远镜的论述与分析,探讨了目前空间望远镜中超大口径主反射镜的关键技术与发展方向。针对目前国内运载能力与光学制造加工能力的极限,提出了建造基于3.5 m口径主镜的空间望远镜设想。     

空间激光跟瞄中指向驱动电机运动特性研究

设计了一种深空非合作目标的激光扫描、捕获、跟踪地面实验装置,通过模拟深空同轨道运动的两颗卫星跟瞄过程,在理论上计算了跟瞄装置中光束指向驱动电机的最小加速度和其在跟踪过程中的运动特性。理论分析与仿真结果表明,当卫星偏离光斑中心一定距离时,指向驱动电机先加速后减速,补偿这个偏心,重新捕获跟踪卫星;重新捕获到跟踪所需时间受电机加速度和望远镜探测精度以及探测器响应处理时间影响,其中探测器精度对重新捕获到跟踪所需时间影响较大,探测器响应处理时间要减小到最小;为了使从捕获到跟踪过程中卫星始终在扫描光斑范围内,经纬仪驱动电机的最小角加速度为25.5°/s2。     

Experimental demonstration of free-space decoy-state quantum key distribution over 144 km

We report on the experimental implementation of a Bennett-Brassard 1984 (BB84) protocol type quantum key distribution over a 144 km free-space link using weak coherent laser pulses. Optimization of the link transmission was achieved with bidirectional active telescope tracking, and the security was ensured by employing decoy-state analysis. This enabled us to distribute a secure key at a rate of 12.8 bit/s at an attenuation of about 35 dB. Utilizing a simple transmitter setup and an optical ground station capable of tracking a spacecraft in low earth orbit, this outdoor experiment demonstrates the feasibility of global key distribution via satellites.     

Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST)

Five hundred meter aperture spherical radio telescope (FAST) will be the largest radio telescope in the world. The innovative engineering concept and design pave a new road to realizing a huge single dish in the most effective way. Three outstanding features of the telescope are the unique karst depressions as the sites, the active main reflector which corrects spherical aberration on the ground to achieve full polarization and a wide band without involving a complex feed system, and the light focus cabin driven by cables and servomechanism plus a parallel robot as secondary adjustable system to carry the most precise parts of the receivers. Being the most sensitive radio telescope, FAST will enable astronomers to jumpstart many of the science goals, for example, the neutral hydrogen line surveying in distant galaxies out to very large redshifts, looking for the first shining star, detecting thousands of new pulsars, etc. Extremely interesting and exotic objects may yet await discovery by FAST. As a multi-science platform, the telescope will provide treasures to astronomers, as well as bring prosperity to other research, e.g. space weather study, deep space exploration and national security. The construction of FAST itself is expected to promote the development in high technology of relevant fields.     

连续变焦大气相干长度测量系统设计

望远镜在大气光学参数测量中起到至关重要的作用,测量方法是通过跟踪恒星或者信标实时测量数据。基于不同速度信标的移动特点,需要设计3 m~6 m变焦大气相干长度测量系统用于大气相干长度的测量,设计波段为可见光486 nm~656 nm,探测元全视场11 mm,入瞳直径300 mm。利用光学设计软件设计出一款折返式变焦望远系统,光学结构由卡式望远系统和三组元机械补偿式连续变焦系统组成,系统结构简单,成本低,凸轮曲线平滑,压力升角均小于45。系统可对变焦焦距数据实时输出,适合于快速和慢速不同场合下实时进行大气参数测量。     

空间太阳望远镜在轨自动调焦的最小图像熵判据

由于复杂的发射状态和动态在轨空间环境以及高达0 1″的角分辨率,所以自动调焦技术已成为太阳空间望远镜在轨图像处理中的关键技术。在分析图像离焦时的状态特性的基础上,提出了一种新的更适用于空间相机的离焦判据———最小图像熵判据。最小图像熵合焦判据更适合于低对比度的天体目标。利用计算机仿真程序演示了给定目标经系统成像的过程,计算了不同离焦状态下的图像熵。这一技术将应用于2005年发射的太阳空间望远镜中。