基于角反射器不均匀分布模型的卫星形状效应研究

卫星形状效应是阻碍卫星激光测距(SLR)系统测距精度向毫米级发展的重要因素之一。基于卫星角反射器的实际分布,提出了角反射器不均匀分布(RUD)模型,计算了激光入射角与参与SLR过程的卫星角反射器个数、分布、反射强度的关系,分析讨论了卫星形状效应对SLR回波数据残差分布、卫星质心改正(CoM)值产生的影响。结果表明,与现有CoM模型不同,利用RUD模型计算得到的参与SLR反射的角反射器个数随激光入射角变化,角反射器分布分散且不对称,同纬度各角反射器反射激光强度不同,SLR回波波形中"拖尾效应"明显,与实测结果相符。同时,利用RUD模型得到的CoM值随激光入射角呈动态变化。对于Lageos-1卫星,长春站CoM平均值为248.1 mm,在国际激光测距服务组织的参考范围之内。     

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...     

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.     

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.     

角锥棱镜的斜入射远场衍射图样

角锥棱镜是激光反射器的主要光学组件,在合作目标卫星激光测距中发挥着关键作用.精确计算角锥棱镜的远场衍射图样是估算激光测距回波能量的必要过程.本文基于角锥棱镜的反射原理,分析了不同激光入射方向对反射器有效反射面积的影响,提出了一种适用范围更广的有效反射面积计算方法,同时分析了激光入射方向对角锥棱镜光学反射率的影响.在此基础上,应用光学标量衍射理论建立了远场衍射图样算法,分别对多种激光入射方向的镀金属(银)膜和无镀膜角锥棱镜进行了远场衍射图样仿真计算,得到了两类角锥棱镜的远场衍射图样分布随入射方向变化的规律.搭建了角锥棱镜远场衍射图样测试系统,通过实测结果与仿真计算的对比分析,验证了仿真计算的准确性.     

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.     

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。     

大气湍流间歇性对激光测距回波光子数的影响

基于大气湍流中的光传输理论,并利用与实际大气湍流更为接近的间歇性湍流的She模型,得到了适用于Kolmogorov大气湍流、间歇性大气湍流的光束长期项扩展和短期项漂移的近似解析式;结合激光测距方程,利用Matlab软件计算了低轨卫星、高轨卫星和月球的测距回波光子数,分析了大气湍流的间歇性对激光测距回波光子数的影响。结果表明,大气湍流的间歇性越大,测距回波光子数越多;回波光子数在间歇性大气湍流与无湍流情况下的比值约为1/20。     

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.     

脉冲串互相关方法在远程激光测距中的应用

基于单脉冲激光测距在远程激光测距中的局限性,提出了一种基于发射脉冲串与回波脉冲串互相关的信号处理方法。该方法将多个激光发射脉冲和回波脉冲作为一次连续信号同时数字化,然后进行互相关处理。采用激光强度与发射间隔可调的激光系统来模拟不同反射强度、不同距离的测距回波信号;通过处理不同信噪比的回波信号,来探究本方法对于回波信号信噪比的提升能力以及对于尖峰噪声的抑制能力。实验结果表明,该方法能够有效提高回波信号的信噪比,信噪比为0.11的弱回波信号经过处理后信噪比被提升到5.92,从而扩展了激光测距系统的测程,有效降低了探测系统的探测虚警率,提高了远程激光测距系统的弱回波探测能力。     

机载角反射器阵列设计

 低轨目标目前流行的类半球状布阵方式的远程角偏小,测距盲区较大。对角锥棱镜进行研究分析,依据角反射器光束入射角度允许变化范围,合理分布角反射器,设计了一机载激光反射器装置,外形尺寸为119 mm×88.8 mm,共有15个角锥棱镜,底面切割成正六边形,底面边长为15.5 mm,底面对边距为26.87 mm,有效通光口径为25 mm,高为19 mm。考虑到角反射器的速差效应及其补偿要求,角锥棱镜最大角误差为5″,面形最大误差为5″。通过合理设计,比较单层角反射器,增加了入射光允许的角度范围,大大减小了低轨目标的测试盲区。     

High speed pseudorandom modulation fiber laser ranging system

A laser ranging system using all fiber high speed pseudorandom （PN） coded laser at 1550 nm and photon counting is proposed to realize high spatial resolution. Different lengths of PN code are employed in the optical fiber delay ranging test, the results show the improvement in both ranging accuracy and signal-tonoise ratio （SNR） as PN code trains increase. A ranging accuracy of 3 cm is acquired when transmitting pulses propagate to a target of 1.77 km away and received by an InGaAs/InP avalanche photodiode （APD）. Simulation is also carried out under space borne condition based on current system. The system is demonstrated to have a potential for remote ranging and imaging.     

适用于高精度激光测距的光学系统设计北大核心CSCD

随着激光雷达技术的发展和测距精度需求的提高,对发射和接收光学系统提出了新的要求,需具有光束可调节、测量光斑小、回波效率高等特性。设计一种工作于1550 nm光通信波段的收发一体光学系统,发射与接收模块共用部分光路,以减小接收视野盲区,同时有利于结构小型化。为解决不同测量距离、不同表面倾角造成的回波能量差异问题,将光学系统的扩束组件设计成放大倍率为2×~3.5×的连续可调结构;使用两组双胶合透镜进行色差校正,以降低光谱宽度对系统传播距离的影响。经设计优化,系统准直后的激光发散角小于0.3 mrad,出射光斑直径在6.26 mm~10.20 mm连续可调,对于50 m内的测量目标,照射光斑直径均小于20 mm,且在不同变焦位置发散角和光斑直径均满足设计要求。     

A new method for determination of satellite orbits by transfer

The original idea of a new method for determination of satellite orbits by transfer is from Two-Way Satellite Time and Frequency Transfer (TWSTFT). The original method is called “determination of satellite orbit by transfer”. The method is not only for determination of satellite orbit but also for the time transfer with high accuracy and precision. The advantage is that the accuracy and the precision for determination of satellite orbit are very high and the new method is favorable for various applications. The combination of various signals disseminated and received forms various modes of satellite orbit determinations. If receivers at stations receive the own station-disseminated signals via a satellite transponder, it forms an orbit determination mode called “receiving the own station-disseminated signals mode”. If receivers at all stations receive the signals disseminated from the master station via satellite transponders, it forms an orbit determination mode called “receiving the master station-disseminated signals mode”. If all of receivers at stations receive all stations-disseminated signals via satellite transponders, it forms an orbit determination mode called “receiving all stations-disseminated signals mode”. Also there are other combinations of signals for satellite orbit determination. For different orbit determination modes with different signal combinations, their rigorous formulae of processing are hereby presented in this paper. The accurate and the precise satellite orbit determination for both of the modes, “receiving the own station-disseminated signals mode” and “receiving the master station-disseminated signals mode” is attempted. It shows that the accuracy and precision for both of modes are nearly the same, the ranging accuracy is better than 1 cm, and the observation residuals of satellite orbit determination are better than 9 cm in the observation duration of 1 day. Supported by the National Basic Research and Development Program of China (Grant No. 2007CB815503100453001)     

Orbit determination for geostationary satellites with the combination of transfer ranging and pseudorange data

Geostationary satellites(GEOs) play a significant role in the regional satellite navigation system.Simulation experiments show that the clock corrections could be mitigated through a single strategy or double differencing strategies for a navigation constellation,but for the mode of individual GEO orbit determination,high precision orbit and clock correction could not be obtained in the orbit determination based on the pseudorange data.A new GEO combined precise orbit determination(POD) strategy is studied in this paper,which combines pseudorange data and C-band transfer ranging data.This strategy overcomes the deficiency of C-band transfer ranging caused by limited stations and tracking time available.With the combination of transfer ranging and pseudorange data,clock corrections between the GEO and the stations can be estimated simultaneously along with orbital parameters,maintaining self-consistency between the satellite ephemeris and clock correction parameters.The error covariance analysis is conducted to illuminate the contributions from the transfer ranging data and the psudoranging data.Using data collected for a Chinese GEO satellite with 3 C-band transfer ranging stations and 4 L-band pseudorange tracking stations,POD experiments indicate that a meter-level accuracy is achievable.The root-mean-square(RMS) of the post-fit C-band ranging data is about 0.203 m,and the RMS of the post-fit pseudorange is 0.408 m.Radial component errors of the POD experiments are independently evaluated with the satellite laser ranging(SLR) data from a station in Beijing,with the residual RMS of 0.076 m.The SLR evaluation also suggests that for 2-h orbital predication,the predicted radial error is about 0.404 m,and the clock correction error is about 1.38 ns.Even for the combination of one C-band transfer ranging station and 4 pseudorange stations,POD is able to achieve a reasonable accuracy with the radial error of 0.280 m and the 2-h predicted radial error of 0.888 m.Clock synchronization between the GEO and tracking stations is achieved with an estimated accuracy of about 1.55 ns,meeting the navigation service requirements.     

飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试技术

飞秒激光在激光核聚变、卫星精密测距、激光微加工等领域具有重要的应用前景,同时也是产生太赫兹波的主要泵浦源。介绍了国内外飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形的测试方法,比较了自相关法、频率分辨光学快门法、光谱相位相干直接电场重构法的优缺点。自相关法具有脉宽测量范围广、结构简单等特点,但不具备脉冲波形测试能力。光谱相位相干直接电场重构法对待测激光光束质量要求较高, 不适合大量程范围激光脉宽快速测量。为满足10 fs~5 ps大量程范围超短激光脉冲宽度和脉冲波形的测试需求,采用自相关法及二次谐波频率分辨光学开关法研制飞秒激光脉冲宽度和脉冲波形测试仪,时间分辨率优于2 fs。     

脉冲激光测距回波信号时间选通处理技术

为了降低高重频脉冲激光测距回波信号的误识别率,提高测距性能,对高重频脉冲激光测距回波信号调理技术进行深入研究。采用FPGA作为主控芯片,产生激光调制脉冲,并根据被测距离3.33 μs～33.33 μs时间选通方波信号,驱动开关芯片产生与量程关联的时间波门,有效滤除脉冲回波中的干扰脉冲,该方法改进了常规脉冲激光测距信号处理系统的自动增益控制环节。测试实验结果表明:在脉冲回波信号60 dB的动态范围内,可有效滤除回波信号中引入的干扰脉冲,极大地降低了干扰脉冲误识别造成粗大误差的可能性。该方法可推广应用于脉冲激光测距信号处理系统,使系统测距精度提高12.6%。