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。     

10 kHz重复率全天时卫星激光测距

在上海天文台1 kHz卫星激光测距系统上,通过885 nm端面泵浦Nd：YAG实现对激光器改进和升级;对泵浦电流、Nd：YAG冷却水温及再生放大建立周期加以控制,在10 kHz下获得6 W功率532 nm近等幅值皮秒激光脉冲输出,发散角0.6 mrad,脉宽30 ps,光束质量M²=1.2。测量与分析各重复率1 kHz、2 kHz、4 kHz、5 kHz、6.25 kHz、10 kHz下单光子探测器噪声水平、虚警概率与距离门控的关系,噪声光子数N与重复率f关系为;重复率10 kHz下虚警探测概率P与距离门控Δt关系为,获得的含噪声、测量频率与激光能量的激光回波数表达式对测距系统设计有一定指导作用。通过距离门控控制实现了10 kHz全天时卫星激光测距,并实现同步轨道3.6 x 10⁴ km的北斗卫星Compassi6b白天测量。     

双望远镜的空间碎片激光测距试验研究

大口径望远镜有助于提升空间碎片目标测量能力。根据激光测距雷达方程应用多台相对较小口径望远镜同时接收激光回波信号,可等效实现单台大口径望远镜激光信号接收能力,弥补大口径望远镜在目标快速跟踪、系统运行维护等方面不足,并可兼顾测距系统测量能力和效率。基于中国科学院上海天文台相距约55 m的1.56 m和60 cm口径望远镜系统,研究了双接收望远镜测距技术,在国内首次开展双望远镜空间碎片激光观测试验,验证了多望远镜同时接收碎片目标激光信号测量技术。测量数据结果表明:1.56 m口径望远镜激光回波接收能力是60 cm口径望远镜的约3~4倍,双望远镜可等效于一台约1.65 m口径望远镜的激光接收能力,在远距离、小尺寸空间碎片目标高精度激光观测中将发挥重要作用。     

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。     

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。     

高自动化卫星激光测距系统研究与设计

卫星激光测距(SLR)技术因测量精度高而广泛应用,但由于涉及多门学科领域使得系统复杂,制约了自动化水平提高,影响着该技术的发展和推广应用。基于上海天文台SLR系统平台,分析了SLR的操作流程,提出光学系统、伺服系统、控制系统及远程监控管理系统等自动化发展方向,设计了角秒级精度光束指向瞄准方法,研制了精度为1″的小型化伺服控制系统,实现了观测模式的快速切换,并搭建远程监控管理系统,使整个SLR系统的自动化能力得到提高,减少了人力操作,提高了观测效率。应用上述研究成果,在国内成功进行了SLR的远程控制实验,实现了SLR系统的异地操作和监控,为SLR的全自动化及远程控制应用奠定了技术基础。     

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、...