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1 064 nm波长白天卫星激光测距试验

邓华荣 龙明亮 张海峰 吴志波 汤凯 张忠萍

邓华荣, 龙明亮, 张海峰, 吴志波, 汤凯, 张忠萍. 1 064 nm波长白天卫星激光测距试验[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20200021. doi: 10.3788/IRLA20200021
引用本文: 邓华荣, 龙明亮, 张海峰, 吴志波, 汤凯, 张忠萍. 1 064 nm波长白天卫星激光测距试验[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20200021. doi: 10.3788/IRLA20200021
Deng Huarong, Long Mingliang, Zhang Haifeng, Wu Zhibo, Tang Kai, Zhang Zhongping. Experiment of satellite laser ranging in daytime based on 1 064 nm wavelength[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(10): 20200021. doi: 10.3788/IRLA20200021
Citation: Deng Huarong, Long Mingliang, Zhang Haifeng, Wu Zhibo, Tang Kai, Zhang Zhongping. Experiment of satellite laser ranging in daytime based on 1 064 nm wavelength[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(10): 20200021. doi: 10.3788/IRLA20200021

1 064 nm波长白天卫星激光测距试验

doi: 10.3788/IRLA20200021
基金项目: 国家自然科学基金(U1631240,11903066)
详细信息
    作者简介:

    邓华荣(1987-),男,工程师,硕士生,主要从事卫星激光测距方面的研究。Email:dhr@shao.ac.cn

    通讯作者: 张忠萍(1960-),男,研究员,博士生导师,主要从事卫星激光测距方面的研究。Email:zzp@shao.ac.cn
  • 中图分类号: P228.5

Experiment of satellite laser ranging in daytime based on 1 064 nm wavelength

  • 摘要: 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。
  • 图  1  1 064 nm激光指向夜间监视效果图

    Figure  1.  1 064 nm laser pointing monitoring diagram at night

    图  2  激光发射光路示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of laser transmitting path

    图  3  1 064 nm激光指向机械重合度调节示意图

    Figure  3.  Schematic diagram for adjustment of axis coincidence of mechanical axis

    图  4  接收终端系统示意图

    Figure  4.  Schematic diagram of receiving terminal

    图  5  不同卫星实时测距界面、数据预处理界面

    Figure  5.  Real time ranging interface and data preprocessing interface of different satellites

    表  1  噪声计算公式参数说明

    Table  1.   Parameter description of noise calculation formula

    ParameterDescription
    ΛPhotoelectron rate of satellite laser ranging system
    PBSystem noise power
    hPlanck's constant,6.63×10−34 J·s−1
    νOptical frequency,2.8×1014 Hz
    ΩrReceiving field of view angle,7.85×10−9 sr
    ArReceiving area,0.251 m2
    ηrReception efficiency of telescope optical system,0.37
    ηqQuantum efficiency of detector,0.2
    NλDaytime sky spectral brightness
    δλFWHM of narrow filter,2.2 nm
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    表  2  1064 nm波长白天背景噪声实测结果

    Table  2.   Measured results of background noise at 1 064 nm in daytime

    GroupAngle with the sun/(°) 1 064 nm noise/MHz
    15910.7
    262.511.8
    358.811.2
    Average60.111.3
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    表  3  发射望远镜不同波长目镜与物镜的距离(单位:mm)

    Table  3.   Distance between the eyepiece and the objective lens of the transmitting telescope with different wavelengths (Unit: mm)

    ItemEyepiece lens-532 nmObjective lens-532 nmEyepiece lens-1 064 nmObjective lens-1 064 nm
    Refractive index1.519 61.519 61.510 51.510 5
    Radius of curvature 1−96.41−96.41
    Radius of curvature 2−704−515.35−704−515.35
    Thickness of glass622622
    Focal length−215.72991.82−219.551009.5
    Distance between objective and eyepiece lens776.10789.95
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    表  4  1 064 nm波长白天卫星激光测距结果

    Table  4.   Satellite laser ranging results of 1 064 nm in daytime

    DateTime/UTCSatelliteDistance/kmPointPrecision/mm
    2018.11.2322:05:13Lares2 499.548 04710.3
    2019.01.229:26:13Glonass13219 856.532 65824.4
    2019.01.229:30:23Compassg137 268.5329822.3
    2019.06.147:36:17Ajisai3 577.0557 21210.5
    2019.06.147:57:51Galileo20117 436.904 99012.7
    2019.06.148:44:7Lares2 499.545 50515.4
    2019.06.148:41:31Glonass13319 475.903 94723.9
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  • [1] 叶叔华, 黄珹. 天文地球动力学[M]. 济南: 山东科学技术出版社, 2000: 91-129.

    Ye Shuhua, Huang Cheng. Astronomical Geodynamics[M]. Ji’nan: Shandong Science and Technology Press, 2000: 91-129. (in Chinese)
    [2] Murphy T W, JR Adelbergere G, Battat J B R, et al. The Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation: Instrument description and first detections [J]. The Astronomical Society of the Pacific, 2008, 120: 20-37. doi:  10.1086/526428
    [3] 王楠, 邓华荣, 张海峰. 1064 nm波长白天背景噪声分析及应用研究[J]. 激光与红外, 2019, 49(10): 1190-1194.

    Wang Nan, Deng Huarong, Zhang Haifeng. et al. Daytime background noise analysis and application research in 1064 nm band [J]. Laser and Infrared, 2019, 49(10): 1190-1194. (in Chinese)
    [4] Smith C H. The EOS space debris tracking system[C]// Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference, 2006.
    [5] Courde C, Torre J M, Samain E, et al. Lunar laser ranging in infrared at the Grasse laser station [J]. Astronomy & Astrophysics, 2016, 602(90): 1-12.
    [6] 张子昂. 白天kHz卫星激光测距回波探测系统研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2012: 16-17.

    Zhang Ziang. Research on kHz satellite laser ranging echo detection system in the daytime[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2012: 16-17. (in Chinese)
    [7] 孙凤萤. 全天空背景光谱辐射特性研究[D]. 合肥: 中国科学技术大学, 2016: 39-42.

    Sun Fengying. Study on the characteristic of the whole sky background radiation[D]. Heifei: University of Science and Technology of China, 2016: 39-42. (in Chinese)
    [8] Ivan Prochazka, TerezaFlekova, Jan Kodet. New SPAD detector package for SLR and laser time transfer[C]//ILRS Technical Workshop, 2019.
    [9] 吴志波, 邓华荣, 张海峰, 等. 卫星激光测距中光束亮度的偏振影响及应用[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(3): 0306005. doi:  0306005

    Wu Zhibo, Deng Huarong, Zhang Haifeng, et al. Polarization effects of laser beam brightness and its application in Satellite Laser Ranging [J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(3): 0306005. (in Chinese) doi:  0306005
    [10] 杨福民, 肖炽, 陈婉珍, 等. 白天卫星激光测距系统的设计和实测结果[J]. 中国科学(A辑), 1998, 28(11): 1048-1056.
    [11] 孟文东, 张海峰, 邓华荣, 等. 基于1.06 μm波长的空间合作目标及碎片高精度激光测距试验[J]. 物理学报, 2020, 69(1): 365-372.

    Meng Wendong, Zhang Haifeng, Deng Huarong. et al. 1.06 µm wavelength based high accuracy satellite laserranging and space debris detection [J]. Acta Physica Sinica, 2020, 69(1): 365-372. (in Chinese)
  • [1] 张斌, 李颖, 刘丙海.  基于金纳米笼和MoS2的1 123 nm被动调Q Nd: YAG激光器 . 红外与激光工程, 2020, 41(): 1-6. doi: 10.3788/IRLA20200084
    [2] 李春晓, 李祝莲, 汤儒峰, 李荣旺, 李语强.  一发两收卫星激光测距系统中目标距离测量试验 . 红外与激光工程, 2020, 49(S1): 20200145-20200145. doi: 10.3788/IRLA20200145
    [3] 李祝莲, 翟东升, 张海涛, 皮晓宇, 伏红林, 李荣旺, 李鹏飞, 张蜡宝, 李语强.  基于超导探测器的白天卫星激光测距试验与研究 . 红外与激光工程, 2020, 49(8): 20190536-1-20190536-6. doi: 10.3788/IRLA20190536
    [4] 张喜梅, 陈思梦, 施沈城, 周青青, 段延敏, 朱海永.  级联Nd:GdVO4自拉曼1 309 nm激光性能研究 . 红外与激光工程, 2019, 48(11): 1105002-1105002(5). doi: 10.3788/IRLA201948.1105002
    [5] 柏刚, 沈辉, 杨依枫, 赵翔, 张璟璞, 何兵, 周军.  光谱合成激光阵列指向偏差的光束特性分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(1): 103010-0103010(6). doi: 10.3788/IRLA201847.0103010
    [6] 张伟, 吴闻迪, 余婷, 孟佳, 杨中国, 陈晓龙, 刘超铭, 叶锡生.  高功率窄谱宽1 915 nm掺铥光纤激光器研究 . 红外与激光工程, 2018, 47(5): 505001-0505001(7). doi: 10.3788/IRLA201847.0505001
    [7] 吕华昌, 陈念江, 钟声远, 李楠楠, 李长桢, 郭丽娜, 吴健, 耿园园.  试验卫星激光反射器的设计和试验 . 红外与激光工程, 2018, 47(8): 806005-0806005(9). doi: 10.3788/IRLA201847.0806005
    [8] 温冠宇, 王爽, 安宁, 董雪, 韩兴伟.  光行差对高轨卫星激光测距的影响分析 . 红外与激光工程, 2018, 47(9): 906001-0906001(5). doi: 10.3788/IRLA201847.0906001
    [9] 罗青山, 郭唐永, 邹彤, 朱威, 姚运生.  HY-2卫星激光反射器理论分析及激光测距实验 . 红外与激光工程, 2017, 46(11): 1106003-1106003(7). doi: 10.3788/IRLA201746.1106003
    [10] 邓华荣, 吴志波, 李朴, 汤凯, 张海峰.  偏振调能技术对SLR数据偏差的改善研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 917005-0917005(4). doi: 10.3788/IRLA201746.0917005
    [11] 文明, 李南雷, 吴洁.  532 nm/1 064 nm激光烧蚀铝靶冲量耦合特性实验研究 . 红外与激光工程, 2017, 46(S1): 24-28. doi: 10.3788/IRLA201746.S106005
    [12] 李国元, 唐新明, 樊文锋, 窦显辉, 马跃.  基于地面红外探测器的星载激光测高仪在轨几何定标 . 红外与激光工程, 2017, 46(11): 1117004-1117004(7). doi: 10.3788/IRLA201746.1117004
    [13] 吴志波, 邓华荣, 张海峰, 汤凯, 张忠萍.  高重复率卫星激光测距中后向散射干扰及规避 . 红外与激光工程, 2017, 46(2): 206002-0206002(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0206002
    [14] 吴志波, 邓华荣, 张海峰, 汤凯, 张忠萍.  卫星激光测距中光束亮度的偏振影响及应用 . 红外与激光工程, 2016, 45(3): 306005-0306005(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0306005
    [15] 周景涛, 黄敬霞, 李莉.  1 110 nm Nd:GGG 激光器与555 nm 倍频激光器 . 红外与激光工程, 2015, 44(3): 867-871.
    [16] 冯爱新, 庄绪华, 薛伟, 韩振春, 孙铁囤, 陈风国, 钟国旗, 印成, 何叶.  1 064 nm、532 nm、355 nm波长脉冲激光辐照多晶硅损伤特性研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(2): 461-465.
    [17] 李语强, 李荣旺, 李祝莲, 翟东升, 伏红林, 熊耀恒.  空间碎片激光测距应用研究 . 红外与激光工程, 2015, 44(11): 3324-3329.
    [18] 詹光达, 马彬, 张艳云, 马宏平.  预处理效应对1 064 nm 反射膜本征损伤性能的影响 . 红外与激光工程, 2014, 43(6): 1715-1721.
    [19] 康文运, 宋小全, 韦震.  白天空间目标激光测距微弱信号探测方法 . 红外与激光工程, 2014, 43(9): 3026-3029.
    [20] 韩艳丽, 王铎, 张健, 樊利恒, 孙腾飞.  近红外多视场白天测星分析 . 红外与激光工程, 2013, 42(8): 2202-2208.
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-10
  • 修回日期:  2020-02-15
  • 网络出版日期:  2020-11-03
  • 刊出日期:  2020-11-03

1 064 nm波长白天卫星激光测距试验

doi: 10.3788/IRLA20200021
    作者简介:

    邓华荣(1987-),男,工程师,硕士生,主要从事卫星激光测距方面的研究。Email:dhr@shao.ac.cn

    通讯作者: 张忠萍(1960-),男,研究员,博士生导师,主要从事卫星激光测距方面的研究。Email:zzp@shao.ac.cn
基金项目:  国家自然科学基金(U1631240,11903066)
  • 中图分类号: P228.5

摘要: 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。

English Abstract

    • 卫星激光测距(Satellite Laser Ranging,SLR)技术作为目前卫星测距精度最高的技术,在航天器精密定轨及全球范围的高精度激光时间传递等方面得到广泛应用[1]

      卫星激光测距中,信噪比大小直接决定了测距系统的有效探测能力,提高信噪比在白天显得尤为重要[2]。与532 nm波长测距系统相比,1 064 nm波长测距系统中,激光功率高、大气透过率高、相同能量光子数多,诸多优势有助于提高回波信号。同时,1 064 nm波长比532 nm波长的白天天空背景噪声强度要低一个数量级以上[3]。这将显著降低测距系统噪声。随着近年红外探测与监视器件的日渐成熟,1 064 nm波长卫星激光测距已成为国际激光测距技术的一个重要发展方向[4-5]

      在实际应用中,采用小发散角来提高回波信号强度,这对激光指向精度提出了较高的要求。针对1 064 nm白天激光指向监视具体问题,建立了激光指向的校准模型,根据夜间红外相机完成了激光指向的调节,即实现了光路与机械轴的重合度调节,满足了白天卫星激光测距中的激光指向需求。

      文中分析了白天1 064 nm波长系统噪声情况,并基于夜间1 064 nm波长卫星激光测距基础,采用红外监视相机完成了优于5″的激光指向精度调节,接收终端安装带宽为2.2 nm的1 064 nm波长窄带滤光片,建立了白天1 064 nm卫星激光测距试验系统,开展了观测试验研究,并对测量结果进行了分析。

    • 在白天卫星激光测距系统中,噪声由天空背景噪声及探测器暗噪声所组成,相对于白天天空背景噪声,探测器本身的暗噪声比前者低两个数量级,可忽略不计。根据白天卫星测距时的系统噪声计算公式[6]

      $$ {{{\varLambda}}}=\dfrac{{\eta }_{\rm q}{P}_{\rm B}}{h\nu }=\frac{{\eta }_{\rm q}}{h\nu }{N}_{\lambda }\left(\delta \lambda \right){{\varOmega }}_{\rm r}{A}_{\rm r}{\eta }_{\rm r} $$

      公式中的参数说明如表1所示。

      表 1  噪声计算公式参数说明

      Table 1.  Parameter description of noise calculation formula

      ParameterDescription
      ΛPhotoelectron rate of satellite laser ranging system
      PBSystem noise power
      hPlanck's constant,6.63×10−34 J·s−1
      νOptical frequency,2.8×1014 Hz
      ΩrReceiving field of view angle,7.85×10−9 sr
      ArReceiving area,0.251 m2
      ηrReception efficiency of telescope optical system,0.37
      ηqQuantum efficiency of detector,0.2
      NλDaytime sky spectral brightness
      δλFWHM of narrow filter,2.2 nm

      对于公式中的天空光谱背景亮度Nλ,由参考文献[7]可知太阳夹角在67.57°附近时,1 064 nm波长附近的天空背景亮度约为0.6~0.8 µW·sr−1·cm−2·nm−1,理论计算获得的数据Λ为9.8~13.1 MHz。

      为验证上述噪声分析结果,搭建了1 064 nm卫星激光测距噪声测试系统,对1 064 nm波长的系统噪声进行了测量。具体步骤如下[8]:开启卫星激光测距系统,驱动望远镜指向某一天区(与太阳不同的夹角),使用激光测距软件对系统噪声进行采集。统计探测器每个噪声的响应时间(t1,t2,t3,…,ti),并获得最小响应时间为tmin,对(t1-tmin,t2-tmin,t3-tmin,…,ti-tmin)系列数据求平均得到tavr,其倒数即为系统噪声。通过测量试验,获得的系统噪声结果如表2所示,通过数据可以看出,1 064 nm卫星激光测距噪声测试结果与理论计算基本吻合。

      表 2  1064 nm波长白天背景噪声实测结果

      Table 2.  Measured results of background noise at 1 064 nm in daytime

      GroupAngle with the sun/(°) 1 064 nm noise/MHz
      15910.7
      262.511.8
      358.811.2
      Average60.111.3

      综上所述,装有带宽为2.2 nm窄带滤光片的1 064 nm激光测距试验系统噪声为11.3 MHz,而上海天文台532 nm激光测距系统(采用带宽为0.15 nm的窄带滤光片)噪声约为3 MHz[9],1 064 nm试验系统窄带滤光片带宽虽为532 nm测距系统的14.67倍,噪声仅为532 nm测距系统的3.77倍,如采用同532 nm激光测距系统相同带宽的窄带滤光片,1 064 nm试验系统约为532 nm系统噪声的1/4,验证了1 064 nm天空背景辐射低的优点。

    • 中国科学院上海天文台(下称上海天文台)卫星激光测距系统采用收发分离式,通常利用后向散射进行激光指向监视,如图1所示。在532 nm卫星激光测距系统中,可采用高速相机实现激光指向的实时监视与修正[10]。在夜间时,可采用红外相机监视1 064 nm激光光束指向。但目前现有红外相机无法满足监视白天1 064 nm激光指向的应用需求。因此,需对激光光路进行高精度调节,达到白天激光测距时无需监视激光指向的目的。

      图  1  1 064 nm激光指向夜间监视效果图

      Figure 1.  1 064 nm laser pointing monitoring diagram at night

      图2为激光发射光路示意图,Coude 1~Coude 5为45°反射镜片,用以完成光路折转,在激光未与望远镜的方位机械轴、俯仰机械轴重合时,激光指向随望远镜的转动而变化。望远镜仰角固定时,在相机上激光指向的轨迹为一个圆弧,而圆心即为望远镜的方位轴,俯仰轴亦是如此。实现激光发射光路与望远镜的机械轴重合即简化为一个几何问题,具体步骤如下。借助夜间1 064 nm激光束监视相机,在望远镜指向方位0°、仰角60°和方位180°、仰角60°分别记录激光束指向的位置A1、A2 (如图3(a)所示),调节相应镜片使激光指向AA1、A2的中点)。在俯仰轴调节过程中,由于打倒镜的不变性,在望远镜指向方位0°、仰角20°;方位0°、仰角50°;方位0°、仰角70°位置分别记录激光指向位置H1、H2和H3 (如图3(b)所示),调节相应镜片使激光指向H H1、H2和H3圆弧轨迹的圆心)。重复上述步骤2~3次后,可保证激光指向精度优于5″。

      图  2  激光发射光路示意图

      Figure 2.  Schematic diagram of laser transmitting path

      图  3  1 064 nm激光指向机械重合度调节示意图

      Figure 3.  Schematic diagram for adjustment of axis coincidence of mechanical axis

    • 在上海天文台收发分离式卫星激光测距中,发射望远镜采用单片目镜与单片物镜的伽利略结构,接收望远镜采用反射式卡塞格林式系统[11]。对于发射望远镜,由于透镜材料对不同波长激光的折射率不同,1 064 nm激光测距试验系统中物镜与目镜的距离,需在532 nm系统基础上增加约14 mm (详细计算见表3)。

      表 3  发射望远镜不同波长目镜与物镜的距离(单位:mm)

      Table 3.  Distance between the eyepiece and the objective lens of the transmitting telescope with different wavelengths (Unit: mm)

      ItemEyepiece lens-532 nmObjective lens-532 nmEyepiece lens-1 064 nmObjective lens-1 064 nm
      Refractive index1.519 61.519 61.510 51.510 5
      Radius of curvature 1−96.41−96.41
      Radius of curvature 2−704−515.35−704−515.35
      Thickness of glass622622
      Focal length−215.72991.82−219.551009.5
      Distance between objective and eyepiece lens776.10789.95

      反射式接收望远镜没有色散效应,主要更换接收终端系统内镜片以兼顾1 064 nm的测距试验系统需求。图4列出了接收终端系统中的主要设备,其中1 064 nm滤光片、1 064 nm激光指向监视相机以及1 064 nm探测器为此次试验增加的部分,分别用以对白天背景噪声的抑制、1 064 nm激光指向的监视以及回波信号的探测。探测器采用三级制冷型,芯片为Princeton LightwavePGA-200-1064,芯片靶面大小为80 μm,在1 064 nm波段处的量子效率大于20%。由于1 064 nm激光后向散射微弱,需将接收望远镜接收的全部能量用激光指向监视,即采取激光指向监视与回波信号探测分时进行的方法,这与532 nm测距系统中回波信号探测同时监视激光指向是不同的。对于其他设备,1 064 nm卫星激光测距试验系统与532 nm测距系统相同,保证了试验系统的正常进行。

      图  4  接收终端系统示意图

      Figure 4.  Schematic diagram of receiving terminal

    • 根据第2.1部分的理论分析与测试数据,基于带宽为2.2 nm窄带滤光片的1 064 nm卫星激光测距试验系统,噪声为532 nm测距系统(窄带滤光片带宽为0.15 nm)的3.77倍。为提升1 064 nm白天测距试验系统信噪比以及验证整个试验系统,对上海天文台自研的一台2.7 W@532 nm激光器进行改造,将激光器后级使用倍频晶体移出光路,实现了约5 W的1 064 nm激光输出,激光器其他技术指标参数如下:发散角(全角)为1.15 mrad、脉宽约为50 ps、重复频率为1 kHz。

      根据第2.2部分的激光指向模型,在夜间借助1 064 nm监视相机精调了激光光路与望远镜的机械轴的重合程度,解决了白天需实时监视激光指向的问题。此节分别建立了1 064 nm白天测距试验系统的发射光学系统、接收光学系统,在晨昏时间段(太阳高度角约10°左右),开展了1 064 nm白天卫星激光测距试验。试验系统分别对近地、中高轨、同步轨道卫星开展了测距试验,均成功获得有效数据,图5为1 064 nm测距试验系统不同卫星的实时测距界面、数据预处理界面,测距部分数据如表4所示。从图5卫星激光测距实时界面可以看出,激光回波信号线较粗即精度较差,这主要是由于激光器存在多条脉冲。预处理时仅对单条脉冲信号进行数据预处理,预处理结果记录于表4。对于Glonass132、Compassg1卫星,1 064 nm测距精度与532 nm测距精度相当。

      表 4  1 064 nm波长白天卫星激光测距结果

      Table 4.  Satellite laser ranging results of 1 064 nm in daytime

      DateTime/UTCSatelliteDistance/kmPointPrecision/mm
      2018.11.2322:05:13Lares2 499.548 04710.3
      2019.01.229:26:13Glonass13219 856.532 65824.4
      2019.01.229:30:23Compassg137 268.5329822.3
      2019.06.147:36:17Ajisai3 577.0557 21210.5
      2019.06.147:57:51Galileo20117 436.904 99012.7
      2019.06.148:44:7Lares2 499.545 50515.4
      2019.06.148:41:31Glonass13319 475.903 94723.9

      图  5  不同卫星实时测距界面、数据预处理界面

      Figure 5.  Real time ranging interface and data preprocessing interface of different satellites

      1 064 nm激光测距试验系统在白天获得了多圈次卫星的回波数据,与532 nm激光测距系统结果相比,由于目前窄带滤光片带宽较大、系统噪声较大,目前试验结果的回波点数较少。同时,由于激光光路与望远镜机械轴的重合度调节在晚上进行,白天由于温度变化以及太阳照射会引入望远镜机械轴的变化,目前获得有效圈数较少。。

    • 中文针对1 064 nm白天卫星激光测距中激光指向监视的具体问题,在夜间建立了激光指向校准模型,使得激光指向精度优于5″。在现有带宽为2.2 nm窄带滤光片的基础上,对1 064 nm白天测距试验系统的噪声进行了测量,实测数据与理论计算基本吻合。开展了1 064 nm波长卫星激光测距试验,成功在白天获得最远同步轨道卫星Compassg1的有效数据。后续将调研半高带宽更窄的红外窄带滤光片以及消色差发射望远镜的应用,优化探测器系统设计降低探测器时间游动效应,以实现白天1 064 nm卫星激光测距的常规运行。

参考文献 (11)

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