1 上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200444
2 中国科学院上海天文台，上海 200030
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
4 中国科学院大学，北京 100049
5 上海大学 材料科学与工程学院，上海 200444
卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR）以脉冲激光为媒介获取卫星的精确距离，是空间大地测量技术中准确度最高的手段。在传统卫星激光测距系统中，通过测量已知距离的固定靶目标实现系统总时延的标定，对获取单向发射或接收时延的研究较少，这制约了卫星激光测距在激光时间比对、多台站协同测距及行星际激光测距等方面的应用。文中开展皮秒准确度时延标定方法的研究，首先，分析了卫星激光测距系统的时延组成及影响因素；其次，以中国科学院上海天文台卫星激光测距系统为平台，开展电学、光学和光电转换等时延的高精度测量，并将各部分时延组合完成收发时延的标定；最后，分析发射和接收时延标定的准确度，并将时延标定方法应用于地靶距离偏差的校验，验证时延标定方法的可行性。结果表明，发射和接收时延标定的准确度分别优于11 ps和13 ps，地靶距离偏差与国际激光测距组织（ILRS）反馈值相差仅11 ps。
卫星激光测距 时延标定 单向时延 激光时间比对 距离偏差 satellite laser ranging time delay calibration one-way delay laser time transfer distance bias 红外与激光工程
2023, 52(10): 20230070
1 中国科学院上海天文台, 上海
2 中国科学院卫星与碎片观测重点实验室, 南京
3 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海
4 北京工业大学激光工程研究院, 北京
空间碎片严重威胁在轨运行航天器的安全, 并且对有限的轨道资源造成严重浪费。利用皮秒激光探测是高精度空间碎片激光测距的发展趋势。但是单脉冲运转的皮秒激光器峰值功率较高, 易损坏光学器件, 其能量与功率进一步提升难度较大。当皮秒激光以脉冲串方式运转时, 可将脉冲能量分散到每个脉冲上时, 不仅可以降低各单脉冲能量、避免器件损坏, 也使得进一步提高皮秒激光输出功率成为可能。因此, 脉冲串皮秒激光器对空间碎片的探测起到了重要推动作用, 近几年得到了广泛关注。对脉冲串产生方法及激光进行概述, 为从事超快皮秒激光研究人员及超快皮秒激光的应用提供技术参考。
脉冲串 皮秒激光 空间碎片 激光测距 pulse burst picosecond laser space debris laser ranging
1 上海大学 计算机工程与科学学院，上海 200444
2 中国科学院上海天文台，上海 200030
3 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
4 华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海 200241
对卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)回波数与重复频率、脉冲能量及功率关系进行分析，表明单位时间内相同激光回波数，重复频率越高所需激光脉冲能量和平均功率越低；同时对SLR单次测量精度及标准点数据精度进行分析，表明标准点时长内测距点数越多，SLR标准点精度越高。提出点火脉冲群与门控脉冲群收发交替的工作模式，解决超高重复频率后向散射光噪声对激光回波干扰问题。开发多缓冲区存储模式，使测量软件数据实时处理与储存效率提升4~6倍。基于中国科学院上海天文台60 cm口径SLR系统，以快速事件计时器、脉冲群生成器、低噪声单光子探测器等，采用脉冲间隔5 μs、单脉冲能量80 μJ的皮秒激光，收发交替脉冲群模式下实现100 kHz重复频率低轨至高轨卫星的SLR测量，近地星Hy2b标准点精度达到28.55 μm，远地星Galileo218标准点精度达到136.51 μm，为发展更高重频和高精度空间目标激光测距提供了有效方法。
卫星激光测距 重复频率 后向散射规避 激光收发交替 satellite laser ranging repetition rate back-scatter avoidance laser emission and reception alternation 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220121
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
3 华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室, 上海 200062
4 北京工业大学激光工程研究院, 北京 100124
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。
激光光学 皮秒激光 空间碎片激光测距 多脉冲 单光子探测
1 中国科学院上海天文台，上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，江苏 南京 210008
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。
卫星激光测距 1 064 nm 白天 同步轨道卫星 激光指向 satellite laser ranging 1 064 nm daytime geosynchronous orbit satellite laser pointing 红外与激光工程
2020, 49(10): 20200021
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
3 中国科学院新疆天文台, 新疆 乌鲁木齐 830011
以上海天文台收发分离的21 cm/60 cm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400 ps。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2.5 km的双望远镜系统对距离大于1000 km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。
遥感 卫星激光测距 多台望远镜接收 系统时延 距离门控 远距离探测
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
3 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
多台望远镜同时进行信号接收可有效增加激光回波数,提升目标激光信号探测能力。多望远镜接收测量系统间的时间同步精度,直接影响测量数据误差。为此,提出了光纤时间频率传递在多望远镜测量系统中的时间频率同步方法,并测试了光纤时间频率传递系统的装置性能,其时间同步精度达62 ps,变化率每天约为4 ps,满足卫星激光测量要求。基于双望远镜信号接收激光测距系统及光纤时间频率传递装置,开展了单望远镜激光发射、双望远镜信号接收的卫星激光观测实验。与卫星精密轨道相比,双望远镜联合获得的卫星距离测量外符误差小于6 cm,可应用于卫星精密定轨。实验结果验证了光纤时间频率传递方法在多望远镜信号接收激光测距应用中的可行性。
测量 卫星激光测距 多望远镜测距 时间同步 光纤时间频率传递 卫星观测实验 激光与光电子学进展
2019, 56(1): 011204
Author Affiliations
Abstract
1 Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China
2 Key Laboratory of Space Object and Debris Observation, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China
Space debris laser ranging was achieved with a 60 W, 200 Hz, 532 nm nanosecond slab, single-frequency green laser at the Shanghai Astronomical Observatory’s 60 cm satellite laser ranging system. There were 174 passes of space debris measured in 2017, with the minimum radar cross section (RCS) being 0.25 m2 and the highest ranging precision up to 13.6 cm. The RCS of space debris measured with the farthest distances in 174 passes was analyzed. The results show that the farthest measurement distance (R) and RCS (S) were fitted to R = 1388.159S0.24312, indicating that this laser can measure the distance of 1388.159 km at an RCS of 1 m2, which is very helpful to surveillance and research on low-Earth-orbit space debris.
140.3580 Lasers, solid-state 350.1270 Astronomy and astrophysics 140.3580 Lasers, solid-state Chinese Optics Letters
2019, 17(5): 051404
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
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。
激光器 卫星激光测距 4 kHz重复频率 标准点精度 Lomb算法 自转频率 Ajisai卫星
1 中国科学院上海天文台, 上海 200030
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210008
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。
激光测距 多望远镜接收信号 测量系统 探测能力 laser ranging multi-telescopes receiving signal measuring system detecting ability 红外与激光工程
2018, 47(9): 0906002
