1 中国科学院上海天文台，上海 200030
2 中国科学院大学，北京 100049
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 上海大学机电工程与自动化学院，上海 200444
5 上海大学材料科学与工程学院，上海 200444
基于星载曲面镜的转发式激光时间传递具有零时延、高可靠性和高准确度等优势，但由于缺少合适的卫星试验平台，该技术目前仅限于理论分析，尚未获得有效试验数据及性能评估结果。本文将相邻的两套卫星激光测距（SLR）系统作为试验台站，以激光卫星上搭载的反射器作为转发载荷，开展了转发式激光时间传递试验研究。首先，介绍了转发式激光时间传递的基本原理及理论；然后，对上海天文台SLR系统进行适应性改造，搭建了转发式激光时间传递试验系统，并开展了不同激光卫星的实测试验；最后，分析获得的时间传递结果，研究影响该技术性能的主要因素。试验结果表明：该技术可以获得优于100 ps的精度以及ns的准确度，单向工作模式可行，为转发式激光时间传递的发展提供了有力支撑。
测量 卫星激光测距 激光时间传递 反射器 曲面镜 中国激光
2023, 50(18): 1804004
红外与激光工程
2021, 50(10): 20200473
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 中国科学院大学，北京 100009
以典型SLR系统为研究平台，根据测量数据的产生流程，详细分析了卫星测量与系统校准时的状态差异，并评估了状态差异对测量数据距离偏差的影响，引出SLR测量数据稳定性提升的途径.研究成果用于上海天文台SLR系统后，2015年度对地球动力学卫星(Lageos)观测数据的长期稳定性、短期稳定性和标准点精度分别由改造前的12.7 mm、22.7 mm和2.0 mm提升到4.1 mm、9.3 mm和1.0 mm，国内率先达到国际卫星激光测距组织(ILRS)的数据质量标准(10 mm，20 mm和5 mm)并持续保持，提升了我国在SLR领域的国际地位和观测数据权重，具有良好的推广应用前景.
卫星激光测距 距离偏差 长期稳定性 短期稳定性 标准点精度 satellite laser ranging range bias long-term stability short-term stability normal point precision 红外与毫米波学报
2019, 38(4): 04479
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
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。
卫星激光测距 地靶校准 偏振技术 时间游动 数据质量 satellite laser ranging target calibration polarization technology time walk data quality 红外与激光工程
2017, 46(9): 0917005
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
大气后向散射对高重复率卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)的回波接收产生干扰且随测量频率增加愈发严重, 已成为制约SLR工作频率提升的关键因素之一。根据大气散射雷达探测方程, 分析了探测系统接收到的大气后向散射光功率及对回波接收的影响, 以上海天文台现有收发分离的SLR系统为平台, 通过试验验证了分析的合理性; 据此厘清后向散射干扰产生时序, 给出基于激光发射时序控制的后向散射规避方法。通过在高重复率距离门控电路中添加激光点火信号产生模块, 并实时判断后向散射干扰情况以控制点火信号是否延迟输出, 基于FPGA(Field Programmable Gate Array)完成了后向散射自动规避电路, 成功应用在上海天文台高重复率SLR的常规观测中, 实现了对散射的完全规避, 且对Lageos等重点激光卫星的平均点火频率下降率低于2%, 具有很好的推广应用价值。
大气后向散射 卫星激光测距 高重复率 后向散射规避 atmospheric backscattering satellite laser ranging high repetition rate backscattering avoidance 红外与激光工程
2017, 46(2): 0206002
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
卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，SLR)常利用激光大气后向散射所形成的图像来引导光束指向，而光束图像亮度随天区变化的现象在SLR站普遍存在，影响了激光对卫星的瞄准。以中国科学院上海天文台现有SLR系统为研究平台，阐明了该现象的成因，即光束图像成像光路中分光镜的效率会随偏振方向改变而变化。据此提出偏振方法，通过建立出射激光偏振方向随望远镜位置变化模型，改变发射光路中新引入半波片的角度，实现了光束图像于不同亮度的实时控制。相比使用消偏振分光镜的方案，该方法具有应用灵活、系统简单且成本低的优势，研究成果在提高激光对卫星的瞄准精度及星象图像信噪比等方面具有重要意义。
卫星激光测距 偏振方向 光束指向 光束图像 半波片 satellite laser ranging polarization laser beam pointing laser beam image half wave plate 红外与激光工程
2016, 45(3): 0306005
1 中国科学院上海天文台，上海 200030
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院上海光学精密机械研究所，上海 201800
卫星激光反射器阵列结构决定有效反射面积分布，进而影响激光回波强度。在某些小型卫星应用中，地面台站只需对卫星局部天区过境观测，但激光反射器需数十平方厘米的有效反射面积，且对质量和尺寸有限制，需合理设计激光反射器阵列排布指向以满足大的有效反射面积应用需求。推导了不同指向角反射器有效反射面积计算模型，并以某一局部天区观测的低轨卫星激光反射器为例，给出了有效反射面积的仿真结果，并进行了实验室测试。结果表明，局部天区观测卫星激光反射器的有效反射面积设计与测试结果相符，为区域观测卫星激光反射器应用奠定了基础。
光学设计 有效反射面积 激光反射器 optical design effective reflection area laser retro-reflector 红外与激光工程
2016, 45(2): 0229005
