1 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650216
2 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室, 江苏 南京 210034
3 中山大学物理与天文学院天琴引力物理研究中心, 广东 珠海 510275
为了实现嫦娥四号中继星的激光测距, 需要开展月球激光测距(LLR)进行技术验证。中国科学院云南天文台基于1.2 m的望远镜研制了共光路LLR系统, 在攻克了多项技术难题后, 于2018年1月22日成功探测到Apollo 15月面反射器的回波信号, 实现了LLR。多次重复实验结果表明, 该LLR系统具备极弱激光信号探测能力, 系统测量精度达到米级。
测量 激光测距 激光测月 单光子探测技术 月面角反射器
1 北京跟踪与通信技术研究所 空间目标测量重点实验室, 北京 100094
2 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650011
APD阵列可提高光子探测效率, 然而在回波探测概率提高的同时提高噪声探测概率, 因此需合理选择阵列单元数以提高探测信噪比。根据回波和噪声在距离门内的分布情况, 结合光子探测概率, 建立了盖革模式下APD阵列探测信噪比随阵列单元数的变化模型。讨论了回波光子数、背景噪声强度、回波在门控内位置、占空比等因素对探测信噪比的影响。分析结果表明, 提高回波光子数、探测器占空比、轨道预报精度有助于增加APD阵列的探测信噪比; 4元APD阵列适用于回波光子数小于0.1、门控内噪声光子数小于1的观测情况, 而回波和噪声强度较强时, 25元APD阵列能够取得相对较优的探测信噪比。建立的APD阵列探测信噪比模型有助于快速选择APD阵列单元数以达到较高探测信噪比。
激光测距 APD阵列 探测信噪比 探测概率 占空比 laser ranging APD arrays signal-to-noise ratio detection probability fill factor 红外与激光工程
2017, 46(3): 0306001
Author Affiliations
Abstract
1 Key Laboratory for Space Object Measurements, Beijing Institute of Tracking and Telecommunications Technology, Beijing 100094, China
2 Research Institute of Superconductor Electronics, Nanjing University, Nanjing 210093, China
3 Yunnan Observatory, Chinese Academy of Sciences, Kunming 650011, China
4 Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
We demonstrate laser-ranging results for non-cooperative targets at ranges of 237 m and 19 km using superconducting nanowire single-photon detectors (SSPD). We upgrade the kilohertz rate laser-ranging system with a newly developed SSPD module, and the equivalent detection diameter is enlarged to 50 μm with a fiber and micro-lenses. Both retroreflectors and non-cooperative surfaces of aluminum foil, a solar panel, and a concrete panel at distances of 237 m and 19 km, whose echoes are of single-photon level, are ranged with sub-centimeter precision. Experimental signal-to-noise ratio curves with the product of quantum efficiency and system transmittance are obtained, which indicates that our system, with an average laser power of 0.8 W and a receiving aperture of 1.2 m, may be capable for space debris ranging at a distance of 800 km. This work suggests that SSPDs have the potential to be used for space debris surveillance.
280.3400 Laser range finder 120.0280 Remote sensing and sensors 040.5570 Quantum detectors 120.1880 Detection Chinese Optics Letters
2016, 14(7): 071201
1 北京跟踪与通信技术研究所空间目标测量重点实验室, 北京100094
2 中国科学院云南天文台应用天文研究组, 云南 昆明 650011
3 南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所, 江苏 南京 210093
提出了将超导纳米线单光子探测器(SSPD)应用于空间碎片激光测距的构想，并通过理论分析和等效外场实验进行了可行性论证。根据SSPD 在门控时间内允许多次测量的特性，建立了信噪比随回波光子数的变化模型，并考察了激光器发射重复频率、天光背景噪声强度、探测器暗计数率等参数对信噪比的影响，结合回波光子数方程和噪声强度，以云南天文台激光测距系统为例，推算出该系统具备探测830 km 处米级大小空间碎片的能力。结合光纤耦合条件，设计了以太阳能板为目标的外场实验，通过改变光学系统透过率，获得了信噪比随回波光子数变化的实验曲线，验证了利用信噪比变化推测系统作用距离方法的有效性，理论和等效实验结果均表明超导纳米线探测器有望实现空间碎片激光测距。
探测器 激光测距 超导纳米线单光子探测器 信噪比 回波光子数 空间碎片
1 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650216
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
盖革模式雪崩光电二极管阵列(G-APDs)是近年来新兴的弱光探测器件。基于盖革模式APD 探测概率的分析，利用卫星激光测距系统的仿真结果，对G-APDs的卫星激光测距系统进行研究。在回波强度为单光子量级、仅考虑探测器暗计数噪声的情况下，相对于单元探测的单光子探测器，采用阵列探测器能够有效的增加回波信号的探测点数；在同样噪声的情况下，回波强度为多光子时，采用阵列探测器能够减少盖革模式探测器探测概率的极大值相对回波光电子数极大值的漂移量；在回波强度为单光子量级，同时考虑天空背景噪声和探测器暗计数噪声时，采用阵列探测器能够有效降低噪声对信号回波的淹没效应。
探测器 盖革模式光电二极管阵列 数值仿真 卫星激光测距
1 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650216
2 中国科学院大学，北京 100049
空间碎片的存在使空间环境日益恶化，已影响到空间活动的安全。国际上很多国家开展了空间碎片探测技术的研究，空间碎片激光测距技术成为一种新的探测手段。首先，概述了国内外空间碎片激光测距技术的发展趋势和现状。其次，在成功获得空间碎片激光测距回波的基础上，研究了激光测距数据联合测角数据单站定轨的方法，仿真计算结果表明，该方法的定轨精度优于单纯光学测角数据定轨的精度。最后，提出一种利用空间碎片激光测距误差来初步测定空间碎片尺度的方法，并分别通过地面靶激光测距实验和空间碎片激光测距实验验证了该方法的可行性，为空间碎片尺度测定提供了一种参考依据。
空间碎片 卫星激光测距 轨道确定 space debris satellite laser ranging orbit determination 红外与激光工程
2015, 44(11): 3324
1 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650216
2 中国科学院大学, 北京 100049
大气湍流的倾斜扰动会导致光束在通过大气后到达角发生起伏。对于激光测距、激光导引星等应用场合，激光分别在发射和接收时两次通过了湍流大气。激光收发望远镜几何布局方式的不同会引起激光发射和接收光路中的倾斜相关性出现差异，最终影响接收望远镜探测到的激光到达角起伏。从激光收发望远镜布局的一般几何模型出发，利用Zernike 多项式波前展开，给出了受大气湍流影响的分离孔径倾斜相关函数。分析了收发共光路与非共光路情况下，不同的几何限制导致的光束到达角起伏相关性变化。最后，讨论了不同的激光收发望远镜的几何布局对接收望远镜探测到的光束到达角起伏的影响。
大气光学 到达角起伏 Zernike多项式 倾斜量 激光发射望远镜
对高重频激光测距中多脉冲异常测距现象进行了分析和研究，采用地靶测量脉冲时间间隔、主波时刻校正和屏幕处理等技术方法，得出多脉冲测量数据的处理方法。将该方法应用于实测数据的处理，结果表明：按多脉冲测量数据进行处理后，有效数据量至少增加10%，均方根值基本一致，有利于测量回波信号较少但存在多脉冲现象时的中高轨卫星测量数据处理。
测量 激光测距 高重频测距 多脉冲 屏幕处理技术 中国激光
2014, 41(s1): s108007
1 中国科学院云南天文台, 云南 昆明 650011
2 中国科学院大学, 北京 100049
传统的激光导引星(LGS)由于激光发射与接收光路的限制，导致难以利用激光导引星来探测大气倾斜量变化。其中重要的一个解决方案就是利用辅助望远镜，从侧面对激光导引星进行探测，从观测到的激光导引星带状拖影中提取出大气倾斜信息。随着激光带拖影长度的增加，必然导致其出现非等晕现象。给出了激光导引星带状拖影上两球面波之间的Zernike多项式展开系数角度相关函数。从相关性的角度分析了导引星高度、大气湍流强度以及接收望远镜口径对激光导引星带状拖影的非等晕性的影响。此外，基于激光导引星倾斜探测方案的非等晕限制，给出了Na层激光导引星倾斜量探测方案中的辅助望远镜视场限制。
自适应光学 非等晕性 角度相关性 激光导引星 倾斜量 Zernike多项式
中国科学院国家天文台 云南天文台， 云南 昆明 650011
利用横向谱滤波方法，给出研究自适应光学非等晕性的一般关系式。在特殊场合，对这些一般关系式进行解析求解，获得与经典理论一致的结果。进一步定义了与自适应光学系统非等晕性有关的一些特征量。在一般应用场合，这些一般关系式只能求得数值解。以激光测月自适应光学系统为例，说明了所述一般关系式在研究自适应光学非等晕性问题方面的应用。
大气光学 自适应光学 大气湍流 非等晕性 横向功率谱方法
