1 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
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
针对大口径望远镜光学系统内部空间限制的特点,为了实现失调量校正,提出了一种基于本征系数的失调量解算方法。该方法首先利用波前曲率传感器的原理,通过交替测量前后离焦面的方式采集光斑图。然后,利用无需分区探测的本征函数法进行波前重构,利用本征系数来表征系统波像差,并依据失调量建立灵敏度矩阵模型。最后,根据失调状态与理想状态的本征系数即可求解出失调量。与其他技术途径相比,该方法具有无需添加光学元件、无需分区探测、运算简单的特点。主镜直径为1.8 m的望远镜实验结果表明,当次镜偏心距离范围为-0.9~0.9 mm、倾斜角范围为-0.2°~0.2°时,利用本征系数灵敏度矩阵法得到的计算值的误差均小于10%,对大口径望远镜中的应用具有一定的意义。
光学设计 大口径望远镜 曲率传感器 本征系数 灵敏度矩阵 失调量解算 光学学报
2021, 41(19): 1922001
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，北京 100094
2 中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003
对国际上已完成的光学/红外天文望远镜进行了回顾和总结，详细论述分析了正在研制建设的下一代天文望远镜，主要包括科学目的、光学结构、搭载仪器、性能参数等。重点对下一代天文望远镜的光学设计/口径、站址/轨道进行了总结归纳，其在地基/天基协作观测、器件模块化通用化、观测结果大数据分享等方面展示了自身的技术特点和发展趋势。借鉴国外经验，结合我国实际情况可形成自身优势特色领域。同时在长期规划制定、开放民间资本等方面提出几点思考和建议。
天文望远镜 光学结构 红外相机 巡天观测 天体物理 astronomical telescope optical structure infrared camera survey astrophysics 红外与激光工程
2016, 45(3): 0313001
1 北京跟踪与通信技术研究所，北京 100094
2 中国洛阳电子装备试验中心，河南 洛阳 471003
对国际上已完成的光学/红外天文望远镜进行了回顾和总结，详细论述了正在研制建设的下一代天文望远镜，主要包括科学目的、光学结构、搭载仪器、性能参数等。分析了下一代天文望远镜的技术特点、发展趋势。借鉴国外在计划制定、工程应用等方面的经验，结合中国实际提出几点思考和建议。
天文望远镜 光学结构 红外相机 巡天观测 天体物理 astronomical telescope optical structure infrared camera survey astrophysics 红外与激光工程
2016, 45(2): 0217006
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 中国卫星海上测控部,江苏 江阴 214431
基于回波光子数方程估计空间碎片激光测距系统作用距离时, 最小可接受回波光子数很难确定。本文提出了通过改变空间碎片实测数据回波稀疏性获得精度变化曲线的退化模型, 以"精度不变"作为衡量条件, 确定保精度情况下系统最小可识别有效回波概率, 从而估算系统作用距离的方法。首先, 根据单光子雪崩探测器"关门"特性, 得到了有效回波概率与测量距离关系。然后, 建立实测数据的稀疏性退化模型得到测量精度与有效回波概率的跃变曲线, 根据精度曲线中"保精度平台"的"跳变点"获得最小可识别有效回波概率。最后, 根据最小可识别回波概率获得系统对不同大小典型空间碎片的作用距离。分别处理了有效截面积为3.884 0, 6.391 2和9.855 5 m2的3种典型空间碎片的实验数据, 结果表明: 系统在满足m级测距精度的前提下, 可识别的最小有效回波概率为0.02~0.044, 对上述不同特性典型空间碎片相应的最大作用距离分别为820, 1 520和2 250 km。提出的模型在精度不变情况下解决了系统最小可识别有效回波概率难以确定的问题, 大大减少了实验成本。
空间碎片激光测距系统 作用距离 有效回波概率 测距精度 数据稀疏性 退化模型 space debris laser ranging system detection distance efficient echo probability data sparsity degradation model
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 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 空间目标测量重点实验室, 北京 100094
针对多像素光子计数器(MPPC)各像素雪崩电流并联输出、存在光子间隔过小导致脉冲变形而无法分辨光子时刻的问题，结合光子分布与输出脉冲波形，通过数学反卷积，获得了激光测距接收端各探测光子分立时刻的解析解，从而实现了观测量倍增，有助于有效信号的分辨及提取。该方法将单脉冲响应函数近似为高斯形式，分析了MPPC 时间抖动的影响，研究了在时间抖动为50~250 ps 范围内，从三个入射光子输出的变形脉冲中解算出的分立时刻，得到分立时刻随光子间隔的统计分布图和峰谷分辨度随光子时间间隔、MPPC 时间抖动的变化关系。并验证了在1 s观测时间内，千赫兹激光测距系统经反卷积解算前后观测量对比效果。分析结果表明，当统计分布中峰谷分辨度大于10时，各光子分立时刻可以有效分辨，该方法的时间分辨力达到0.2~0.7 ns。
激光光学 光子分立时刻 反卷积 千赫兹激光测距 多像素光子计数器
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
上海交通大学激光等离子体教育部重点实验室, 上海 200240
对相位调制合束技术产生高重复频率短脉冲技术进行了研究，利用两个电光开关的错位削波技术对连续种子激光进行斩波、分束，并分别用相同的相位调制器调制，通过相干合束产生窄带脉冲。对多种相位调制信号调制光脉冲的过程进行了数值仿真，研究了不同相位调制函数调制引起的光脉冲特性变化规律，通过实验验证了本方法产生高重复频率短脉冲的科学性。利用2.5 GHz带宽的实验仪器压缩出了脉宽为60 ps、重复频率为1 GHz的高重复频率短脉冲。
激光器 高重复频率短脉冲 相位调制合束 错位削波 强度调制
