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。

空间碎片的存在对在轨运行航天器的安全构成严重的威胁, 同时空间碎片的不断产生对有限的轨道资源也将构成严重威胁。采用激光测距技术可实现空间碎片的实时高精度定轨, 从而可有效规避其对航天器的撞击。为了开展高精度小尺寸空间碎片激光测距, 研制了可快速平稳跟踪400 km以上空间目标的53 cm双筒望远镜, 然后结合低功率高重频亚纳秒激光器和单光子探测技术, 在该望远镜上研究和实现了空间碎片激光测距技术。结合激光测距方程, 分析研究系统的空间碎片探测能力, 当碎片距离为1 000 km时, 能探测到回波光子的碎片最小尺寸约为478.5 cm。实际观测表明: 该激光测距系统具有探测米级空间碎片(约1 000 km远)的能力。

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。