CN101650438A - 千赫兹共光路卫星激光测距光学装置 - Google Patents

Abstract

千赫兹共光路卫星激光测距光学装置，本发明属于激光测距系统。包括反射式测距望远镜、激光发射光路、回波接收光路。测距望远镜由抛物面主镜、抛物面副镜和折轴反射镜组成；激光发射光路包括千赫兹激光器、负透镜、正透镜和对接镜，其中负透镜与正透镜组成能调整发散角的激光扩束结构；回波接收光路中的耦合透镜与准直透镜共焦组成无焦系统，准直透镜后被压缩的回波光束直径与单光子探测器入瞳口径相匹配；在回波耦合透镜焦点前设置旋转快门；在回波耦合透镜焦点设置可变光阑；在单光子探测器前设置滤光片。本发明可在1－4千赫兹内选择测距频率，测距精度高，回波数据量多，提升了系统测距能力和水平。

Description

千赫兹共光路卫星激光测距光学装置

技术领域

本发明属于激光测距系统，特别是采用同一台望远镜发射激光和接收回波的共光路卫星激光测距系统。

背景技术

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，简称SLR)主要用于人造卫星精密定轨、天文地球动力学、大地测量学、相对论验证等领域的研究，其原理是：从地面测距站向装有后向反射器的人造卫星发射激光脉冲，经过卫星反射器反射后，由地面测距站的望远镜接收，精确测定激光脉冲从地面测站到人造卫星的往返时间间隔t，通过光速C计算地面测距站到人造卫星的距离L，其关系如下：

$L=\frac{1}{2}\mathrm{Ct}$

为了提高卫星激光测距系统的测距精度、增加观测数据量和增强测距能力，近年来千赫兹半导体泵浦激光器开始应用于卫星激光测距，将卫星经过测站上空进行一次观测的单圈测距回波数由几千个增加到几万个，测距精度提高到毫米级甚至亚毫米级，更容易测量到2万公里以上的高轨道卫星，使激光测距技术达到一个新的高度。

激光测距的光学系统有分光路方式和共光路方式。分光路卫星激光测距光学系统一般使用小于200mm小口径望远镜发射激光，使用另一台较大口径的望远镜接收回波，国际上大多数测站都采用这种方式。共光路卫星激光测距则采用同一台望远镜发射激光和接收回波，拥有大口径测距望远镜的测站基本都采用共光路测距方式，这种光路传统的关键设备是以一定速度旋转的转镜。激光发射时转镜反射面不在光路中，激光通过望远镜发射出去；回波接收时转镜反射面切入光路中，将回波光反射进入回波接收系统，实现同一台望远镜发射激光与接收回波的切换。但是，转镜的转动惯量比较大，其主轴角速度连续地作周期性变化产生的动压力附加在接收系统的各运动副上会影响回波接收，尤其主轴速度过高时引起弹性振动增强，一方面会使转镜镜面法线发生偏转，导致回波反射损失；另一方面会带动整个光学系统振动，严重影响光学系统的稳定性。同时，在该光路中激光发射必须与转镜同步，而转镜主轴速度的限制也相应地限制了激光发射频率，因此，目前国际上共光路测距方式的测距频率一般都低于100赫兹，尚未实现千赫兹频率测距。

发明内容

本发明的目的是克服光路结构对激光发射频率的限制，在测距望远镜后续光路中分别安置激光发射光路和回波接收光路，并在回波接收光路中采用旋转快门从而使测距频率可在一至四千赫兹内任意选择，同时，利用旋转快门遮挡激光发射时刻的强散射光，消除强散射光影响，从而提供一种实现千赫兹测距频率的共光路卫星激光测距装置。

本发明通过以下技术方案实现：

它包括激光发射光路与回波接收光路共用的反射式测距望远镜，并且，

包括激光发射光路与回波接收光路共用的反射式测距望远镜，其特征是：

(1)激光发射光路包括千赫兹激光器(8)、负透镜(9)、正透镜(10)和对接镜(11)，其中，负透镜(9)与正透镜(10)之间的距离接近或等于二者焦距之和，负透镜(9)安装在沿光轴平移的导轨上以调整激光发散角，对接镜(11)的反射光光路在偏离测距望远镜光轴50mm的傍轴区域内以向测距望远镜反射经负透镜(9)和正透镜(10)扩束的准直激光。

(2)回波接收光路，包括回波耦合透镜(12)、旋转快门(13)、准直透镜(15)、单光子探测器(17)、窄带滤光片(16)，其中，回波耦合透镜(12)与准直透镜(15)共焦组成无焦系统；旋转快门(13)是按等圆心角均匀划分有不透光叶片(18)的轻质圆盘，设置在回波耦合透镜(12)的焦点前5mm处，由直流伺服电机(21)驱动其旋转；单光子探测器(17)接收视场与回波接收光路共轴，其入瞳与无焦准直回波光束直径相互匹配；窄带滤光片(16)设置于准直透镜(15)与单光子探测器(17)之间。

上述旋转快门(13)的不透光叶片(18)个数等于激光的最高发射频率与旋转快门(13)转速之比值。

所述的旋转快门(13)不透光叶片(18)个数为20～80个，直流伺服电机(21)转速为50转/秒。

所述在回波接收光路中于回波耦合透镜(12)焦点处设置可变光阑(14)，光阑直径0.5mm至5mm连续可调，对应的接收视场为16角秒至2.7角分。

本发明的工作原理是：当望远镜跟踪上带有后向反射器的人造卫星时，根据旋转快门信号启动激光器工作产生激光，激光经发射光路正负透镜组对激光扩束，再经对接镜反射进入望远镜光路，通过望远镜向卫星发射激光光束；激光击中卫星后产生回波光，回波光经望远镜收集进入回波接收光路，穿过回波耦合镜到达探测器产生回波信号。接收光路中加入的旋转快门、光阑和滤光片能够滤除激光发射时刻的强散射光，保护探测器。计算机根据激光发射时刻与回波到达时刻的时间差及控制电路时延、发射光路与接收光路光程差等因素进行综合计算和修正得出卫星距离，从而完成一次测距循环。在望远镜跟踪卫星期间不断重复这一过程，获取卫星激光测距数据。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

(1)由于在共光路测距系统中不使用转镜，本发明消除了转镜运转机构笨重、不能高速旋转而对共光路测距系统测距频率的限制，其测距频率可在1-4千赫兹内任意选择，使得共光路的测距系统能够采用目前最先进的千赫兹卫星激光测距方式，在共光路系统上实现千赫兹测距。

(2)本发明可以提高共光路测距系统的测距精度，大幅度增加测距回波数据量，提升系统的测距能力，达到本领域先进水平。

(3)本发明具有共光路测距系统激光发射光路和回波接收光路共轴性好的特性，配合共光路测距系统普遍拥有的大口径望远镜的特点，保持共光路测距系统测距能力强的优势。

(4)本发明采用旋转快门，旋转快门在激光发射时刻挡住回波光路，滤除激光发射时刻的强散射光，保护探测器。

(5)测距过程中可以调整激光发散角和接收视场，针对不同距离、不同特点的卫星使用不同的激光发散角、不同的接收视场测距，提高测距成功率。

附图说明

图1为本发明共光路卫星激光测距光路示意图，图中，1-抛物面主镜、2-抛物面负镜、3，4，5，6，7-折轴反射镜、8-千赫兹激光器、9-可调焦扩束负透镜、10-扩束正透镜、11-激光对接镜、12-回波耦合透镜、13-旋转快门、14-可变光阑、15-准直透镜、16-窄带滤光片、17-单光子探测器。

图2为本发明旋转快门机械结构示意图，图中，18-不透光叶片、19-工作区域、20-转轴、21-直流伺服电机。

图3为本发明共光路卫星激光测距装置整体工作原理示意图。

以下结合附图对本发明作进一步说明，但具体实施方式并不限制本发明内容所确定的保护范围。

具体实施方式

如图1所示，千赫兹共光路卫星激光测距光路由反射式测距望远镜、激光发射光路、回波接收光路分三部分组成。

其中，测距望远镜由抛物面主镜1、抛物面副镜2和折轴反射镜3.4.5.6.7组成，抛物面主镜1、抛物面副镜2焦距分别为F_M、F_s，焦比为F_M/F_s，两镜共焦组成无焦系统。望远镜在测距中跟踪人造卫星，同时担负激光发射和回波收集工作：激光发射时将激光扩束F_M/F_s倍后向卫星发射；接收回波时将回波光束压缩F_M/F_s倍后转入回波接收光路。

激光发射光路中，千赫兹激光器8的依据旋转快门13产生的信号产生激光，激光经过负透镜9和正透镜10扩束，由对接镜11反射进入望远镜，最后通过望远镜向卫星发射。其中负透镜9安装在可沿光轴平移的导轨上，移动负透镜9可以调整激光发散角，测距时根据不同的卫星选择不同的激光发散角，提高测距成功率。对接镜11是一面反射镜，安装在光路偏离光路中心50mm的位置，使得激光通过望远镜出射时副镜不会挡光。激光发散角目标值为2角秒～2角分。激光对接镜11挡住了部分回波，因此要精心设计制作对接镜11，使得镜面与激光光束大小、形状相同，减少不必要的挡光。激光对接镜11遮挡部分回波光是光路的缺点之一，以共光路典型的1米望远镜口径和千赫兹激光1.3的光束质量因子计算，当激光发散角目标值为2角秒时，对接镜11的挡光比例仅为5％左右，对接镜对回波接收影响甚小，因此，光路设计是切实可行的。

回波接收光路中，有回波耦合透镜12、旋转快门13、可变光阑14、准直透镜15、窄带滤光片16、单光子探测器17等器件。耦合透镜12将望远镜接收的无焦回波光聚集。旋转快门13如图3所示，在一个轻薄的圆盘上等圆心角均匀划分80个不透光叶片18，由计算机控制的直流伺服电机21带动高速旋转，旋转快门13的每个不透光叶片18产生一个主控信号，当电机21转速为50转/秒时，该快门最高频率f_r＝80×50＝4000Hz。计算机收到不透光叶片18产生的主控信号后，根据卫星距离、天气状况、回波数量等情况而设定每一个主控信号或每间隔多个主控信号发出一个激光发射指令，使激光的实际发射频率能够在不大于最高发射频率4000Hz范围内选择。旋转快门13设置在回波耦合透镜焦点前5mm处。设旋转快门13不透光叶片18通过光路时间为t_s，旋转快门13的工作区域19通过光路时间为t_t，t_s和t_t与转速有关，一般t_s＝t_t。当叶片数为80个、转速在50转每秒时t_s＝t_t＝1/(50×80×2)＝125微秒。当激光器8向卫星发射激光时，旋转快门13的不透光叶片18处在光路中挡住回波光路，并滤除激光发射时刻的强散射光；当卫星反射的回波经过时间

后到达地面测站时，旋转快门13的M个不透光叶片18已转过光路，工作区域19处于光路中，快门13打开，让回波通过。上述

是从激光发射时刻到对应回波到达这个时间段内叶片18转过光路的数量，与卫星距离L成正比。例如，对于距离几百公里到两千公里的近地卫星，M数量为十至几十个，对于距离两万公里以上的远地卫星，快门13转过好多圈回波才到达，M的数量则为几百个。在回波耦合透镜12焦点处设置可变光阑14，光阑直径0.5mm至5mm连续可调，对应的接收视场为16角秒至2.7角分，根据测距时的噪声情况选择合适的光阑，噪声大时使用小光阑，滤除噪声；噪声小时使用较大光阑，让更多的回波通过。准直透镜15与回波耦合透镜12共焦，二者将回波光束压缩成与单光子探测器17入瞳尺寸相匹配的无焦光束。窄带滤光片16滤除与回波光子波长不同的噪声光。单光子探测器17是灵敏度达到单光子水平的高性能探测器，用于探测回波光子产生回波信号。

本发明测距系统的整体工作过程如图3，其原理是：望远镜伺服系统22驱动望远镜23对目标卫星跟踪，控制器25根据卫星距离控制探测器17工作和旋转快门13旋转；旋转快门13产生主控信号反馈给计算机24，计算机24根据主控信号发出激光发射指令，启动激光器8发射激光，并产生激光发射信号送给计算机24和计时器28；激光则经发射光路26进入望远镜向卫星发射。卫星被激光击中产生回波光，回波光通过望远镜23进入回波接收光路27，穿过旋转快门13到达单光子探测器17，单光子探测器17产生回波信号送给计时器28，计算机24根据计时器28记录的激光发射时刻和回波到达时刻和系统延时计算出卫星距离，完成一个测距工作周期。

Claims (3)

1.千赫兹共光路卫星激光测距光学装置，包括激光发射光路与回波接收光路共用的反射式测距望远镜，其特征是：

(1)激光发射光路包括千赫兹激光器(8)、负透镜(9)、正透镜(10)和对接镜(11)，其中，负透镜(9)与正透镜(10)之间的距离接近或等于二者焦距之和，负透镜(9)安装在沿光轴平移的导轨上以调整激光发散角，对接镜(11)的反射光光路在偏离测距望远镜光轴50mm的傍轴区域内以向测距望远镜反射经负透镜(9)和正透镜(10)扩束的准直激光；

(2)回波接收光路，包括回波耦合透镜(12)、旋转快门(13)、准直透镜(15)、单光子探测器(17)、窄带滤光片(16)，其中，回波耦合透镜(12)与准直透镜(15)共焦组成无焦系统；旋转快门(13)是按等圆心角均匀划分有不透光叶片(18)的轻质圆盘，设置在回波耦合透镜(12)的焦点前5mm处，由直流伺服电机(21)驱动其旋转；单光子探测器(17)接收视场与回波接收光路共轴，其入瞳与无焦准直回波光束直径相互匹配；窄带滤光片(16)设置于准直透镜(15)与单光子探测器(17)之间；

上述旋转快门(13)的不透光叶片(18)个数等于激光的最高发射频率与旋转快门(13)转速之比值。

2.根据权利要求1所述的千赫兹共光路卫星激光测距光学装置，其特征是旋转快门(13)不透光叶片(18)个数为20～80个，直流伺服电机(21)转速为50转/秒。

3.根据权利要求1、2所述的千赫兹共光路卫星激光测距光学装置，其特征是在回波接收光路中于回波耦合透镜(12)焦点处设置可变光阑(14)，光阑直径0.5mm至5mm连续可调，对应的接收视场为16角秒至2.7角分。

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