CN102096071B - 采用中继光放大的合作目标激光测距方法及装置 - Google Patents
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Abstract
一种采用中继光放大的合作目标激光测距方法及装置，其特征是合作目标上采用光放大器对入射到合作目标上的测距激光信号进行中继光放大，然后再向测距站返回放大了的光信号。合作目标由信息处理及控制中心、粗瞄机构、光学天线、分光镜、图像传感器，空间光到光波导耦合模块、光波导、光放大器、返回光束瞄准模块、入射/返回光合路器、角锥棱镜、快门构成。这种合作目标激光测距方法及装置能够克服远距离激光测距中发射激光功率不足的弱点，所需激光功率不再是距离的四次方关系，而是距离的平方关系，可显著增加测量距离，特别适合于远距离合作目标激光测距。
Description
技术领域
本发明属于空间测量技术领域，具体涉及合作目标激光测距，特别适用于远距离的卫星激光测距或月球激光测距应用中。
背景技术
卫星激光测距是20世纪60年代中期出现的一种高精度空间测量技术，其原理是通过精确测定激光脉冲从地面观测站到装有反射器卫星的往返时间间隔，从而算出地面观测站到卫星的距离。经过40多年的发展，卫星激光测距的测量精度已由最初的几米，提高到现在的几厘米甚至几毫米。
根据激光测距方程，回波能量密度与距离的四次方成反比。在卫星激光测距中，由于测量距离远，激光空间衰减很大。为提高后向反射的回波强度，卫星(或月球)上通常装有激光后向角反射器，这是一种无源的精密光学元件，是由三个相互垂直的平面及一底面组成的四面体，当一束平行光从底面入射，依次经过三个直角反射面的反射后，将从与入射方向相反的方向原路返回。采用这种激光后向反射器后，测量距离大大提高。目前，国际上有数十个台站可以进行人造卫星激光测距，作用距离可达两万公里，另有极少数台站(美国的McDonald天文台及法国的CERGA测月站)可进行月球激光测距。
远距离的卫星激光测距难度非常大的原因在于所需激光功率与距离的四次方成正比。如其它条件不变，测量距离每增加一倍，发射激光功率需要增加到16倍，并且增加发射激光功率还面临着人眼安全及目标损伤等危险。另外增大卫星上后向反射器尺寸、采用更大的光学天线及采用灵敏度更高的光探测方式也可提高测量距离，但这些技术的改进也都非常艰难，成本很高。
发明内容
为了克服远距离卫星激光测距中激光功率不足的问题，本发明采用有源合作目标技术，在被测目标上设计一种采用中继光放大的合作目标装置，通过该装置对入射的测距激光信号进行光功率放大并对准返回到发射端，从而发射端根据激光往返时间测量出目标距离。
本发明的合作目标激光测距装置包括二部分：测距站和被测合作目标装置。
在测距站端，首先根据卫星轨道预报，测距站获知被测合作目标的大致方位,根据该方位信息，测距站的信息处理及控制中心(1-6)发出命令控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)调整光学天线(1-3)方向，使其指向被测合作目标,同时启动激光器(1-1)向被测合作目标发射光束。并且信息处理及控制中心(1-6)控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)在水平及俯仰两个方向进行扫描，使发射光束能正确指向被测合作目标。
在被测合作目标装置端，信息处理及控制中心(2-10)首先根据星历表或其它通信方式得到测距站的大致方位，通过粗瞄机构(2-9)调整光学天线(2-1)的指向，使测距站进入图像传感器(2-8)的视场内。
由测距站入射到被测合作目标上的入射光束，经过合作目标上的光学天线(2-1)接收，送到分光镜(2-2)分束成信标激光和测距激光，其中信标激光送到图像传感器(2-8)上，图像传感器(2-8)上将会出现激光光斑信号，该激光光斑信号经过信息处理及控制中心(2-10)处理，由此被测合作目标可获知测距站的准确方位，根据此方位信息可进一步控制粗瞄机构(2-9)，使光学天线(2-1)的指向更准确。同时，信息处理及控制中心(2-10)启动空间光到光波导耦合模块(2-4)、光放大器(2-6)及返回光束瞄准模块(2-7)。
由分光镜(2-2)分束的测距激光经过空间光到光波导耦合模块(2-4)耦合进光波导(2-5)中，再经光放大器(2-6)将光信号放大，放大后的光信号经过返回光束瞄准模块(2-7)及入射/返回光合路器(2-3)后，与入射光束合路后，由分光镜(2-2)分束，一部分作为返回光束，沿与入射光束相反的方向返回到测距站，另一部分经过快门(2-11)及角锥棱镜(2-12)后，返回到图像传感器(2-8)上成像，该成像信息经过信息处理及控制中心(2-10)处理后，被测合作目标可以获知返回光束的实际指向，根据此方位信息，再考虑适当的超前瞄准量，从而控制返回光束瞄准模块(2-7)使返回光束准确地指向测距站。
测距站通过信息处理及控制中心(1-6)控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)在水平及俯仰两个方向进行扫描的过程中，如发射光束能正确指向被测合作目标、并能使测距激光正确耦合进入被测合作目标内的光波导(2-5)中，则被测合作目标将会向测距站发出返回光束，测距站根据该返回光束从而对被测合作目标进行跟踪。在跟踪过程稳定后，测距站根据激光飞行时间计算出目标距离。
本发明还提出一种采用中继光放大的合作目标激光测距方法，包含如下步骤：
1）测距站及被测合作目标根据轨道预报或星历表获得对方的大致方位，并将各自的光学天线指向对方；
2）测距站发出发射光束，并在水平及俯仰两个方向上扫描，发射光束正确指向被测合作目标，使测距站进入被测合作目标图像传感器(2-8)的视场内；
3）被测合作目标分光镜(2-2)将测距站入射到被测合作目标上的入射光束分束成信标激光和测距激光，其中，信标激光送图像传感器(2-8)形成激光光斑信号，信息处理及控制中心(2-10)根据激光光斑信号获知测距站的准确方位；
4）被测合作目标根据方位信息控制粗瞄机构(2-9)，使光学天线(2-1)准确指向测距站。具体为，被测合作目标根据方位信息驱动空间光到光波导耦合模块，将测距激光耦合进入光波导，进行光放大，放大后的光信号返回光束瞄准模块及入射/返回光合路器后，沿与入射光束相反的方向返回到测距站。被测合作目标中信息处理及控制中心对光放大器的泵浦功率进行控制，降低光放大器中折射率波动引起的测量误差。返回光束瞄准模块补偿测距站与被测合作目标之间的相对角运动。
本发明与现有的后向角反射镜合作目标测距技术相比，优点是：
(1)在这种合作目标测距方案中，所需激光功率不再是距离的四次方关系，而是距离的平方关系，激光功率只需满足单程功率预算既可，可大大降低对激光功率的要求，地面测距站的成本可大大降低。
(2)由于可以采用较低的发射激光功率，可避免后向角反射器合作目标激光测距中潜在的人眼安全及器件损伤等危险。
(3)合作目标上的返回光束瞄准模块通过适当的超前瞄准量能够动态补偿测距站与被测合作目标之间相对角运动引起的瞄准误差。而后向角反射器合作目标只能实现固定的超前瞄准误差补偿。
附图说明
图1是测距站结构示意图。
图2是合作目标结构示意图。
图3是采用光反馈控制的空间光到光波导耦合模块示意图。
图4是采用偏振合束的入射/返回光合路器示意图。
具体实施方式
本发明的合作目标激光测距装置包括测距站和合作目标装置两部分。如图1是测距站结构示意图，如图2是合作目标结构示意图。
以下针对附图和具体实例对本发明的实施作具体说明，
在这个实施案例中，信标激光与测距激光采用同一激光信号。测距站包括信息处理及控制中心(1-6)，捕获、对准及跟踪机构(1-5)、光学天线(1-3)、激光器(1-1)、发射/返回光分路器(1-2)、光探测器(1-4)。
被测合作目标装置由光学天线(2-1)、分光镜(2-2)、图像传感器(2-8)，空间光到光波导耦合模块(2-4)、光波导(2-5)、光放大器(2-6)、返回光束瞄准模块(2-7)、入射/返回光合路器(2-3)、信息处理及控制中心(2-10)、粗瞄机构(2-9)、快门(2-11)、角锥棱镜(2-12)等构成。
测距开始时，首先根据卫星轨道预报，测距站获知被测合作目标的大致方位,根据该方位信息，测距站的信息处理及控制中心(1-6)发出命令控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)调整光学天线(1-3)方向，使其指向被测合作目标,同时启动激光器(1-1)向被测合作目标发射光束，并且信息处理及控制中心(1-6)控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)在水平及俯仰两个方向进行扫描，使发射光束能正确指向被测合作目标。
由于测量距离远，为使激光能量更集中，测距站发出的发射光束的发散角一般很小，而预报的被测合作目标的方位误差比较大，因此测距站通过信息处理及控制中心(1-6)控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)在水平及俯仰两个方向进行扫描。在扫描过程中，如发射光束能正确指向被测合作目标、并能使测距激光正确耦合进入被测合作目标内的光波导(2-5)中，则被测合作目标将会向测距站发出返回光束，测距站根据该返回光束从而对被测合作目标进行跟踪。在跟踪过程稳定后，测距站根据激光飞行时间计算出目标距离。
一般卫星平台的振动频率约在0～100Hz范围，为便于合作目标上的空间光到光波导耦合模块(2-4)及返回光束瞄准模块(2-7)可以抑制卫星平台振动，要求激光器的激光脉冲频率最好在1KHz以上（如信标激光与测距激光为不同波长的激光信号，则测距激光脉冲可采用低频率脉冲）。
图2是本发明的被测合作目标装置结构示意图，对于被测合作目标装置，信息处理及控制中心(2-10)首先根据星历表或其它通信方式得到测距站的大致方位，通过粗瞄机构(2-9)调整光学天线(2-1)的指向，使测距站进入图像传感器(2-8)的视场内。如果从测距站发出的发射光束能正确的指向被测合作目标，并且测距站在图像传感器(2-8)的视场内，则图像传感器(2-8)上将会出现激光光斑信号，信息处理及控制中心(2-10)对此光斑信号进行处理，从而获知测距站的准确方位，根据此方位信息可进一步通过粗瞄机构(2-9)，使光学天线(2-1)的指向更准确。同时，信息处理及控制中心(2-10)启动空间光到光波导耦合模块(2-4)、光放大器(2-6)及返回光束瞄准模块(2-7)。其中光放大器可采用稀土掺杂光纤放大器、拉曼光纤放大器或半导体光放大器，可以采用多个光放大器的级联。用于接收空间光的光波导，可采用单模光纤或与半导体放大器匹配的条形波导。
空间光到光波导耦合模块(2-4)将由分光镜(2-2)分束的测距激光耦合进光波导(2-5)中，再经光放大器(2-6)将光信号放大，放大后的光信号经过返回光束瞄准模块(2-7)及入射/返回光合路器(2-3)后，与入射光束合路后，由分光镜(2-2)分束，一部分作为返回光束，沿与入射光束相反的方向返回到测距站，另一部分经过快门(2-11)及角锥棱镜(2-12)后，返回到图像传感器(2-8)上成像，该成像信息经过信息处理及控制中心(2-10)处理后，被测合作目标可以获知返回光束的实际指向，根据此方位信息，从而控制返回光束瞄准模块(2-7)使返回光束准确地指向测距站。测距站与被测合作目标采用有源合作；在被测合作目标上对测距站发出的测距激光进行光波导耦合以及放大。
图3所示为采用光反馈控制的空间光到光波导耦合模块示意图，为保证空间光稳定地耦合进光波导(2-5)中，消除光波导端面位置漂移的影响，可采用如图所示的章动＋光反馈的耦合方式（E.A.Swanson and R.S.Bondurant. Using fiber optics to simplify free-space lasercom systems.SPIE,1990, 1218:70-82）。信息处理及控制中心(2-10)按高频章动模式驱动快速偏转镜(3-1)，这样耦合进入光波导(2-5)中的激光功率也按照一定的规律变化，经过光耦合器(3-2)分出二部分光，一部分光由光探测器(3-3)探测后作为反馈控制信号调整快速偏转镜(3-1)的章动规律，从而可使自由空间中的测距激光稳定的耦合进入光波导(2-5)中；另一部分光则经光放大器作用后作为返回光信号。这里由图像传感器(2-8)得到的测距站的方位信息仍是需要的，以保证测距开始时，可以迅速地将自由空间中的测距激光导入光波导(2-5)中，并保证目标丢失后，可以重新快速捕获。
合作目标中的信息处理及控制中心(2-10)还需要对光放大器(2-6)的泵浦激光功率进行控制，使泵浦激光功率保持稳定，以减少光放大器(2-6)中的折射率波动，降低距离测量误差。
如图4所示为光偏振合路器原理示意图，入射/返回光合路器(2-3)实现放大后的返回测距激光与入射测距激光的合路，可采用收发分离式光学天线、光环行器、光偏振合路器等实现。通过偏振控制器(4-2)将放大后的测距激光偏振态旋转900，这样入射测距激光与返回测距激光就具有相互正交的偏振态，便于实现入射测距激光与返回测距激光的收发隔离。将偏振态旋转后的返回测距激光用偏振合光镜(4-1)实现与入射测距激光的合路，使放大后的返回测距激光就沿入射测距激光相反的方向返回，偏振合光镜(4-1)上激光的传输方向对于入射测距激光为从A端口传输B端口，对于返回测距激光为从C端口传输到A端口。特别注意的是需尽量降低放大了的返回测距激光信号从C端口泄露到B端口。为防止放大后的测距激光信号再次进入光放大器循环放大，形成自激振荡，要求偏振合光镜的C端口到B端口的隔离度远大于光放大器(2-6)的增益。
Claims (9)
1.一种采用中继光放大的激光测距合作目标装置，其特征在于，该装置包括测距站和被测合作目标装置，测距站的信息处理及控制中心(1-6) 根据被测合作目标方位信息控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)调整光学天线(1-3)方向，使其指向被测合作目标,同时启动激光器(1-1)向被测合作目标发射光束；信息处理及控制中心(1-6)控制捕获、对准及跟踪机构(1-5)在水平及俯仰两个方向进行扫描，使发射光束能正确指向被测合作目标；被测合作目标装置的信息处理及控制中心(2-10)通过粗瞄机构(2-9)调整光学天线(2-1)的指向，使测距站进入图像传感器(2-8)视场内；分光镜(2-2)将测距站入射到被测合作目标上的入射光束分束成信标激光和测距激光，其中信标激光送图像传感器(2-8)形成激光光斑信号，信息处理及控制中心(2-10)根据激光光斑信号获知测距站的准确方位，根据方位信息控制粗瞄机构(2-9)，使光学天线(2-1)准确指向测距站，由分光镜(2-2)分束的测距激光经过空间光到光波导耦合模块(2-4)耦合进光波导(2-5)中，再经光放大器(2-6)将光信号放大，放大后的光信号经过返回光束瞄准模块(2-7)及入射/返回光合路器(2-3)，与入射光束合路后，由分光镜(2-2)分束，一部分作为返回光束，沿与入射光束相反的方向返回到测距站，另一部分经过快门(2-11)及角锥棱镜(2-12)后，返回到图像传感器(2-8)上成像，该成像信息经过信息处理及控制中心(2-10)处理后，被测合作目标获知返回光束的实际指向，根据此方位信息，控制返回光束瞄准模块(2-7)使返回光束准确地指向测距站。
2.根据权利要求1所述的激光测距合作目标装置，其特征在于，测距站与被测合作目标采用有源合作；在被测合作目标上对测距站发出的测距激光进行光波导耦合及放大。
3.根据权利要求1所述的激光测距合作目标装置，其特征在于，光放大器采用稀土掺杂光纤放大器、拉曼光纤放大器或半导体光放大器。
4.根据权利要求1所述的激光测距合作目标装置，其特征在于，用于接收空间光的光波导（2-5）采用单模光纤或与半导体放大器匹配的条形波导。
5.根据权利要求1所述的激光测距合作目标装置，其特征在于，光放大器采用多个光放大器的级联。
6.一种采用中继光放大的合作目标激光测距方法，其特征是，包含如下步骤：
1）测距站及被测合作目标根据轨道预报或星历表获得对方的大致方位，并将各自的光学天线指向对方；
2）测距站发出发射光束，并在水平及俯仰两个方向上扫描，发射光束正确指向被测合作目标，使测距站进入被测合作目标图像传感器(2-8)的视场内；
3）被测合作目标分光镜(2-2)将测距站入射到被测合作目标上的入射光束分束成信标激光和测距激光，其中，信标激光送图像传感器(2-8)形成激光光斑信号，信息处理及控制中心(2-10)根据激光光斑信号获知测距站的准确方位；
4）被测合作目标根据方位信息控制粗瞄机构(2-9)，使光学天线(2-1)准确指向测距站，由分光镜(2-2)分束的测距激光经过空间光到光波导耦合模块(2-4)耦合进光波导(2-5)中，再经光放大器(2-6)将光信号放大，放大后的光信号经过返回光束瞄准模块(2-7)及入射/返回光合路器(2-3)，与入射光束合路后，由分光镜(2-2)分束，一部分作为返回光束，沿与入射光束相反的方向返回到测距站，另一部分经过快门(2-11)及角锥棱镜(2-12)后，返回到图像传感器(2-8)上成像，该成像信息经过信息处理及控制中心(2-10)处理后，被测合作目标获知返回光束的实际指向，根据此方位信息，控制返回光束瞄准模块(2-7)使返回光束准确地指向测距站。
7.根据权利要求6所述的合作目标激光测距方法，其特征在于，信息处理及控制中心(2-10)按高频章动模式驱动快速偏转镜(3-1)，经过光耦合器(3-2)分出二部分光，一部分光作为反馈控制信号调整快速偏转镜(3-1)的章动规律，另一部分光作为返回光信号。
8.根据权利要求6所述的合作目标激光测距方法，其特征在于，被测合作目标中信息处理及控制中心（2-10）对光放大器（2-6）的泵浦功率进行控制，降低光放大器（2-6）中折射率波动引起的测量误差。
9.根据权利要求6所述的合作目标激光测距方法，其特征在于，返回光束瞄准模块（2-7）补偿测距站与被测合作目标之间的相对角运动。
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|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |