CN110082772B - 一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置。所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。提高了系统精度，改善了系统的稳定性及有效性。

Description

一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种信号回波率实时可控的卫 星激光测距系统、方法及装置。
背景技术
作为目前空间大地测量技术中测量精度最高的技术之一，卫星激光测距 (SLR)技术是一项综合技术，涵盖激光、电子、微光探测、自动控制、精密 光学机械、天文测量和卫星轨道计算等多个学科领域,对监测大陆板块移动、 地壳形变、地球自转和极移及地球和海洋潮汐变化等研究具有重要意义。随 着光电器件的飞速发展及应用需求的不断增长，具有高精度、大范围、高重 频、远距离测量及昼夜可观测特点的SLR技术现已成为天文地球动力学的研 究热点之一。
目前，SLR系统主要由激光器、望远镜和跟踪机架、单光子探测和时间 测量、控制和监视、卫星预报和数据处理等五个子系统组成。在SLR过程中， 地面观测站根据卫星预报引导望远镜跟踪目标卫星后，激光器发射激光脉冲至目标卫星，并由目标卫星表面的角反射器反射回地面观测站，同时利用接 收望远镜将回波信号输送至时间测量分系统，最后通过测出激光脉冲往返地 星间的时间Δt，获得地星间的距离R。
作为评价SLR系统性能的重要指标，系统的测距精度主要由激光器输出 的激光脉宽的上升时间抖动，主波取样定比的时间游动，精密时间间隔计数 器的测时精度，星体质心修正的不确定性，光电头的时间抖动，接收定比的 时间游动，及大气修正的精度的影响等决定，由电子测量理论可以得出，系统的测距精度为：
其中，△σ1：激 光器输出的激光脉宽的上升时间的抖动；△σ2：主波取样定比的时间游动；△σ3： 精密时间间隔计数器的测时精度；△σ4：星体质心修正的不确定性，此值一 般很小，如对LAGEOS为2-3mm(20ps)；△σ5:光电头的时间抖动；△σ6：接 收定比的时间游动；△σ7：大气修正的精度的影响。
可见，为了提高系统测距精度，减小系统误差，消除系统器件的时间抖 动是一条有效途径。目前，绝大部分测站，包括欧洲、澳大利亚、日本以及 所有的中国测站均采用SPAD作为系统的探测器件。SPAD作为激光回波的探测器，对数据偏差的影响主要体现在探测器存在时间游动，即由于入射到探 测器的激光脉冲分布不同，渡越时间不同以及电子学抖动时间不同，探测器 响应时间不同。由文献可知，SPAD在不同回波光子下对应的响应曲线较陡， 响应时间较短。反之，单光子情况下，响应时间较长。
当光子入射SPAD后，会产生不同响应的时间，就是时间游动。在不同 脉冲强度情况下输出脉冲上升时间的比较。强度大的脉冲时间响应快。有文 献指出，随着回波率提高，SLR系统测距精度逐渐减小后趋于不变，但过高的回波率对SLR探测系统的探测器及高灵敏度器件将造成不可逆转的损害及 硬破坏。
在实际工作中，SLR是一个非常复杂的过程，回波率受激光强度、激光 光束的发散角、大气湍流、大气传输特性、观测目标特性、望远镜指向误差、 距离、接收孔径大小等多种因素的影响。对于一个硬件参数确定的系统，影 响系统信号回波率的主要因素为激光的观测目标特性及大气传输特性等。
根据激光测距方程，回波能量与距离的四次方成反比。对于不同的观测 目标，如几百公里的近地星、上万公里的地球同步卫星、月球或深空探测的 中继星，系统的回波率明显不同。探测器接收到的光子数可从上百万光子到 不足1个光子，远超出高灵敏探测器的动态范围。对于同一观测目标，携带角反射器的人造卫星沿着飞行轨道运转，观测距离由远及近再到远。如果发 射系统的光功率保持恒定，那么系统的回波率将随着观测距离变化。当观测 距离较远时，系统接收到的回波信号率降低，虚警率增大；相反，当观测距 离较近时，回波光子数较多，接收系统的探测器饱和，时间抖动值增大，系 统测距精度及准确度下降。
对于激光的大气传输特性，大气环境中充满了各种粒子，其主要变现为 对激光的吸收、散射和湍流三个方面。在SLR系统中，发射系统的光功率保 持恒定，当天气变化对传输光的功率衰减增大时，系统回波率降低，探测器 将不能有效地识别信号，虚警率上升。反之，当天气变化对传输光的功率衰 减小时，系统回波率变高，探测器可能饱和，同时将引起器件的损伤或破坏。
另外，对于一些受控卫星，如Sentinel–3A、IRNSS卫星等，其星载探 测器对SLR系统发射的激光能量更为敏感。有文献指出，高功率重频秒冲激 光容易对星载探测器形成有效干扰和永久性损伤。因此，在对此类卫星观测 时，对系统的激光发射能量进行合理的控制是十分必要的。
综上，如果SLR系统的激光功率可根据大气环境及观测目标的特性进行 自动、实时、准确地调整，将回波率控制到一个固定的范围内，不仅可以减 小或消除由回波率大范围变化引起的时间抖动，减小SLR系统的测量误差，提高测距精度，更可以减小系统的器件损耗，增加系统使用寿命，改善系统 的工作效率，保证卫星观测过程的顺利进行。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种信号回波率实时可控的卫星 激光测距系统、方法及装置，。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，所述系统还包括：激光 器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电 路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光 脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控 制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远 镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。
进一步的，所述接收望远镜的焦点上安装有光电头。
进一步的，所述系统还包括：导向光路；所述导向光路用于将激光器产 生的光脉冲导入激光能量控制系统中。
进一步的，所述系统还包括：时钟电路；所述时钟电路与所述主波取样 电路连接。
进一步的，所述系统还包括：卫星预报和数据处理系统、上位机和接口； 所述上位机通过接口分别与所述卫星预报数据处理系统、计数器、时钟电路 和回波信号模拟系统连接。
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤；
步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的 时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤。
进一步的，所述步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自 动控制的步骤包括：
步骤S1.1：使用激光器产生光脉冲；通过导向光路使得光脉冲进入激光 能量控制系统；
步骤S1.2：使用回波信号综合模拟系统根据当前观测目标信息、大气条 件及卫星激光测距系统的状态参数，实时估算卫星激光测距系统接收到的平 均光子数，并对激光能量控制系统输出衰减信号；
步骤S1.3：激光能量控制系统根据衰减信号，判断衰减值的大小，对激 光器的光功率进行实时自动控制，进而控制光脉冲的功率。
进一步的，所述步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和 接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤执行 以下步骤：
步骤S2.1：光脉冲经过激光能量控制系统后，进入到发射望远镜，然后 发射望远镜将其射向带有角反射器的人造卫星；同时，从发射的光脉冲中取 出一部分，通过主波取样电路形成两路电脉冲；其中一路电脉冲，用于启动 时间间隔计数器，作为开门信号，计数器开始计时；另一路电脉冲用于从时钟中取样，记录激光发射时刻；
步骤S2.2：所述光脉冲抵达人造卫星后，将通过人造卫星的角反射器反 射回地面，形成回波光信号，所述回波光信号由接收望远镜接收；
步骤S2.3：在所述接收望远镜的焦点上安装光电头；光电头将测到的回 波光信号转换成电信号，经放大、整形处理后形成回波脉冲，用于计数器的 关门信号，计数器停止计时；
步骤S2.4：通过计算计数器开始计时的时间和，计数器停止计时的时间， 得到主波和回波脉冲的时间间隔t；采用公式：s＝1/2ct，得到需要测量的距 离；其中，s为需要测量的距离，c为光速常数。
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距装置，所述装置包括：一种非 暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：产生 光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的代码段；将产生的光脉冲 进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间 参数进行激光测距的代码段。
本发明的一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置， 具有如下有益效果：利用已有观测数据推算出系统平均光子数，反演出激光 能量衰减比率，利用激光能量控制系统控制发射能量，将系统的回波率控制 到10％以内，减小由大动态范围变化的回波光子数引起的时间抖动及漂移误差，提高了系统精度，改善了系统的稳定性及有效性，同时对系统内的高灵 敏度的光电子器件进行了保护。
附图说明
图1是本发明实施例提供的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统的 系统结构示意图；
图2为本发明实施例提供的信号回波率实时可控的卫星激光测距方法的 方法流程示意图。
其中，1-激光器，2-回波信号综合模拟系统，3-时钟电路，4-计数器， 5-卫星预报和数据处理系统，6-接口，7-上位机，8-发射望远镜，9-接收望 远镜，10-光电头，11-导向光路，12-激光能量控制系统，13-主波取样电路。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1：
如图1所示，一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，所述系统 还包括：激光器1、激光能量控制系统12、回波信号综合模拟系统2、发射 望远镜8、主波取样电路13、计数器4，接收望远镜9、主波取样电路13和计数器4；所述激光器1用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统12连接， 产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统12中；所述激光能量控制系统 12分别与回波信号综合模拟系统2、发射望远镜8和主波取样电路13连接； 所述主波取样电路13和所述计数器4连接；所述计数器4与所述接收望远 镜9连接。
具体的：采用激光器1产生一定重复频率的超短激光脉冲，经光学系统 发射至卫星。该激光器1可以产生光能密度大、单色性能好、光束发散角小、 脉冲宽度窄、重复频率高、连续稳定的激光脉冲。
所述发射望远镜8和接收望远镜9均采用，大口径观测望远镜。大口径 观测望远镜均具有发射激光、接收激光和瞄准卫星的功能。主要由主光路系 统、导星系统和激光发射系统组成，同时包括方位和高度电码盘、方位和高 度力矩电机、测试电机和折轴光路系统、其中主光路系统包括主镜、副镜、 分光镜、45°镜、可变接收光阑孔、窄带干涉滤光片和光电头10组成。
可变接收光阑孔、窄带干涉滤光片、光电头10、恒比定时鉴别器和时间 间隔测量装置或计数器4对接收到的光脉冲进行处理。光电头10将回波信 号转换为电信号，再送入一个高灵敏度的恒比定时鉴别器，恒比定时鉴别器 将回波信号整形放大，送到一台精密时间间隔计数器4作为关门信号。而计 数器4的开门信号由发射的激光脉冲中取样得到。这样计数器4记录的时间 间隔表示了激光往返于望远镜与卫星间的飞行时间，将它乘以光速除以2就 得到了星-地之间距离。
接收光阑空起到空间滤波的作用，窄带滤光片通过频率上的滤波作用， 抑制背景噪声，减小天空背景噪声影响，提高信噪比。
为了减小由于脉冲幅度变化所引起的定时误差，采用恒比定时探测技术， 即检测脉冲前沿善生到最大幅度的某一固定比值时的时刻。
采用高重复率时间的高精度事件计时器，用于记录主波和回波时刻。
通过回波率与系统接收的平均光子数关系，根据前1分钟得到的观测结 果，推算出上一时间段得到的平均回波光子数。在根据激光雷达方程，反演 出发射激光衰减的比率，计算激光能量衰减值大小。该模拟系统通过VC++ 开发用户界面，通过实时输入发射激光光束的发散角、激光能量、大气湍流 参数、气象参数、望远镜指向误差、观测目标特性参数、距离、接收孔径等 多个参数，保证估算的实时性与准确性，避免了理论模型与实际观测条件之 间的差异，减小了激光器1长时间工作时性能产生的变化和峰值漂移的影响。
通过回波信号综合模拟系统2反馈的衰减信号，采用可编程光衰减器进 行发射系统光功率实时自动控制。控制系统的发射功率途径并不唯一。可利 用激光能量衰减器、中性密度滤波片或通过控制激光器1的驱动电流改变激光器1的输出功率。
进一步的，所述接收望远镜9的焦点上安装有光电头10。
具体的，由于SLR观测范围广，最远的观测目标达上万公里，从卫星回 来的回波光子非常弱，要求光电头10具有高灵密度和快响应等特性。采用C-SPAD或超导纳米线作为系统探测器探测信号回波光子。
进一步的，所述系统还包括：导向光路11；所述导向光路11用于将激 光器1产生的光脉冲导入激光能量控制系统12中。
进一步的，所述系统还包括：时钟电路3；所述时钟电路3与所述主波 取样电路13连接。
进一步的，所述系统还包括：卫星预报和数据处理系统5、上位机7和 接口6；所述上位机7通过接口6分别与所述卫星预报数据处理系统、计数 器4、时钟电路3和回波信号模拟系统连接。
具体的，采用上位机7系统进行卫星预报和数据处理。按照雅阁的时序 进行各种设备的控制。由于每次测距时间非常短，应采用实时性高、执行速 度快的上位机7作为系统AC。
综上所述，激光器1、产生的光脉冲经导向光路11进入激光能量控制系 统12。回波信号综合模拟系统2根据当前观测目标信息、大气条件及卫星激 光测距系统的状态，实时估算系统接收到的平均光子数，并对激光能量控制 系统12输出衰减信号。激光能量控制系统12根据反馈信号，判断衰减值的 大小，对发射系统光功率进行实时自动控制，进而保证卫星激光测距系统系 统回波率的稳定性。经过激光能量控制系统12后，发射光引入到发射望远 镜8，之后射向带有角反射器的人造卫星。同时，在发射光束中取出一小部分，通过主波取样电路13形成二路电脉冲。一路主波脉冲，用来启动时间 间隔计数器4，作他的开门信号。另一路用来从时钟电路3中取样，记录激 光发射时刻T。激光脉冲从卫星上反射回地面，有接收望远镜9接收。在接 收望远镜9的焦点上装有探测器。测到的回波光信号转换成电信号，经放大、 整形处理后形成回波脉冲，用来作计数器4的关门信号，停止计数器4技术。 这样计数器4便记录了主波和回波脉冲的时间间隔t。t是激光在测站和卫 星间往返的飞行时间。经过s＝1/2ct，换算成瞬间距离。
实施例2：
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤；
步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的 时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤。
进一步的，所述步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自 动控制的步骤包括：
步骤S1.1：使用激光器1产生光脉冲；通过导向光路11使得光脉冲进 入激光能量控制系统12；
步骤S1.2：使用回波信号综合模拟系统2根据当前观测目标信息、大气 条件及卫星激光测距系统的状态参数，实时估算卫星激光测距系统接收到的 平均光子数，并对激光能量控制系统12输出衰减信号；
步骤S1.3：激光能量控制系统12根据衰减信号，判断衰减值的大小， 对激光器1的光功率进行实时自动控制，进而控制光脉冲的功率。
进一步的，所述步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和 接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤执行 以下步骤：
步骤S2.1：光脉冲经过激光能量控制系统12后，进入到发射望远镜8， 然后发射望远镜8将其射向带有角反射器的人造卫星；同时，从发射的光脉 冲中取出一部分，通过主波取样电路13形成两路电脉冲；其中一路电脉冲， 用于启动时间间隔计数器4，作为开门信号，计数器4开始计时；另一路电脉冲用于从时钟电路3中取样，记录激光发射时刻；
步骤S2.2：所述光脉冲抵达人造卫星后，将通过人造卫星的角反射器反 射回地面，形成回波光信号，所述回波光信号由接收望远镜9接收；
步骤S2.3：在所述接收望远镜9的焦点上安装光电头10；光电头10将 测到的回波光信号转换成电信号，经放大、整形处理后形成回波脉冲，用于 计数器4的关门信号，计数器4停止计时；
步骤S2.4：通过计算计数器4开始计时的时间和，计数器4停止计时的 时间，得到主波和回波脉冲的时间间隔t；采用公式：s＝1/2ct，得到需要测 量的距离；其中，s为需要测量的距离，c为光速常数。
实施例3：
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距装置，所述装置包括：一种非 暂时性的上位机7可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：产 生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的代码段；将产生的光脉 冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时 间参数进行激光测距的代码段。
在现有技术中，一般采用如下三种技术进行激光测距：
(1)为了减小时间抖动对观测数据质量的影响，一般采用电路对SPAD 的时间游动来进行补偿(C-SPAD)。鉴别器采用的是双电平工作方式，对于 强度较小的脉冲，输出脉冲的上升时间较长，因此在低阈值和高阈值下鉴别 器检测到该脉冲的两个时间差较大。假如以单光子脉冲的响应时间作为标准， 则强度大于单光子强度的脉冲响应较早，因此，在鉴别器的后面通过电路延时来使最后输出脉冲的时间一致，即实现了对时间游动进行补偿。
尽管采用C-SPAD在一定程度上可解决光子数对SPAD时间游动的影响， 但C-SPAD极易受到多光子的干扰和损伤，且损伤是不可恢复的，属于硬破 坏。实验发现，SPAD受损后，其性能恶化如影响度R下降、暗电流上升、反向电阻下降以及噪声增大等。多光子对SPAD的永久损伤就是对载流子分离 过程的破坏，使之减弱分离载流子对的能力，是对PN结不可逆的破坏，这 导致了探测器收集载流子的电场减弱，甚至不能建立起收集电场。同时，随着探测次数增多，多光子的热效应也将减弱C-SPAD的补偿能力，对系统测 量的准确性及稳定性将带来不利的影响。
(2)针对探测器时间抖动引起系统测距误差的问题，一些测站采用MPCC (Multi-photon counter)作为SLR接收系统。MPCC实际上是一种硅光电倍 增管(Si-PM)。这种光子计数器4是由多个工作在盖格模式下的雪崩光电二 级管(APD)像素并联组成，即APD阵列。每个APD像素在探测到光子后都 会输出脉冲信号，而MPCC的输出为所有APD像素的综合。相比于单元型探 测器，采用阵列探测器能够有效增加回波信号的探测点数，降低噪声信号对回波信号的淹没效应。
串扰作为MPCC中存在的重要问题，现已严重影响了该类器件的性能与 应用。在雪崩过程中产生的光子以一定几率被硅吸收后，将激活其他的静止 单元，导致一系列雪崩。实验证明，APD阵列串扰率为1/r4，其中r是单元 之间的隔离。当APD阵列各单元全部处于雪崩状态时，邻近单元(100μm间 隔)的定态串扰率为0.001/ns。因此，对于4个最为接近的APD单元，当光 子进入100ns门内时，发生邻近单元串扰现象的几率可达5％。
目前基于该类器件的SLR系统仅处于原理阐述及论证阶段，尚无相关的 实验报道。影响APD阵列走向实际应用的主要问题集中在以下几个方面：一、 不同条件下，探测信噪比将随APD阵列单元数发生明显变化，这将直接影响 SLR系统的稳定性；二、由于APD阵列研制工艺的限制，APD阵列各个单元 之间存在一定间隙以减小串扰信号的影响，占空比的存在引起了光板能量的损失；三、APD阵列在增加回波探测概率的同时也增加了对背景造成的探测 率，反而降低了探测性能；四、此类系统转换复杂,且不可避免地会引入测 距系统误差,反而降低系统性能。
(3)一些测站通过分析激光偏振特性，应用半波片-偏振片组合调能技 术代替常规的中性吸收片，消除由中性吸收片引起的光路延时，优化了地靶 测量精度，提高系统延时测量的不准确性。同时，通过半波片-偏振片调能 技术对发射激光功率进行衰减，成功提取SPAD约100ps时间抖动，系统地 靶数据偏差改善15mm左右。
尽管上述方案通过半波片-偏振片调能技术对激光能量进行控制，但目 前该技术旨在提高地靶测量精度。通过激光雷达方程对回波光子数进行理论 估算，按照一定步长实现调控激光发射功率。但是由于系统的实际观测条件 与理想设定条件相差较大，其自动性、实时性以及准确性均不能满足卫星激光观测的实际需要。
实施例4：
以云南台为例，激光发射波长为532nm，发射功率为15mJ，每焦耳能量 光子数为2.7*1018个，重复频率1000Hz；发射传输系数为0.45；接收传输 系数为0.45；望远镜接收面积为8825cm2；SPAD量子效率为0.2；大气透过 率(晴朗)为0.45；卫星上角反射器反射光束角5*10-5rad；发射激光束的 发散角1.5*10-4rad；传输衰减因子为0.14。
通过计算可知，对于1000km的近地卫星，回波可能大于数上千个光电 子；对于Lageos:As＝150cm2，R＝8000km，S＝1.73个光电子。
从理论上讲，当观测目标由近地卫星转换成Lageos时，其平均回波光 子数由上千减小到不足两个，对应的回波率从100％减小到82％，对应的时间 抖动值由219ps减小到28ps，漂移误差减小57.3mm。然而，对于实际观测 过程，系统接收到的回波率由40％减小到7.2％，对应的时间抖动值由6.68ps 减小到1.31ps，漂移误差减小1.6mm，与实际相差的结果较大。
可见，如果采用现有技术，系统的回波光子数存在较大的动态范围，不 利于SLR系统的数据精度及稳定性的提高；若采用现有技术三对能量进行衰 减，通过激光雷达方程计算得到的回波光子数与实际相差较大，无法对激光 能量进行有效控制，反而影响测距过程的顺利进行。
实施例5：
以长春站为例，SLR系统的激光单脉冲能量约为1mJ；发射频率为1KHz； 激光波长为532nm；激光发射系统的效率0.6；激光能量脉宽为50ps；发射 光束指向偏差，值为5″。设观测目标为Beacon卫星。
根据回波信号综合模拟系统2可知，系统接收到卫星回波率为1％～64％。 为了保证系统回波率的稳定性，回波信号综合模拟系统2将输出激光能量衰 减信号，利用激光能量控制系统12将系统的回波率减小至10％以内，将系统 的时间抖动值由11ps减小至1ps，系统的测距准确度改善了3mm左右。
根据观测预报，卫星距测站距离为2450-7422km。由激光雷达方程可知， 理论上，系统接收到的回波光子数为1.70～143.4个，远超过SPAD的探测范 围。若采用MCPP，大动态范围的回波光子数将引起器件的探测串扰问题。另外，从系统观测数据可以看出，由于理论模型与实际观测条件之间相差较大 (观测目标预报、气象、温度……)，系统得到的回波率与理论估算的回波 率80％～100％存在较大差异，无法为激光能量控制系统12提供有效的衰减信 号，不能满足高精度卫星激光测距系统的性能需求。
综上所述，本发明具有如下优点：对于皮秒固体激光器1，一般不能实 时调整发射功率。通过本发明就可以实时调节激光发射功率。适应单光子探 测器的工作特性，实现单光子测距。因为发射功率会影响到回波光强度，进 而影响到单光子探测器的时间响应特性，进而产生测距偏差。适应天气的小 幅度变化，因为天气小幅度变化(晴朗/薄雾/等等)会影响回波光强度。实现某些光学遥感卫星的观测，因为光学遥感卫星对于激光发射功率和脉冲能 量都有限制。适应激光器1的功率变化。因为半导体光电子器件退化，激光 器1的功率/脉冲能量会随着时间缓慢下降，会影响回波光强度。
应注意到：本发明中可使用SPAD、超导纳米线、PMT等高灵敏度光电子 器件作为光电头10的替代。对于本发明中激光器1的选用可采1064nm固体 或半导体激光器1、1550nm固体或半导体激光器1、532nm固体或半导体激 光器1或其他波长激光器1等。其重复频率可为几Hz到上千Hz，能量大小 可从几mJ到上百mJ。激光器1选择不唯一。对于本发明中激光能量控制系统12可利用激光能量衰减器、中性密度滤波片或通过控制激光器1的驱动 电流改变激光器1的输出功率。激光能量衰减方式不唯一。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的系统的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对 应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的系统，仅以上述各功能模块的划分进 行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能 模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如， 上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块， 以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上 述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方 法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各 示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、上位机7软件或者二者的结合来 实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、 可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。 为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式 来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应 认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或 表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使 得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素， 而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或 者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但 是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具 体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关 技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入 本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护 范围。

Claims (5)

1.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接；所述接收望远镜的焦点上安装有光电头；所述系统还包括：导向光路；所述导向光路用于将激光器产生的光脉冲导入激光能量控制系统中；所述激光器产生的光脉冲经导向光路进入激光能量控制系统；所述回波信号综合模拟系统根据当前观测目标信息、大气条件及卫星激光测距系统的状态，实时估算系统接收到的平均光子数，并对激光能量控制系统输出衰减信号；所述激光能量控制系统根据衰减信号，判断衰减值的大小，对发射系统光功率进行实时自动控制；所述光脉冲经过激光能量控制系统后，进入到发射望远镜，之后射向带有角反射器的人造卫星，同时，提取出部分光脉冲，通过主波取样电路形成二路电脉冲；其中一路电脉冲作为主波脉冲，用来启动时间间隔计数器，作为开门信号，另一路电脉冲，用来从时钟电路中取样，记录激光发射时刻；光脉冲从卫星上反射回地面，被接收望远镜接收，得到回波光信号；在接收望远镜的焦点上装有探测器，将回波光信号转换成电信号，经放大、整形处理后形成回波脉冲，作计数器的关门信号，停止计数器计数，得到主波脉冲与回波脉冲的时间间隔t；t是光脉冲在卫星激光测距系统和卫星间往返的飞行时间；使用如下公式：s=1/2ct，换算成瞬间距离s；其中，c为光传播速度。
2.如权利要求1所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：时钟电路；所述时钟电路与所述主波取样电路连接。
3.如权利要求1或2所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：卫星预报和数据处理系统、上位机和接口；所述上位机通过接口分别与所述卫星预报数据处理系统、计数器、时钟电路和回波信号模拟系统连接。
4.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤；
步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤；
所述步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤包括：
步骤S1.1：使用激光器产生光脉冲；通过导向光路使得光脉冲进入激光能量控制系统；
步骤S1.2：使用回波信号综合模拟系统根据当前观测目标信息、大气条件及卫星激光测距系统的状态参数，实时估算卫星激光测距系统接收到的平均光子数，并对激光能量控制系统输出衰减信号；
步骤S1.3：激光能量控制系统根据衰减信号，判断衰减值的大小，对激光器的光功率进行实时自动控制，进而控制光脉冲的功率；
所述步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤执行以下步骤：
步骤S2.1：光脉冲经过激光能量控制系统后，进入到发射望远镜，然后发射望远镜将其射向带有角反射器的人造卫星；同时，从发射的光脉冲中取出一部分，通过主波取样电路形成两路电脉冲；其中一路电脉冲，用于启动时间间隔计数器，作为开门信号，计数器开始计时；另一路电脉冲用于从时钟中取样，记录激光发射时刻；
步骤S2.2：所述光脉冲抵达人造卫星后，将通过人造卫星的角反射器反射回地面，形成回波光信号，所述回波光信号由接收望远镜接收；
步骤S2.3：在所述接收望远镜的焦点上安装光电头；光电头将测到的回波光信号转换成电信号，经放大、整形处理后形成回波脉冲，用于计数器的关门信号，计数器停止计时；
步骤S2.4：通过计算计数器开始计时的时间和，计数器停止计时的时间，得到主波和回波脉冲的时间间隔t；采用公式：s＝1/2ct，得到需要测量的距离；其中，s为需要测量的距离，c为光速常数。
5.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距装置，其特征在于，所述装置包括：一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，该指令用于实现权利要求4所述的方法，其包括：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的代码段；将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的代码段。
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