CN111751835B - 一种全波形卫星激光测距系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于激光测距技术领域，公开了一种全波形卫星激光测距系统及方法，包括：地面设备控制机用于发送指令；激光发射模块用于发射激光脉冲；接收光学系统用于接收卫星返回的回波信号；取样控制模块用于开启取样门控器；回波探测模块用于进行多次采样；信号处理模块用于得到一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据；时间分析模块用于转换为回波光子飞行时间进行计数和累计；数据处理模块用于将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；测距模块用于得到星‑地之间距离S。本发明对高精度SLR系统的优化设计、目标识别算法设计具有直接应用价值，更对激光测距理论体系的完善具有十分重要的科学价值。

Description

一种全波形卫星激光测距系统及方法
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，尤其涉及一种全波形卫星激光测距系统及方法。
背景技术
高精度地球参考框架建立、维持与更新是大地测量观测系统(Global GeodeticObservation System，GGOS)的首要科研任务。地球参考框架的不断完善不仅为国防安全、深空探测、城市建设、救灾减灾等提供基础数据，更为开展全球变化的科学研究提供统一的空间基准。尽管目前国际地球参考框架已经达到厘米级的精度，但依然无法满足全球性、大尺度范围内的地球动力学研究对其精确性、稳定性以及全球化的迫切需求。因此，突破和掌握现代空间大地测量技术成为了地球动力学、大地测量学以及天文学等领域发展的关键内容。
作为当前卫星单位定位精度最高的一种大地测量技术，卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，SLR)利用激光脉冲来精密测量地面测站到空间目标距离，其系统主要包括激光器和发射光学系统、望远镜机架跟踪系统、光子探测系统、时间间隔测量系统、计算机控制系统等。各组成部分需要在计算机控制系统统一协调下有序协同开展工作，密不可分，以完成对卫星台站预报、精密跟踪、激光发射瞄准、回波信号探测接收，数据采集显示储存及预处理等工作。各子系统的具体功能如下：
(1)激光器和发射光学系统
激光器产生激光脉冲，脉冲经过折轴发射光学系统的反射和准直，然后射向待测卫星。
(2)望远镜伺服跟踪系统
SLR望远镜系统包括发射镜、接收镜和微光CCD摄像机三大部分，分别完成发射激光、接收激光回波和监视卫星跟踪状态的三个功能。
望远镜的跟踪机架一般采用地平式二轴结构。通过观察恒星精确测定机架的系统误差。采用轴角编码器，实时读取机架位置信息。通过伺服控制系统实时控制机架的方位和高度，并使机架按照给定的速度准确地运转，同时提供过流、过速和过卷保护功能，驱动望远镜，使激光击中待测卫星。
(3)光子探测和计数系统
光子探测和计数系统由接收望远镜、可变接收光阑、窄带干涉滤波片、光电接收器件、鉴别器、时间间隔测量等装置组成。激光脉冲回波被接收望远镜聚集后，经过接收光阑、干涉滤波片、进入光电接收器件。经光电器件产生的电脉冲，再通过鉴别器输出矩形脉冲，最后进入时间间隔计数器。
接收光阑即接收视场，光阑越小，则背景噪声越小，主要用于空间滤波。窄带滤波片主要用于光谱滤波，减小光谱噪声对测距的影响。
SLR系统采用的光电接收器件通常为PMT、SPAD、C-SPAD等单光子探测器。在早期使用光电倍增管或微通道板时，需要单独另加兼备器；使用SPAD 后，SPAD和鉴别电路、时间补偿电路封装在仪器，无需计加入鉴别器等其他电路板，同时提高了测距精度。
时间间隔测量装置一般采用事件计时器及距离门控技术。该器件的开门信号时激光发射脉冲的采样信号，即极少部分脉冲光子进入PIN光电二极管后，再经过鉴别器输出的脉冲；关门信号为光电接收器件接收回波光子后产生的电脉冲。
(4)时间频率系统
时间频率系统时整个系统运转的绝对时间坐标。其功能之一是接收GPS卫星系统的秒脉冲和UTC时间，将它们读入到控制计算机中。功能之二是提供一个高稳定度的10MHz信号.
(5)计算机控制系统
其功能包括：1.根据预报的卫星轨道计算卫星的实时位置；2.通过点火信号控制激光器发射脉冲；3.通过开门信号精确控制距离门，目前控制精度为20ns； 4.通过轴角编码器和伺服控制系统该控制机架和望远镜运转；5.采集事件计时器数据5.进行仪器指向误差的修正、系统延时的校准、观测资料的预处理和形成标准数据文件。
SLR的具体过程如下：首先，根据输入的待测卫星方位方位角和出现时间的预报值，计算机控制系统自动照准所升起的该颗卫星，同步跟踪该颗卫星的运行。当仪器照准激光卫星后，激光器便按预定指令发射激光脉冲，其中其极少能量被主波取样电路(常用光电二级管)截获，经光电转换形成一个基准信号，成为主波，并开启事件计时器，开始计时。激光器所输出的绝大部分能量通过曲折光路到达位于跟踪转台的发送光学系统，并由发射光学系统将激光脉冲射向激光卫星。照射在星载激光后向反射镜阵列上的激光脉冲沿入射方向返回于地面测站，被其跟踪转台上的接收光学系统所接收，并送到光电接收器件。光电接收器件将返回SLR系统的激光脉冲转换成电脉冲，即回波(被测信号)。经过回波放大器放大以后，电脉冲被送到事件计时器，终止计数。激光脉冲往返于地面观测站和卫星之间的传播时间等于主波开始事件计时器和回波关闭事件计时器的时间之差△t＝tstop-tstart，由此可算出SLR系统和卫星之间的瞬时距离值
Figure BDA0002570800730000031
高精度、自动化、小型化是SLR技术未来的发展趋势。高重频SLR技术的出现使得毫米级激光测距成为了可能。随着光电器件的不断发展，2kHZ、4kHz、 5kHz、10kHz甚至是100KHz的高重频SLR系统已从理论设想走向现场试验。其中，NASA研制的SLR2000作为典型的千赫兹SLR系统，采用锁模技术保证激光脉宽，其激光波长为532nm，激光发射功率为130μJ，脉冲重复率为2kHz，光束发散角为10″，测量误差1cm，标准点内符精度可达mm级，实现了日夜跟踪高达22000km地球同步轨道上配备直角反射镜的卫星。图13给出了 SLR2000的功能框图。
高重频SLR技术有效增加了回波点数，但高重频的激光器价格昂贵，系统造价高。同时，重复频率的提高使得激光脉冲的峰值功率难以做到很大，不利于系统回波率进一步的提升。因此，SLR探测系统的优化设计显得极为重要。由于卫星激光测距测程较远，出射激光能量经远距离双程传输后被大气衰减，从卫星上返回的回波光子十分微弱，有时甚至是单光子水平。在常规观测的SLR 系统中，通常采用G-SPAD或C-SPAD等单光子探测器识别系统回波。然而， G-SPAD或C-SPAD只有“有”或“无”两个光子态输出，无法通过强度识别信号，为后续数据处理造成极大困难。同时，现有的探测系统采用了距离门控技术减小了天光背景噪声的影响，但未被规避的背景噪声仍可能提前引起探测器的误触发，进而无法响应后续的目标回波光子，严重影响了SLR系统的探测效率。另外，由于单次测距过程中距离门仅开启一次，探测器只对第一个返回的光子进行响应，系统仅能记录有限个离散的返回信号，回波信息只包括了主回波简单的相对关系，不能获取整个发射脉冲与卫星相互作用而形成的背向散射回波波形，在时域上的一些回波信号波形特征细节被忽略(如展宽、畸变、多峰等)，不利于SLR回波数据精度的进一步发展。
针对上述情况，有报道表明可利用MCP-PMT或APD阵列等阵列探测器识别微弱光子。然而，在不同观测条件下，探测信噪比随APD阵列单元数将发生明显变化。由于APD阵列制作工艺的限制，各单元间存在一定间隙识别回波光子个数，占空比的存在将引起探测回波能量的损失，影响系统的探测效率。同时，APD阵列具有极高的灵敏度，这使得对系统对噪声更加敏感，通道之间串扰更为严重，对SLR系统提升探测精度产生不利影响。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全波形卫星激光测距系统。
本发明是这样实现的，一种全波形卫星激光测距方法，所述全波形卫星激光测距方法利用高速采样门控技术代替原有的距离门控技术，通过对回波信号高频累计采样，提高回波点数，记录回波的完整时域分布，实现观测目标的距离信息和细节特征的提取；同时结合数据处理技术，减小、甚至消除卫星形状效应对系统测距精度的影响，揭示卫星角反射器阵列在SLR过程中响应机制，实现卫星姿态信息的提取和分类。
本发明的另一目的在于提供一种全波形卫星激光测距系统，所述全波形卫星激光测距系统包括：
地面设备控制机，用于发送发射指令与门控指令；
激光发射模块，用于激光器接收发射指令发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；
时间建立模块，用于产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟；
接收光学系统，用于利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，由光电探测器接收；
取样控制模块，用于通过门控指令在回波达到之前开启取样门控器，同时用于控制每间隔△t重复开启取样门控器；
回波探测模块，用于利用回波探测器进行多次采样；
信号处理模块，用于将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，得到一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据；
时间分析模块，用于将记录的多个回波时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间进行计数和累计；
数据处理模块，用于利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
测距模块，用于提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述全波形卫星激光测距系统的全波形卫星激光测距方法，所述全波形卫星激光测距方法包括：
按卫星高度将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，卫星高度在每个时间栅格内相对不变；在一个时间栅格的弧段中，通过取样门控器将一个回波脉冲信号时域分成等距离小间隔采样周期，利用探测器进行多次采样，并将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，完成一个时间栅格弧段内 SLR全波形回波数据的获取，重复直到观测结束；利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
进一步，所述全波形卫星激光测距方法包括以下步骤：
步骤一，建立时间系统，产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟，按照卫星高度，设定栅格时间，将卫星观测时间按栅格时间离散成K个弧段；
步骤二，控制激光器发射固定频率激光脉冲，主波探测器产生脉冲信号，经过恒比定时器消除激光抖动影响后，进入时间分析仪开始计时并保存START 数据；
步骤三，利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，并由光电探测器接收；
步骤四，根据卫星轨道预报，在回波到来之前的瞬间启动取样门控器，并每间隔△t就重复开启取样门控器，在每一个△t内由光电探测器的输出脉冲触发时间分析仪信号的时间信息都会被记录并存储为STOP数据，直至重复开启取样门控器M次结束本次记录周期，每个START开启的计数周期内都会记录下 M个STOP触发的时间信息；
步骤五，依次循环步骤二至四N次，直到完成设定的栅格时间；
步骤六，一个时间栅格内记录N组数据，每组数据包括1个START及M 个STOP值，对上述STOP与START时刻进行差值后，转换为回波光子飞行时间的计数并累计，输出显示的是一个时间栅格内回波信号时间的统计，即回波波形的时域分布；
步骤七，重复步骤二至步骤六K次，保存K组观测数据，直到观测结束；
步骤八，在数据预处理中利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
步骤九，依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
本发明的另一目的在于提供一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述全波形卫星激光测距方法。
本发明的另一目的在于提供一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的全波形卫星激光测距方法。
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明首次提出“SLR全波形回波”概念，在现有SLR系统的基础上，创造性地引入高速取样门控技术，代替传统的距离门技术，将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，通过对每个时间栅格内的回波信号进行高频累计采样，完成回波信号的数字化，获取SLR全波形回波的观测数据，得到具有波形细节的的回波波形，有效提高了系统的回波点数，对高精度SLR系统的优化设计、目标识别算法设计具有直接应用价值，更对激光测距理论体系的完善具有十分重要的科学价值。
本发明提出了一种对卫星激光测距系统回波数据时域信息获取的方法。首次提出“卫星激光测距全波形回波”的概念。不同于以往通过提高SLR发射重频获得更多的回波点数，本发明通过增加探测频次获得海量SLR回波数据，避免采用价格昂贵的高重频激光器，降低了系统的研发成本。同时，在提高系统探测率的同时，也规避了暗噪声对单光子探测器的影响。本发明在现有的系统中创造性地采用了高速取样门控技术代替原有的距离门控技术，回波数据不再是主回波简单的相对关系，更包括了回波时域信息的完整分布，包括回波波形峰值个数、分布、强度等。从回波数据中，不仅可以获得卫星的距离信息，还可以根据获取卫星的运动、形状、姿态等特性，极大地丰富了回波信息。通过提取第一角反射器的回波信息，减少或消除卫星形状效应引起的卫星质心误差，有效提高了系统的测距精度，拓展了SLR系统的实际应用领域。
基于SLR全波形回波数据的分析，本发明可通过提取第一角反射器(最接近测站的卫星表面的角反射器)的回波信息，减小由Lageos-1卫星形状效应引起的测距误差，有效提高测距精度。
本发明通过比对不同弧段的Lageos-1全波形回波数据，可获取回波卫星的形状、姿态、运动等多重信息，拓展SLR系统功能。
对比的技术效果或者实验效果。与现有的高重频SLR技术相比，全波形SLR 系统将获得具有多峰效应的SLR回波数据，回波数据不再是简单的一个具有偏度的包络，而是具有更多波形细节的回波波形。全波形SLR系统舍弃了高重频激光器，有效减小了系统成本。通过开发FPGA，实现高重频采样门控技术，突破光电器件等硬件设施的技术瓶颈，通过提高系统探测频次，大幅度增加回波数据量，同时获取不同角反射器的回波光子，得到回波波形峰值个数、分布、强度等，极大的丰富了回波信息，并为后续数据处理提供明确的物理依据。通过提取第一角反射器的回波信息，减少或消除卫星形状效应引起的卫星质心误差，有效提高系统的测距精度，为SLR系统走向毫米级应用提供全新的研究思路。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的全波形卫星激光测距系统结构示意图。
图中：
图2是本发明实施例提供的全波形卫星激光测距系统原理图。
图3是本发明实施例提供的全波形卫星激光测距方法流程图。
图4是本发明实施例提供的一个“时间栅格”内的SLR全波形探测示意图。
图5是本发明实施例提供的具有系统延时实时标效的卫星激光测距系统结构图。
图6是本发明实施例提供的全波形SLR系统主要时序关系示意图。
图中：△t0：激光点火到主波是时延；△t1：取样探测周期；△t2：取样门宽度；△t3：取样门提前量。
图7是本发明实施例提供的Lageos-1卫星实物图。
图8是本发明实施例提供的Lageos-1卫星的全波形SLR数值仿真结果示意图。
图9是本发明实施例提供的Ajisai卫星实物图。
图10是Ajisai全波形SLR回波数值仿真结果图。
图11是不同方位角测得的Lageos-1全波形SLR数值仿真结果图。
图12是本发明实施例提供的卫星激光测距示意图。
图13是本发明实施例提供的SLR系统结构框图。
图14是本发明实施例提供的紧凑型SLR系统示意图。
图15是本发明实施例提供的SLR2000系统组成框图。
图16是本发明实施例提供的双波长激光测距系统框图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种全波形卫星激光测距系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。
为了解决上述问题，本发明创造性地利用高速采样门控技术代替原有的距离门控技术，通过对回波信号高频累计采样，提高回波点数，记录回波的完整时域分布(回波波形)，实现观测目标的距离信息和细节特征的提取。同时，结合数据处理技术，减小、甚至消除卫星形状效应对系统测距精度的影响，揭示卫星角反射器阵列在SLR过程中响应机制，进而提高SLR测距精度，实现卫星姿态信息的提取和分类。
本发明有效解决了SLR系统探测器存在的常见问题，不仅为高精度SLR的系统结构设计和后续数据处理算法提供一种全新的研究思路，更拓展了SLR技术的应用范围，对识别卫星类型、了解卫星姿态、诊断卫星故障的而研究具有十分重要的科学意义和应用价值。
如图1-图2所示，本发明实施例提供的全波形卫星激光测距系统包括：
地面设备控制机1，用于发送发射指令与门控指令；
激光发射模块2，用于激光器接收发射指令发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；
时间建立模块3，用于产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟；
接收光学系统4，用于利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，由光电探测器接收；
取样控制模块5，用于通过门控指令在回波达到之前开启取样门控器，同时用于控制每间隔△t重复开启取样门控器；
回波探测模块6，用于利用回波探测器进行多次采样；
信号处理模块7，用于将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，得到一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据；
时间分析模块8，用于将记录的多个回波时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间进行计数和累计；
数据处理模块9，用于利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
测距模块10，用于提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
本发明实施例提供的全波形卫星激光测距方法包括：
按卫星高度将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，卫星高度在每个时间栅格内相对不变；在一个时间栅格的弧段中，通过取样门控器将一个回波脉冲信号时域分成等距离小间隔采样周期，利用探测器进行多次采样，并将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，完成一个时间栅格弧段内 SLR全波形回波数据的获取，重复直到观测结束；利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
如图3所示，本发明实施例提供的全波形卫星激光测距方法包括以下步骤：
S101，建立时间系统，产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟，按照卫星高度，设定栅格时间，将卫星观测时间按栅格时间离散成K 个弧段；
S102，控制激光器发射固定频率激光脉冲，主波探测器产生脉冲信号，经过恒比定时器消除激光抖动影响后，进入时间分析仪开始计时并保存START数据；
S103，利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，并由光电探测器接收；
S104，根据卫星轨道预报，在回波到来之前的瞬间启动取样门控器，并每间隔△t就重复开启取样门控器，在每一个△t内由光电探测器的输出脉冲触发时间分析仪信号的时间信息都会被记录并存储为STOP数据，直至重复开启取样门控器M次结束本次记录周期，每个START开启的计数周期内都会记录下 M个STOP触发的时间信息；
S105，依次循环S102-S104N次，直到完成设定的栅格时间；
S106，一个时间栅格内记录N组数据，每组数据包括1个START及M个 STOP值，对上述STOP与START时刻进行差值后，转换为回波光子飞行时间的计数并累计，输出显示的是一个时间栅格内回波信号时间的统计，即回波波形的时域分布；
S107，重复S102-S106K次直到观测结束；
S108，在数据预处理中利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
S109，依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1：
1.卫星激光测距(Satellite Laser ranging,SLR)：卫星激光测距技术是一项通过测量激光从地面观测站到观测目标卫星的往返飞行时间，进而获得观测目标到地面观测站的距离的大地测量技术。
2.全波形回波：单次测距过程中回波数据的时域分布。全波形回波是发射脉冲与参与SLR反射过程的所有角锥对激光脉冲接触、相互作用后的叠加效果。
3.PMT：Photo Multiplier tube，光电倍增管，灵敏度极高，响应速度极快的光电探测器，可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光等研究中
4.APD：Avalanche Photodiode,雪崩光电二极管，单光子探测器的一种，常见的SLR光电探测器。
5.SNSPD:Superconducting Nanowire Single-Photon Detector,超导纳米线，单光子探测器的一种。
6.卫星形状效应：在SLR过程中，卫星表面布满角反射器，发射光束中的同一波阵面的光子到达角反射器的时间不同，不同平面角反射器反射回波有先后之分，最前面的角反射器回波最早，两边的反射器回波较晚，不同的反射回波混叠在一起，导致回波波形的展宽和畸变，使卫星的质心改正(Centre-of-Mass correction,CoM)值难以确定，严重影响了测距精度和稳定性。
前期的研究结果表明，由卫星形状效应引起的对卫星质心修正误差是目前影响SLR回波数据精度的最主要因素，其误差范围在10mm以上。卫星形状效应使得SLR回波波形的时域分布呈明显展宽和畸变。尤其对于球形卫星，SLR 完整的回波波形将呈明显的多峰效应。尽管现有的千赫兹SLR技术大幅度增加了回波点数，使得一些被忽略掉的回波波形细节从噪声中显现出来，但由于在探测系统中采用了距离门控技术，SLR系统只能记录在特定距离内的光子，距离门外的后续返回光子不予记录，系统无法获取回波全波形数据，卫星回波信号随时间变化的关系不完整，不利于测距精度进一步发展。
为了解决上述问题，本发明首次提出“SLR全波形回波”概念，在现有SLR 系统的基础上，创造性地引入高速取样门控技术，代替传统的距离门技术，将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，通过对每个时间栅格内的回波信号进行高频累计采样，完成回波信号的数字化，获取SLR全波形回波的观测数据，得到具有明显卫星形状效应的回波波形，对高精度SLR系统的优化设计、目标识别算法设计具有直接应用价值，更对激光测距理论体系的完善具有十分重要的科学价值。
为了获取SLR回波能量随时间变化关系，提高系统测距精度，获得卫星姿态、卫星自旋等多重信息，本发明提出了一种全波形卫星激光测距系统。基于光子计数和时间栅格的思想，在全波形卫星激光测距系统中，按卫星高度将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，卫星高度在每个时间栅格内相对不变。在一个时间栅格的弧段中，通过取样门控器将一个回波脉冲信号时域分成等距离小间隔采样周期，利用探测器进行多次采样，并将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，完成一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据的获取。重复上述过程，直到观测结束。图4为一个“时间栅格”内的SLR全波形探测。
图2为全波形SLR系统结构方案图。系统的主要过程如下：首先建立时间系统，产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟。在发射端，控制激光器发射固定频率激光脉冲，主波探测器产生脉冲信号，经过恒比定时器消除激光抖动影响后，进入时间分析仪开始计时并保存START数据。在接收端由接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，然后由光电探测器接收。根据卫星轨道预报，在回波到来之前的瞬间启动取样门控器，此后每间隔△t就重复开启取样门控器，在每一个△t 内由光电探测器的输出脉冲触发时间分析仪信号的时间信息都会被记录并存储为STOP数据，直到重复开启取样门控器M次结束本次记录周期，每个START 开启的计数周期内都会记录下M个STOP触发的时间信息。依次循环N次，直到完成设定的栅格时间。在一个时间栅格内记录的每组START及M个STOP 时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间的计数并累计，最后输出显示的是一个时间栅格内回波信号时间的统计，即回波波形的时域分布。重复上述过程，直到观测结束。图6为全波形SLR系统主要时序关系。
实施例2：
根据本发明内容，将长春站千赫兹SLR系统改造为全波形SLR系统。其中，发射望远镜为口径21cm的望远镜，接收望远镜为60cm望远镜；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″，系统光路系统为收发分离系统。根据本发明内容，主波探测器将选用高精度PIN管，回波探测器将选用超快响应PMT，高精度时间分析仪将选用GT668，通过开发FPGA实现取样门控器等距离小间隔累计采样。
设观测目标为Lageos-1卫星。Lageos-1卫星的具体参数如下。
Figure BDA0002570800730000151
Lageos-1卫星为典型的球形卫星，由角反射器排列位置引起的卫星形状效应十分明显。根据前期的仿真结果可知，Lageos-1的全波形回波呈多峰分布，且各峰值随着卫星的运动状态改变。为了获取Lageos-1更多的回波信息，采用发明的全波形SLR系统进行探测，获取具有多峰的全波形SLR数据。图8为 Lagoes-1全波形SLR数值仿真结果与常规SLR观测数值仿真结果对比图。
具体步骤：
1.下载当日观测目标预报星历，选定Lageos-1，获得Lageos-1的方位、高度及距离等信息。将观测弧段划为以1min为单位的时间栅格。
2.由伺服控制系统引导望远镜跟踪Lageos-1，待稳定跟踪后经21cm折轴光学系统发射激光脉冲。
3.由PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光电二极管产生激光脉冲的同步信号输送到恒比鉴别器(Constant-FractionDiscriminator,CFD)，并输出主波信号进入时间分析仪A同道，控制系统记录主波时刻Tmain-pulse。
4.根据卫星预报，在Lageos-1回波光子到达前的瞬间启动取样门控器。
5.Lageos-1回波光子由60cm望远镜接收后，经折轴光路传输至高精度PMT，并将光信号转变为电信号，传送至时间分析仪，并记录当前回波时刻 Treturn-1。
6.经过△t后，再次开启取样门控器，记录光子回波时刻Treturn-2，重复M次后，共记录Treturn-M，关闭取样门控器。
7.重复2-6过程，完成1个时间栅格内(1min)的观测，将记录的Tmain-plus 和Tretrun-1至Treturn-m等时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间进行计数和累计，并将统计后的波形信息进行文件保存。
8.重复上述过程，直至观测结束。
9.在数据预处理中利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形。依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
实施例3：
以云南天文台SLR系统为例，将该系统升级改造为全波形SLR系统。云南天文台SLR系统为收发共光路系统，望远镜为120cm，望远镜指向精度1″，激光波长为532nm，单脉冲能量150mJ，脉宽为200ps，重复频率为10Hz。
根据本发明内容，主波探测器将选用高精度PIN管，回波探测器将选用超快响应PMT，高精度时间分析仪将选用GT668，通过开发FPGA实现取样门控器等距离小间隔累计采样。
设观测目标为Ajisai卫星。Ajisai卫星具有318个反射平面镜和120个角反射器，具体实物如图9。
同样的，Ajisai作为另一典型的球形卫星，基于全波形SLR系统获得的卫星回波数据将呈更明显的多峰分布。其中，第一波峰的分布为Ajisai第一角反射器返回的回波数据时域分布，可通过提取第一角反射器的回波信息，减小甚至消除卫星形状效应，进而提高测距精度、改善回波数据质量。图10为Ajisai全波形SLR回波数值仿真结果。
实施例4：
以上海天文台SLR系统为例，将该系统升级改造为全波形SLR系统。上海天文台SLR系统为收发分离光路系统，望远镜为60cm，望远镜指向精度10″，激光波长为532nm，功率为3W，重复频率为4kHz。
根据本发明内容，主波探测器将选用高精度PIN管，回波探测器将选用条纹相机，高精度时间分析仪将选用GT668，通过开发FPGA实现取样门控器等距离小间隔累计采样。设观测目标为Lageos-1卫星。
条纹相机是一种同时具备高时间分辨(皮秒)与高空间分辨(微米)的瞬态光学过程测量仪器，可直接用来测量超短光脉冲辐射的强度-时间空间波形，，提供超快空间-强度-时间分辨或能谱-强度-时间诊断参数。图11 为不同方位角测得的Lageos-1SLR数值仿真结果图。可见，不同的方位角 Lageos-1全波形回波波形呈明显的不同，可根据回波时域分布特性，反演出卫星的运动方位、运动状态等多重信息。
1.对于本发明中的观测目标，可为球形卫星、平板卫星、特殊形状卫星，卫星类型的选择不唯一。
2.对于本发明中的卫星激光测距系统，其光学系统可为收发分离光路系统、收发共轴光路系统，SLR系统的光学系统选择不唯一。
3.对于本发明中的卫星激光测距系统，其激光系统可为5Hz、10Hz等低重频激光发射系统，也可以为1KHz、5KHz、10KHz或更高重频的激光发射系统， SLR系统的激光发射系统重复频率选择不唯一。
4.对于本发明中的卫星激光测距系统，其激光系统发射波长可为532nm、 1064nm或其他波长，SLR系统的激光发射系统激光波长选择不唯一。
5.对于本发明中的主波探测器、回波探测器的选择可为PMT、PIN、APD、 SNSPD等光电探测器，或选用Boxcar积分器、数字式多点信号平器、条形相机等微弱信号检测装置的选择不唯一。
6.对于本发明中数据处理方法可为阈值法、样条插值法、点云法、多项式拟合等，全波形数据数理方法的选择不唯一。
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种全波形卫星激光测距方法，其特征在于，所述全波形卫星激光测距方法利用高速采样门控技术代替原有的距离门控技术，通过对回波信号高频累计采样，提高回波点数，记录回波的完整时域分布，实现观测目标的距离信息和细节特征的提取；同时结合数据处理技术，减小、甚至消除卫星形状效应对系统测距精度的影响，揭示卫星角反射器阵列在SLR过程中响应机制，实现卫星姿态信息的提取和分类；
所述全波形卫星激光测距方法包括：
按卫星高度将观测弧段离散为若干个观测时间栅格，卫星高度在每个时间栅格内相对不变；在一个时间栅格的弧段中，通过取样门控器将一个回波脉冲信号时域分成等距离小间隔采样周期，利用探测器进行多次采样，并将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，完成一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据的获取，重复直到观测结束；利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S；
实施所述全波形卫星激光测距方法的全波形卫星激光测距系统包括：
地面设备控制机，用于发送发射指令与门控指令；
激光发射模块，用于激光器接收发射指令发射固定频率激光脉冲，同时主波探测器产生脉冲信号；
时间建立模块，用于产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟；
接收光学系统，用于利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，由光电探测器接收；
取样控制模块，用于通过门控指令在回波达到之前开启取样门控器，同时用于控制每间隔△t重复开启取样门控器；
回波探测模块，用于利用回波探测器进行多次采样；
信号处理模块，用于将不同信号周期中在同一位置的采样信号进行信号累加统计，得到一个时间栅格弧段内SLR全波形回波数据；
时间分析模块，用于将记录的多个回波时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间进行计数和累计；
数据处理模块，用于利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
测距模块，用于提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
2.如权利要求1所述全波形卫星激光测距方法，其特征在于，所述全波形卫星激光测距方法进一步包括以下步骤：
步骤一，建立时间系统，产生脉冲信号和秒信号用于接收计时器和发射计时器的时钟；
步骤二，控制激光器发射固定频率激光脉冲，主波探测器产生脉冲信号，经过恒比定时器消除激光抖动影响后，进入时间分析仪开始计时并保存START数据；
步骤三，利用接收望远镜接收卫星返回的回波信号，通过视场光阑和窄带滤光片进行空间和光谱滤波，并由光电探测器接收；
步骤四，根据卫星轨道预报，在回波到来之前的瞬间启动取样门控器，并每间隔△t就重复开启取样门控器，在每一个△t内由光电探测器的输出脉冲触发时间分析仪信号的时间信息都会被记录并存储为STOP数据，直至重复开启取样门控器M次结束本次记录周期，每个START开启的计数周期内都会记录下M个STOP触发的时间信息；
步骤五，依次循环N次，直到完成设定的栅格时间；
步骤六，在一个时间栅格内记录的每组START及M个STOP时刻进行差值，转换为回波光子飞行时间的计数并累计，并输出显示的是一个时间栅格内回波信号时间的统计，即回波波形的时域分布；
步骤七，重复直到观测结束；
步骤八，在数据预处理中利用阈值法对全波形回波数据进行滤波去噪，同时采用高斯拟合算法对全波形数据进行优化分解，将获取的多峰回波数据分解成多个子波形；
步骤九，依据卫星形状效应理论分析，提取第一个子波形的回波信息，并记录第一个子波形的重心位置，得到星-地之间距离S。
3.一种接收用户输入程序的存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行权利要求1~2任意一项所述全波形卫星激光测距方法。
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