CN115657059A - 一种天基空间碎片测距方法与系统 - Google Patents

一种天基空间碎片测距方法与系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于测距领域，涉及一种天基空间碎片测距方法与系统，解决现有天基空间碎片观测系统无法对空间碎片进行高精度测量的问题。系统包括伪随机编码光子计数激光测距子系统、飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统以及数据处理单元。测距系统在轨运行期间，由跟踪捕获系统对空间碎片实施被动式跟踪，并向本系统提供目标的先验方位信息，引导系统指向目标并向目标发射测量脉冲激光。经由目标反射的部分激光被分成两部分，一部分进入伪随机编码光子计数激光测距子系统，实现对目标的大量程粗测。另一部分进入飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统，实现对目标的小量程精测。利用粗测距离对精测距离进行解模糊补偿，实现对空间碎片的高精度测距。

Description

一种天基空间碎片测距方法与系统
技术领域
本发明属于测距领域，特别涉及一种天基空间碎片高精度激光测距方法与系统，主要应用于对空间碎片进行在轨高精度测距，理论测距精度的上限可达到毫米量级。
背景技术
随着人类航天技术的快速发展和太空资产的日益增加，随之产生的空间碎片数量越来越多，对包括卫星和空间站等人类的太空资产造成了严重的威胁。当空间碎片与在轨卫星发生碰撞时会对卫星带来致命的伤害，轻则导致卫星损伤和部件失效，重则导致卫星瘫痪或解体，进而因凯斯勒效应（Kessler Syndrome）而产生更多的空间碎片。因此，必须采取相应的手段来遏制这种潜在的威胁。
从技术手段上来说，空间碎片主动清除技术可以分为：(1)增阻离轨主动移除技术；(2)基于绳系的移除技术；(3)基于空间动力系统接触式离轨移除技术； (4)基于离子束推动的移除技术；(5)激光主动移除技术。从成本、移除效率、安全性、精准度、作用距离、作用效果几个维度综合考虑，激光主动移除技术相比于其他几种移除手段具有优势，拥有更广阔的发展前景。
空间碎片激光主动移除系统可分为天基激光移除系统（以下简称天基系统）和地基激光移除系统（以下简称地基系统）。无论是天基系统还是地基系统，均由探测系统和高能激光发射系统构成。探测系统主要利用雷达、望远镜、相机和其他传感器在空间中搜索需要移除的碎片目标，并对其进行跟踪瞄准。从探测系统的探测体制上来说，探测系统普遍采用基于可见光的被动探测和基于脉冲激光的主动探测相结合的主被动融合式探测系统。高能激光发射系统在探测系统实现了对目标的稳定跟踪和瞄准后向目标发射高能激光，以推动目标远离当前的运行轨道。相比地基系统，天基系统的优势主要体现在几个方面：(1)运行在太阳同步轨道上的天基系统可以对空间碎片进行全天时的观测；(2)可以进行短程观测，容易观测到小型碎片；(3)可以使用不易在空气中传播的紫外波段进行观测，有更小的光斑和更高的效率；(4)不会产生由大气湍流造成的畸变，可以实现更高的跟踪和测量精度；(5)背景辐射只需要考虑宇宙深空背景，相比地基系统其背景噪声更小；(6)受不良天气条件的影响很小；(7)受非线性衍射的影响较小。在天基系统的设计中，具有高精度测距系统的探测系统是至关重要的，直接影响空间碎片的定位精度和后续强激光发射系统的参数设计。
从脉冲激光雷达的测距体制和原理上来说，脉冲激光雷达测距属于典型的基于飞行时间（Time-of-Flight，TOF）的直接测距技术。光子计数激光雷达是一种具有超高灵敏度的新兴激光雷达，区别于传统的激光雷达中的线性模式光电探测器和时间数字转换器（Time to Digital Converter, TDC），光子计数激光雷达采用光子级别灵敏度的单光子探测器作为信号接收器和计时精度更高的时间相关光子计数器（Time Correlated SinglePhoton Counter, TCSPC）作为信号计时器。因此，光子计数激光雷达具有接近物理极限的探测灵敏度，在诸如远距离非合作目标探测等极弱信号探测场景中能够发挥至关重要的作用。光子计数激光雷达的一个完整的探测周期由多个子周期组成。由于回波信号弱至光子级别，因此每个脉冲只能探测到一个甚至少于一个光子，所以时间相关光子计数器需要对激光器发出的多个脉冲进行累积，得到光子数直方图，然后根据直方图重建回波波形，根据重建波形的信号特征解算出目标的距离信息。
由于其高重复频率的特点，传统的光子计数激光雷达会不可避免的出现距离模糊问题。为了在不牺牲系统测量效率的情况下解决传统的光子计数激光雷达的距离模糊问题，实际应用最广泛的基于伪随机编码的光子计数激光测距方法，通过增大测量系统的时宽带宽积来克服需要在测距分辨率和测量范围之间进行折中的问题，从而在不影响测距分辨率的情况下扩展测量范围。然而，光子级的探测灵敏度虽然提升了对微弱信号的探测能力，但环境噪声对探测系统的影响也会不可避免的增大。同时，由于采用了时间相关光子计数器作为计时器件，所以信号累积过程中噪声同样会累积。另外，时间相关光子计数器作为计时器件也会导致探测系统内部噪声大幅增加。这些噪声导致光子计数激光测距系统无法实现很高的测量精度，特别是在空间环境这样的复杂应用背景下。
发明内容
本发明的目的是提供一种将伪随机编码光子计数激光测距技术和飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距技术相结合的天基空间碎片测距方法及系统，以解决现有的天基空间碎片观测系统测量精度较低的问题。
飞秒光学频率梳是一种由锁模激光器产生的光学计量“尺子”，因其具有数十万乃至更多的均匀分布的稳频激光分量，因此可以作为一种超精密的光学计量设备。基于飞秒光学频率梳的光谱分辨干涉测量法是一种典型的基于飞秒光学频率梳的干涉绝对测距方法，通过光栅或其他散射器件将混频干涉信号分解成大量单频的干涉信号，从而可以实现很高的探测分辨率和探测精度。基于飞秒光学频率梳的光谱分辨干涉测距的最大可测量范围主要受激光器的相干长度的限制，而相干长度主要由光梳梳齿的线宽决定。典型的钛：蓝宝石（Ti: Sapphire）锁模激光器的相干长度可达到几十公里至百公里，可实现对远距离目标的测量。然而，虽然基于飞秒光学频率梳的光谱分辨干涉测距法可以提升测量精度，但是受其测量的非模糊距离（Non Ambiguity Range, NAR）的限制，无法摆脱测距初值模糊的问题，当测量远距离目标时，其高测量精度无法得到很好的应用。
对比基于伪随机编码的光子计数激光测距方法和基于飞秒光学频率梳的光谱分辨干涉测距方法，可以将基于飞秒光学频率梳的光谱分辨干涉测量看作一把精细的测尺，具有很高的分辨率和测量精度，但是其非模糊距离很短，无法对远距离目标进行测距。而基于伪随机编码光子计数的激光测距方法具有很高的探测灵敏度，可以对远距离目标进行测量。在诸如空间碎片探测这样的空间远距离非合作目标测量场景中，回波信号往往十分微弱，普通的光电探测器难以响应这种回波信号，而通过光子累积的方式可以重建出这种微弱的回波信号，从而得到目标距离，极大的扩展了该系统的测量范围。将二者结合，可以在保证测量范围的前提下有效提升天基空间碎片测距系统的测距精度，为后续空间碎片的精确定位和空间碎片移除系统中强激光发射系统的参数设计提供必要的技术支撑。
本发明的技术方案是：
一种天基空间碎片测距方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
步骤1、利用伪随机编码光子计数激光测距子系统和飞秒光学频率梳光谱分辨干 涉测距子系统同时对目标进行测距，分别获得粗测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE001
和精测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2、利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离
Figure 577205DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频 率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 76319DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到最终的目标距离
Figure DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 234768DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示向下取整运算；
Figure DEST_PATH_IMAGE006
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统 的非模糊距离。
进一步地，步骤1具体为：
步骤1.1、基于跟踪捕获系统提供的目标先验方位信息，指向目标并向目标发射测 量脉冲激光，测量脉冲激光包括中心波长为
Figure 274268DEST_PATH_IMAGE007
的伪随机编码脉冲激光和中心波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE008
的 飞秒脉冲激光；
步骤1.2、将目标反射激光，分为两部分，一部分经滤除中心波长为
Figure 703238DEST_PATH_IMAGE009
之外的波段进 入伪随机编码光子计数激光测距子系统的接收光路系统，对目标距离进行粗测，获得粗测 距离
Figure 638833DEST_PATH_IMAGE001
；另一部分经滤除中心波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE010
之外的波段进入飞秒光学频率梳光谱分辨干涉 测距子系统的接收光路系统，对目标距离进行精测，获得精测距离
Figure 284578DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步地，步骤1.2中粗测距离
Figure 799873DEST_PATH_IMAGE001
基于下式计算：
Figure 316305DEST_PATH_IMAGE011
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE012
为真空中的光速，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为伪随机编码脉冲序列的飞行时间，基于下式计 算：
Figure DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为目标回波信号和时间参考信号的相关函数，基于下式计算：
Figure 577129DEST_PATH_IMAGE016
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE017
为伪随机编码的编码长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE018
为出射的伪随机编码光脉冲同步信号的离 散化形式，
Figure 241328DEST_PATH_IMAGE019
为整数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
为目标回波信号的离散化形式。
进一步地，步骤2中飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离
Figure 858516DEST_PATH_IMAGE006
基于下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE021
其中，
Figure 760613DEST_PATH_IMAGE012
为真空中的光速，
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE022
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统中光谱仪 采样的两个相邻纵模之间的间隔。
本发明还提供一种天基空间碎片测距系统，用于实现上述的一种天基空间碎片测距方法，其特殊之处在于：包括伪随机编码光子计数激光测距子系统、飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统以及第一数据处理单元；
伪随机编码光子计数激光测距子系统用于对目标进行测距，获得粗测距离
Figure 303590DEST_PATH_IMAGE001
；
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统用于对目标进行测距，获得精测距离
Figure 127190DEST_PATH_IMAGE002
；
第一数据处理单元用于利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE023
对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 545139DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到 最终的目标距离。
进一步地，该天基空间碎片测距系统，还包括激光发射光学系统、接收光学系统、第一分光器件、第一滤光片和第二滤光片；
伪随机编码光子计数激光测距子系统包括第一激光发射系统、第一接收光路系统 以及距离解算单元；第一激光发射系统用于发射中心波长为
Figure 505005DEST_PATH_IMAGE009
的伪随机编码脉冲激光至激 光发射光学系统；第一接收光路系统用于接收滤除中心波长为
Figure 953304DEST_PATH_IMAGE009
之外波段的目标反射激 光，并转化为光子事件数据发送至距离解算单元，距离解算单元用于对第一接收光路系统 的输出进行解算，得到目标粗测距离
Figure 529779DEST_PATH_IMAGE001
；
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统包括第二激光发射系统、参考光路系 统、第二接收光路系统以及第二数据处理单元；第二激光发射系统用于发射中心波长为
Figure 456146DEST_PATH_IMAGE010
的飞秒脉冲激光至激光发射光学系统；参考光路系统用于提供参考光至第二接收光路系 统；第二接收光路系统用于接收参考光以及滤除中心波长为
Figure 536098DEST_PATH_IMAGE010
之外波段的目标反射激光， 并转化为干涉信号功率谱密度发送至第二数据处理单元，第二数据处理单元用于对第二接 收光路系统的输出数据进行处理，得到精测距离
Figure 155298DEST_PATH_IMAGE002
；
激光发射光学系统用于基于跟踪捕获系统提供的目标先验方位信息，指向目标并向目标发射测量脉冲激光；
接收光学系统用于接收目标反射激光；
第一分光器件用于将目标反射激光分为两部分后分别入射至第一滤光片和第二滤光片；
第一滤光片和第二滤光片分别用于滤除中心波长为
Figure 953490DEST_PATH_IMAGE009
之外波段的目标反射激光和 滤除中心波长为
Figure 185013DEST_PATH_IMAGE010
之外波段的目标反射激光。
进一步地，第一激光发射系统包括信号发生模块、光学调制器和脉冲激光器；
第一接收光路系统包括第一光纤耦合器、单光子阵列探测器和时间相关光子计数器；
信号发生模块与光学调制器、单光子阵列探测器、时间相关光子计数器、距离解算单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、第二激光发射系统及第二接收光路系统电连接；信号发生模块用于产生伪随机编码脉冲序列并发送至光学调制器，同时为时间相关光子计数器、距离解算单元、第一数据处理单元、第二数据处理单元、第二激光发射系统及第二接收光路系统提供时间参考信号，并且控制单光子阵列探测器的门控功能；
光学调制器与脉冲激光器电连接，用于接收信号发生模块产生的伪随机编码脉冲 序列，驱动脉冲激光器产生中心波长为
Figure 119471DEST_PATH_IMAGE009
的伪随机编码脉冲激光；
第一光纤耦合器位于第一滤光片的出射光路中，用于将经滤除中心波长为
Figure 909573DEST_PATH_IMAGE009
波段 之外的目标反射激光耦合至单光子阵列探测器；
单光子阵列探测器和时间相关光子计数器电连接，单光子阵列探测器用于接收目标反射激光，探测目标反射的光子事件，时间相关光子计数器用于对单光子阵列探测器探测到的光子事件进行计数和累积；
距离解算单元与时间相关光子计数器及第一数据处理单元电连接，通过对时间相 关光子计数器的输出数据进行相关运算求解粗测距离
Figure 195061DEST_PATH_IMAGE001
，并将粗测距离
Figure 463231DEST_PATH_IMAGE001
发送至 第一数据处理单元。
进一步地，信号发生模块包括可编程信号发生模块和分别连接单光子阵列探测器、时间相关光子计数器和光学调制器的三组高精度延迟线；采用m序列作为伪随机编码序列；
脉冲激光器为二极管泵浦高能皮秒Nd：YAG激光器；
激光发射光学系统包括准直器、扫描模块和发射望远镜；准直器将测量脉冲激光转化为自由空间中的准直光束，扫描模块用于控制发射光束的指向，实现对碎片的多点探测和扫描；发射望远镜用于对发射光斑扩束；
第一分光器件采用反射/透射比为50：50的分光器件；
单光子阵列探测器为基于硅基材料制成，工作在盖革模式的雪崩光电二极管。
进一步地，第二激光发射系统包括飞秒光学频率梳和光放大器；
参考光路系统包括沿光路依次设置的环形器、第二分光器件、第三滤光片和角反射器；
第二接收光路系统包括第二光纤耦合器、法布里珀罗标准具及光谱仪；
飞秒光学频率梳与信号发生模块电连接，信号发生模块为飞秒光学频率梳提供时 间参考信号，飞秒光学频率梳用于发射中心波长为
Figure 517775DEST_PATH_IMAGE010
的飞秒脉冲激光；
光放大器位于飞秒光学频率梳的出射光路中，用于将中心波长为
Figure 478777DEST_PATH_IMAGE010
的飞秒脉冲激 光进行功率放大后与中心波长为
Figure 985982DEST_PATH_IMAGE009
的伪随机编码脉冲激光一起入射至激光发射光学系统；
环形器用于引导激光发射光学系统的出射光至第二分光器件，并引导角反射器反射至第二分光器件的参考光进入第二光纤耦合器；
第二分光器件用于对出射光进行分光；其中，大部分光射向目标，小部分光经过可 使
Figure 290799DEST_PATH_IMAGE010
波段通过的第三滤光片射向角反射器；经角反射器反射的参考光原路返回经环形器进 入第二光纤耦合器；
第二光纤耦合器位于环形器与第二滤光片的出射光路中，用于将参考光以及滤除 中心波长为
Figure 465429DEST_PATH_IMAGE010
之外波段的目标反射激光进行叠加并将叠加后产生的干涉信号耦合至法布 里珀罗标准具；
法布里珀罗标准具位于第二光纤耦合器的出射光路中，用于对干涉信号进行频域滤波；
光谱仪与信号发生模块电连接，信号发生模块为光谱仪提供时间参考信号；光谱 仪用于接收经过频域滤波的干涉信号，对干涉信号进行处理，将处理后的数据发送至第二 数据处理单元；第二数据处理单元对目标距离进行解算，获得精测距离
Figure 331753DEST_PATH_IMAGE002
。
进一步地，飞秒光学频率梳采用商用掺铒光纤光频梳；
光放大器为掺铒光纤放大器；
第二分光器件采用反射/透射比为99：1的分光器件；目标位于第二分光器件的反射光路中，第三滤光片位于第二分光器件的透射光路中。
本发明的有益效果是：
1、本发明将伪随机编码光子计数激光测距技术和飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距技术相结合，利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离进行解模糊补偿，得到最终的目标距离，可以在保证测量范围的前提下有效提升系统的测距精度，为后续空间碎片的精确定位和空间碎片移除系统中强激光发射系统的参数设计提供必要的技术支撑。
2、在本发明系统中，对空间碎片进行测距时，测量范围主要由伪随机编码光子计数激光测距子系统的非模糊距离决定，测距分辨率主要由飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测距分辨率决定，测距精度的上限主要由飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测量精度上限决定。由于测量分辨率受到包括系统硬件和软件等多种因素的影响，测量精度受到太阳背景辐射、探测器的热噪声、硬件随机抖动、温度漂移、外部电磁干扰、飞秒光学频率梳的频率稳定性、光谱仪采样频率的线性度等多种因素的影响。因此，本发明进一步通过对系统中各组成部分进行合理的设计或选择，使得本系统对空间碎片进行在轨激光测距的理论测量范围可达到百公里量级，理论测距精度的上限可达到毫米量级。
附图说明
图1为实施例天基空间碎片测距系统结构框图；
图中附图标记为：01、信号发生模块；02、光学调制器；03、脉冲激光器；04、激光发射光学系统；05、飞秒光学频率梳；06、光放大器；07、环形器；08、第二分光器件；09、第三滤光片；10、角反射器；11、接收光学系统；12、第一分光器件；13、第一滤光片；14、第一光纤耦合器；15、单光子阵列探测器；16、时间相关光子计数器；17、距离解算单元；18、第二滤光片；19、第二光纤耦合器；20、法布里珀罗标准具；21、光谱仪；22、第一数据处理单元；23、第二数据处理单元。
图2为实施例天基空间碎片测距系统中的激光发射光学系统结构框图；
图3为实施例天基空间碎片测距系统中的光谱仪原理图。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步地描述。
本实施例天基空间碎片测距方法，利用伪随机编码光子计数激光测距子系统和飞 秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统同时对目标进行测距；利用伪随机编码光子计数激 光测距子系统的粗测距离
Figure 591833DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 201806DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到最终的目标距离
Figure 100002_DEST_PATH_IMAGE024
。相应的测距系统包括伪随机编码光子计数 激光测距子系统、飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统及第一数据处理单元22，第一 数据处理单元22利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离
Figure 762101DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频 率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 799327DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到最终的目标距离
Figure 48168DEST_PATH_IMAGE003
。
如图1所示，本实施例天基空间碎片测距系统，由信号发生模块01、光学调制器02、脉冲激光器03、激光发射光学系统04、飞秒光学频率梳05、光放大器06、环形器07、第二分光器件08、第三滤光片09、角反射器10、接收光学系统11、第一分光器件12、第一滤光片13、第一光纤耦合器14、单光子阵列探测器15、时间相关光子计数器16、距离解算单元17、第二滤光片18、第二光纤耦合器19、法布里珀罗标准具20、光谱仪21、第一数据处理单元22和第二数据处理单元23组成。其中信号发生模块01、光学调制器02、脉冲激光器03、第一光纤耦合器14、单光子阵列探测器15、时间相关光子计数器16及距离解算单元17构成伪随机编码光子计数激光测距子系统；飞秒光学频率梳05、光放大器06、环形器07、第二分光器件08、第三滤光片09、角反射器10、第二光纤耦合器19、法布里珀罗标准具20、光谱仪21及第二数据处理单元23组成飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统。
测距系统在轨运行期间，由跟踪捕获系统对空间碎片实施被动式捕获和跟踪，并 向本系统提供目标的先验方位信息，引导激光发射光学系统04指向目标（即空间碎片）并向 目标发射测量脉冲激光（包括作为伪随机编码光子计数激光测距子系统测量媒介的中心波 长为
Figure 258569DEST_PATH_IMAGE009
的伪随机编码脉冲激光和作为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统测量媒介 的中心波长为
Figure 142212DEST_PATH_IMAGE010
的飞秒脉冲激光）。经由目标反射的部分激光进入接收光学系统11，经由第 一分光器件12分成两部分，一部分通过第一滤光片13，滤除中心波长为
Figure 615918DEST_PATH_IMAGE009
之外波段进入伪 随机编码光子计数激光测距子系统的第一接收光路系统，首先进入第一光纤耦合器14，之 后被单光子阵列探测器15探测到，时间相关光子计数器16对单光子阵列探测器15探测到的 光子事件进行计数和累积，并由距离解算单元17通过相关运算求解，获得粗测距离
Figure DEST_PATH_IMAGE025
， 实现对空间碎片的大量程粗测。另一部分通过可使
Figure 116170DEST_PATH_IMAGE010
波段通过的长波滤光片进入飞秒光学 频率梳光谱分辨干涉测距子系统的第二接收光路系统，与参考光路信号叠加形成干涉信 号，实现对空间碎片的精测。具体如下：
Figure 67945DEST_PATH_IMAGE010
波段的飞秒脉冲激光与角反射器10返回的参考光 在第二光纤耦合器19处叠加产生干涉信号，法布里珀罗标准具20对干涉信号进行频域滤 波，经过频域滤波的干涉信号进入光谱仪21。参见图3，光谱仪21中的色散元件（光栅）对干 涉信号进行色散，产生色散干涉条纹，然后经过准直镜进入CCD探测器，第二数据处理单元 23对CCD的探测数据进行分析和计算，得出飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统测得 的精测距离
Figure 304629DEST_PATH_IMAGE002
（由于参考光路的光程相比目标距离可忽略不计，因此在本系统中光学频 率梳飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测量距离等价于光程差）。最后第一数据 处理单元22利用伪随机编码光子计数测距子系统测得的粗测距离
Figure 949237DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频率梳 光谱分辨干涉测距子系统测得的精测距离
Figure 405626DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到高精度的目标距离信 息。
与传统的光子计数激光测距系统相比，伪随机编码光子计数激光测距系统通过对发射脉冲激光进行编码从而扩展了发射脉冲序列的周期，在提升系统抗串扰能力的同时扩大了非模糊距离，从而可以实现远程目标的无模糊距离信息提取。因此，对于天基空间碎片探测，伪随机编码光子计数的激光测距技术可以得到很好的应用。在本系统中，伪随机编码光子计数激光测距子系统的工作原理可以简述为：脉冲激光器03发射伪随机编码激光脉冲序列，经由目标反射的回波信号被工作在盖革模式下的雪崩光电二极管（Geiger ModeAPD, GM-APD）阵列探测到，然后利用时间相关光子计数器16对回波信号进行计数，同时将信号发生模块01与时间相关光子计数器16的同步输入通道相连，为时间相关光子计数器16提供高精度的时间参考信号。距离解算单元17将参考信号与回波信号进行相关运算，得出目标距离信息。
利用伪随机编码的脉冲序列进行测距时的非模糊距离
Figure DEST_PATH_IMAGE026
为公式（1）：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
(1)
其中，
Figure 223410DEST_PATH_IMAGE012
为真空中的光速，
Figure DEST_PATH_IMAGE028
为调制频率，
Figure 347223DEST_PATH_IMAGE029
为伪随机编码的编码长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE030
为 编码位数。可以看出，相比传统的高重复频率脉冲激光测距，伪随机编码使得非模糊距离得 到了相当大的提升，相比传统的TOF测距法具有形式灵活和可高速调制的优点。具体来说， 假设发射脉冲为高斯型脉冲，其能量在时域中的分布
Figure 460935DEST_PATH_IMAGE031
可表示为公式（2）：
Figure DEST_PATH_IMAGE032
(2)
其中，
Figure 670200DEST_PATH_IMAGE033
为脉宽的均方根（Root Mean Square, RMS），
Figure DEST_PATH_IMAGE034
为时间。
经由激光发射系统出射的伪随机编码光脉冲序列
Figure 494936DEST_PATH_IMAGE035
为公式（3）：
Figure DEST_PATH_IMAGE036
(3)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE037
为整数，
Figure DEST_PATH_IMAGE038
为发射激光脉冲功率，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
为由信号发生模块产生的伪随机编 码序列，
Figure 830846DEST_PATH_IMAGE040
为用来表示单个码元形状的单位幅值矩形函数，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
为码元时域宽度。
目标回波信号
Figure DEST_PATH_IMAGE042
为：
Figure DEST_PATH_IMAGE043
(4)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE044
为回波信号的功率，
Figure 240093DEST_PATH_IMAGE013
为伪随机编码脉冲序列的飞行时间，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
为 噪声信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE046
为与
Figure 733391DEST_PATH_IMAGE039
对应的回波编码脉冲序列（经过时长为
Figure 830660DEST_PATH_IMAGE013
的延时），
Figure DEST_PATH_IMAGE047
(5)
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE048
表示向下取整运算。
距离解算单元17对时间相关光子计数器16记录的目标回波信号和时间参考信号进行相关运算，解算得到目标距离信息，即
Figure 663487DEST_PATH_IMAGE049
(6)
其中，T为发射伪随机编码脉冲序列的周期；
在本系统中，伪随机编码脉冲序列是二进制离散周期序列，故互相关函数可写作：
Figure 820799DEST_PATH_IMAGE016
(7)
Figure 34349DEST_PATH_IMAGE017
为伪随机编码的编码长度，
Figure 669730DEST_PATH_IMAGE018
为出射的伪随机编码光脉冲同步信号的离散化形 式，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
为整数，
Figure 888222DEST_PATH_IMAGE020
为目标回波信号的离散化形式。
当互相关函数取得最大值时对应的时刻即为回波信号达到的时刻，即
Figure 419697DEST_PATH_IMAGE014
(8)
当求解出时间延迟
Figure 356429DEST_PATH_IMAGE051
后，便可求得目标距离
Figure DEST_PATH_IMAGE052
Figure DEST_PATH_IMAGE053
(9)
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测量主要是基于宽谱光源频域干涉的原理，当目标 待测距离
Figure 624862DEST_PATH_IMAGE024
不超过光梳的相干长度时，参考光路和测量光路之间的光程差引起参考光和测 量光之间的时间延迟，当两束光在空间相互作用时，会在原光谱上叠加交流分量，从而产生 干涉现象。在本系统中，假设飞秒光学频率梳的出射激光脉冲
Figure DEST_PATH_IMAGE054
为符合高斯分布的理想 脉冲，参考光路和测量光路构成一套简单的迈克尔逊干涉系统。假设参考光信号
Figure 697860DEST_PATH_IMAGE055
和测量光信号
Figure 196974DEST_PATH_IMAGE056
分别为：
Figure 824265DEST_PATH_IMAGE057
(10)
Figure 801448DEST_PATH_IMAGE058
（11）
其中，
Figure 666636DEST_PATH_IMAGE059
为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
对应的频域信号（频率均以角频率的形式表示），
Figure 186520DEST_PATH_IMAGE061
和
Figure DEST_PATH_IMAGE062
分别为参考光信号
Figure 35528DEST_PATH_IMAGE063
和测量光信号
Figure DEST_PATH_IMAGE064
对应的频域信号，
Figure 144298DEST_PATH_IMAGE065
为参考光路 和测量光路的相对延时，
Figure DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 191889DEST_PATH_IMAGE067
分别为参考光路和测量光路的传输系数，j为虚数单 位。目标回波光和参考光路的角反射器的反射光叠加产生干涉信号，干涉信号的功率谱密 度可表示为：
Figure DEST_PATH_IMAGE068
（12）
其中，
Figure 268691DEST_PATH_IMAGE069
为功率谱密度的平均强度（代表功率谱密度的 直流分量），
Figure DEST_PATH_IMAGE070
为调制幅度，
Figure 401732DEST_PATH_IMAGE071
代表功率谱密度的交流 分量。可以看出，参考光信号与测量光信号之间的相对延迟
Figure 783035DEST_PATH_IMAGE065
只与功率谱密度信号的交 流分量有关。通常传输系数随频率
Figure DEST_PATH_IMAGE072
的变化十分缓慢，为了简化，可以假设
Figure 685132DEST_PATH_IMAGE066
和
Figure 900213DEST_PATH_IMAGE067
在频 谱范围内均等于1，则
Figure DEST_PATH_IMAGE073
（13）
其中，
Figure 753506DEST_PATH_IMAGE074
，干涉信号的相位
Figure DEST_PATH_IMAGE075
随频率
Figure 469658DEST_PATH_IMAGE072
变化，表示由待测距 离
Figure 695103DEST_PATH_IMAGE003
引入的参考信号与测量信号之间的频域相位差，
Figure DEST_PATH_IMAGE076
为参考信号与测量信号的 相对延时，
Figure 408981DEST_PATH_IMAGE012
为真空中的光速。对式(13)进行傅里叶反变换可以得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE077
（14）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE078
为
Figure DEST_PATH_IMAGE079
的傅里叶反变换，
Figure 80396DEST_PATH_IMAGE080
为
Figure DEST_PATH_IMAGE081
函数（Dirac delta function），
Figure DEST_PATH_IMAGE082
表示卷积运算。因为
Figure 161091DEST_PATH_IMAGE083
是实函数，所以
Figure 241043DEST_PATH_IMAGE084
关于
Figure DEST_PATH_IMAGE085
对称，三个峰值分别位 于
Figure 594664DEST_PATH_IMAGE086
，0，
Figure 783068DEST_PATH_IMAGE065
处。通过一个有限带宽的带通滤波器对结果进行滤波，只保留
Figure 749012DEST_PATH_IMAGE065
处的 高频分量，然后进行傅里叶变换得到：
Figure DEST_PATH_IMAGE087
（15）
求解时间延迟
Figure 480208DEST_PATH_IMAGE065
的过程，也就是求解相位随频率的变化
Figure 270310DEST_PATH_IMAGE088
的过程。当求解 出时间延迟
Figure 290218DEST_PATH_IMAGE065
后，便可求得目标待测距离
Figure 823968DEST_PATH_IMAGE003
。根据式(15)可得：
Figure DEST_PATH_IMAGE089
（16）
Figure 409670DEST_PATH_IMAGE090
（17）
Figure DEST_PATH_IMAGE091
（18）
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的最大可测量距离为：
Figure 869208DEST_PATH_IMAGE092
（19）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE093
为光梳纵模的线宽。由于光谱仪21的分辨率是有限的，故需要使用法布里 珀罗标准具20对干涉信号进行滤波。在这种情况下，频率分辨率主要由法布里珀罗标准具 20的自由光谱范围（the free spectral range, FSR）决定。因此，飞秒光学频率梳光谱分 辨干涉测距子系统的非模糊距离为：
Figure 173150DEST_PATH_IMAGE094
（20）
其中，
Figure 510591DEST_PATH_IMAGE022
代表表示光谱仪采样的两个相邻纵模之间的间隔（分辨率），在本系统中， 光谱仪在光梳相应波段的分辨率等于法布里珀罗标准具20的自由光谱范围。可以看出，随 着自由光谱范围的增加，飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离随之下 降。
测距系统在轨运行期间，伪随机编码光子计数激光测距子系统和飞秒光学频率梳 光谱分辨干涉测距子系统同时对目标进行测距，然后，利用伪随机编码光子计数激光测距 子系统的粗测距离对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离进行解模糊补 偿。假设空间碎片的待测距离为
Figure 419641DEST_PATH_IMAGE003
，在本系统中，伪随机编码光子计数激光测距子系统的非 模糊距离
Figure 551545DEST_PATH_IMAGE026
与待测距离
Figure 280466DEST_PATH_IMAGE003
之间满足：
Figure DEST_PATH_IMAGE095
（21）
也就是说，通过扩展编码长度可以使伪随机编码光子计数激光测距子系统的非模糊距离超过待测目标距离，实现对目标的无模糊测量。在本系统中，伪随机编码光子计数激光测距子系统的距离分辨率为：
Figure DEST_PATH_IMAGE096
（22）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE097
为时间相关光子计数器的时间分辨率。伪随机编码光子计数激光测距子 系统的距离分辨率与飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离之间满足：
Figure 250959DEST_PATH_IMAGE098
（23）
也即伪随机编码光子计数激光测距子系统的距离分辨率高于飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离，因此可以对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测量结果进行解模糊补偿，将系统的总体测量精度上限提升至光谱分辨干涉的测量精度上限。
因为光谱分辨干涉测量的距离模糊导致测距结果出现三角形的混叠（Triangle- shaped ambiguity），所以空间碎片的待测距离
Figure 545674DEST_PATH_IMAGE024
与飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子 系统的非模糊距离
Figure 317321DEST_PATH_IMAGE006
之间的关系为：
Figure DEST_PATH_IMAGE099
（24）
其中，
Figure 595855DEST_PATH_IMAGE100
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离的整倍数，可 通过伪随机编码光子计数激光测距子系统的测量结果来计算，也就是通过伪随机编码光子 计数激光测距子系统对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统进行解模糊补偿，即
Figure 773633DEST_PATH_IMAGE101
（25）
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE102
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测量结果，即
Figure DEST_PATH_IMAGE103
（26）
因此，目标空间碎片的待测距离为：
Figure 454014DEST_PATH_IMAGE004
（27）
在本系统中，伪随机编码光子计数激光测距子系统的测距分辨率
Figure 662141DEST_PATH_IMAGE104
主要由 时间相关光子计数器的时间分辨率决定。对于伪随机编码光子计数激光测距子系统而言， 探测过程会受到多种噪声的影响，例如太阳背景辐射、探测器的热噪声、信号发生模块的随 机抖动、温度漂移和外部电磁干扰等。当探测过程中诸如太阳背景辐射和探测器热噪声等 噪声信号的强度超过探测器的触发阈值时会产生异常光子事件，从而导致光子事件误判。 而信号发生模块随机抖动、温度漂移和外部电磁干扰等噪声信号会对输入到时间相关光子 计数器16的信号造成干扰，从而产生硬件信号抖动。无论是异常光子事件还是硬件信号抖 动，都会影响伪随机编码光子计数激光测距子系统的测距精度。
在本系统中，飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测距分辨率主要受到硬 件和软件两个层面的影响。在硬件层面，测距分辨率受到光谱仪21的模拟数字转换器 （Analog-to-digital converter, ADC）分辨率的影响。为了提升测量分辨率，在选择光谱 仪21时应当选择模数转换分辨率高的型号。在软件层面，测量分辨率受到数据处理单元的 傅里叶变换的分辨率影响。通过在功率谱密度的傅里叶变换中使用频谱插值或添加合适的 窗函数的方式可以提升频域的计算分辨率。对于飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统 而言，影响测量精度的主要误差来源包括飞秒光学频率梳05的频率稳定性和光谱仪21采样 频率的线性度（在式（24）中，飞秒光学频率梳05的频率稳定性和光谱仪21采样频率的线性 度主要影响
Figure 631234DEST_PATH_IMAGE102
的测量精度）。通过将光梳的载波包络偏移频率
Figure DEST_PATH_IMAGE105
和重复频率
Figure 379747DEST_PATH_IMAGE106
锁定至一个 稳定参考频率来稳定飞秒光学频率梳的各纵模。光谱仪21的频率采样线性度受到色散光栅 的制造缺陷和光栅与光电探测器阵列之间的几何错位影响，线性度误差会导致对色散频率 的错误读取，从而引起测量误差。
综上分析，在本系统中，对空间碎片进行测距时，测量范围主要由伪随机编码光子计数激光测距子系统的非模糊距离决定，测距分辨率主要由飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测距分辨率决定，测距精度的上限主要由飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的测量精度上限决定。由于测量分辨率受到包括系统硬件和软件等多种因素的影响，测量精度受到太阳背景辐射、探测器的热噪声、硬件随机抖动、温度漂移、外部电磁干扰、飞秒光学频率梳的频率稳定性、光谱仪21采样频率的线性度等多种因素的影响。因此，本发明对系统中各组成部分进行合理的设计或选择，使得本系统对空间碎片进行在轨激光测距的理论测量范围可达到百公里量级，理论测距精度的上限可达到毫米量级。
在本系统中，各组成部分的具体功能如下：
(1)信号发生模块01：在本系统中，信号发生模块01主要起到生成伪随机编码脉冲 信号或特定脉冲信号来控制脉冲激光器输出的编码功能。同时，信号发生模块01还起到控 制单光子阵列探测器15开启（响应光信号）和关闭（不响应光信号）的门控功能，以及为时间 相关光子计数器16、距离解算单元17、飞秒光学频率梳05、光谱仪21、第一数据处理单元22 和第二数据处理单元23提供高精度时间参考信号的同步功能。信号发生模块01主要由可编 程信号发生模块和分别连接单光子阵列探测器15、时间相关光子计数器16和光学调制器02 的三组高精度延迟线组成。在本系统中，采用m序列（m sequence）即最长线性反馈移位寄存 器序列（Max Length Linear Feedback Shift Register, MLLFSR）作为伪随机编码序列， 调制频率为1GHz，假设目标距离为10km，则编码位数
Figure 619361DEST_PATH_IMAGE107
为17bits，编码长度
Figure 60706DEST_PATH_IMAGE108
为131071，编 码长度对应的非模糊距离
Figure 720358DEST_PATH_IMAGE109
为19.661km。 假设目标距离为50km，则编码位数
Figure 475824DEST_PATH_IMAGE107
为19bits，编码长度
Figure 334059DEST_PATH_IMAGE108
为524287，编码长度对应的非模糊距离
Figure 149568DEST_PATH_IMAGE026
为78.643km。 假设 目标距离为100km，则编码位数
Figure 827674DEST_PATH_IMAGE107
为20bits，编码长度
Figure 386832DEST_PATH_IMAGE108
为1048575，编码长度对应的非模糊 距离
Figure 598108DEST_PATH_IMAGE026
为157.268km。编码长度对应的非模糊距离大于目标待测距离，因此可对目 标进行有效探测。在本系统中，可采用专用的脉冲信号发生器作为信号发生模块01中的可 编程信号发生模块，可采用专用的延迟线设备作为高精度延迟线。
(2)光学调制器02：在本系统中，光学调制器02接收信号发生模块01产生的伪随机编码脉冲序列，驱动脉冲激光器03产生对应的伪随机编码光脉冲。
(3)脉冲激光器03：在本系统中，脉冲激光器03是伪随机编码光子计数测距子系统的光源，主要功能是完成对空间碎片的大量程粗测。脉冲激光器03发射脉冲激光至空间碎片。脉冲激光器03采用二极管泵浦高能皮秒Nd：YAG激光器，激光波长为532nm，激光脉宽为100ps，激光重复频率为100kHz，激光平均功率为120mW，激光器的脉冲能量为1.2μJ。
(4)激光发射光学系统04：在本系统中，采用非共轴光路的光路结构，激光发射光学系统04的构成如图2所示。激光发射光学系统04主要由准直器、扫描模块和发射望远镜构成。准直器将脉冲激光器和飞秒光学频率梳发出的激光转化为自由空间中的准直光束，扫描模块主要由2轴扫描镜和配套控制器组成，其主要作用是控制发射光束的指向，实现对碎片的多点探测和扫描。发射望远镜的主要作用是使发射光斑扩束，以较小的发射角出射。之所以采用非共轴光路，是因为相比共轴光路，非共轴光路无需考虑发射光路对接收光路和探测器的影响，从而可以使用较大发射功率的激光器，从而拓展天基主动探测的作用距离。
(5)飞秒光学频率梳05：在本系统中，飞秒光学频率梳05（即图1中的锁模飞秒激光 器）是飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的光源，主要功能是完成对空间碎片的小 量程精测。飞秒光学频率梳采用商用掺铒光纤光频梳，中心波长在1550nm附近，光谱范围为 1500-1600nm，光谱半宽度（FWHM）约为30nm，光梳纵模线宽
Figure DEST_PATH_IMAGE110
为1kHz，故飞秒光梳飞秒光学 频率梳光谱分辨干涉测距子系统最大可测量距离
Figure 115677DEST_PATH_IMAGE111
为150km，脉冲重复频率为 250MHz，初始偏移频率为1MHz，脉冲宽度约为500fs，输出功率约为20mW，重复频率
Figure 546658DEST_PATH_IMAGE106
和载 波包络偏移频率
Figure 643927DEST_PATH_IMAGE105
的稳定度均达到10-10（@1 sec）量级。
(6) 光放大器06：在本系统中，光放大器06的主要作用是对飞秒光学频率梳05的脉冲功率进行放大。在本系统中可以考虑使用掺铒光纤放大器，主要由半导体泵浦激光器、光隔离器、掺铒光纤、波分复用器以及单模光纤组成。经过掺铒光纤放大器的放大作用后，脉冲平均功率为200mW。
(7)环形器07：在本系统中，环形器07的作用是引导激光发射系统的出射光进入第二分光器件08，并且引导角反射器10反射至第二分光器件08的参考光进入第二光纤耦合器19。
(8)第二分光器08：在本系统中，采用反射/透射比为99：1的第二分光器件08，其作用是将脉冲激光器和飞秒光频梳的绝大部分能量发射至空间碎片，而将极小部分能量发射至角反射器10。
(9)第三滤光片09：在本系统中，第三滤光片09采用长波通滤光片，主要作用是避免脉冲激光器03发射的532nm波段的激光对飞秒光频梳05发射的1550nm波段的激光在其参考臂上产生不必要的干扰。
(10)角反射器10：在本系统中，采用角反射器10作为参考光路的参考目标，其作用是反射飞秒光频梳的参考光至第二分光器件08。
(11)接收光学系统11：在本系统中，利用接收光学系统11接收来自空间碎片的反射光，接收光学系统11主要包括一个大型商用卡塞格林望远镜，以获得足够的目标访问率。
(12)第一分光器件12：在本系统中，采用反射/透射比为50：50的第一分光器件12对经由接收光学系统11接收的来自空间碎片反射的回波光进行分光。
(13)第一滤光片13：在本系统中，第一滤光片13的中心波长为532nm，带宽为10nm，主要作用是使来自空间碎片反射的532nm波段的回波光进入单光子阵列探测器15。
(14)第一光纤耦合器14：在本系统中，第一光纤耦合器14将从第一滤光片13出射的532nm波段回波光耦合进单光子阵列探测器15的光纤中。
(15)单光子阵列探测器15：在本系统中，采用基于硅基材料制成，工作在盖革模式的雪崩光电二极管作为单光子阵列探测器15。单光子阵列探测器15的像元数量为32×32，光子探测效率为85%，时间分辨率为350ps，死时间为22ns，最大计数率为37Mcps，暗计数小于25cps。
(16)时间相关光子计数器16：在本系统中，时间相关光子计数器16的两个通道分 别记录信号发生模块产生的编码脉冲序列和单光子阵列探测器15输出的目标返回的回波 信号。时间相关光子计数器16的时间分辨率
Figure DEST_PATH_IMAGE112
为4ps，对应的距离分辨率
Figure 742333DEST_PATH_IMAGE113
为0.6mm。
(17)距离解算单元17：在本系统中，伪随机编码光子计数测距子系统中的距离解算单元17的作用是对时间相关光子计数器16多周期累积数据进行预处理后计算互相关峰位置，得到飞行时间和对应的目标距离。
(18)第二滤光片18：在本系统中，第二滤光片18采用长波通滤光片，主要作用是使来自空间碎片反射的1550nm波段的回波光进入法布里珀罗标准具20进行频域滤波。
(19)第二光纤耦合器19：在本系统中，第二光纤耦合器19将参考光和从第二滤光片18出射的回波光耦合进飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距离子系统的光纤中。
(20)法布里珀罗标准具20：在本系统中，由于光谱仪21无法分辨飞秒光学频率梳 的所有纵模，因此进入光谱分辨干涉系统的回波光首先经由法布里珀罗标准具20进行频域 滤波，以降低输出纵模的数量。法布里珀罗标准具20的厚度为20mm，自由光谱范围约为 0.06nm@1550nm，对应的飞秒光梳飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离
Figure 899645DEST_PATH_IMAGE006
为10mm，经过法布里珀罗标准具20滤出的光梳纵模的数量约为1665个。
(21)光谱仪21：如图3所示为光谱分辨干涉系统中光谱仪21的组成示意图。在本系统中，进入飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统中的干涉信号在光栅的作用下产生色散干涉条纹，准直镜对色散干涉条纹中的各色散分量进行准直，线阵电荷耦合器件（Charge-coupled Device，CCD）响应各色散分量，调整准直镜与线阵CCD的位置，使每一个频率分量分别对应线阵CCD的一个像素点，对飞秒光频梳特定梳齿对应测距信息进行零差干涉测量，得到干涉信号的功率谱密度，CCD的像元数量为3000。在本系统中，光谱仪21在光梳相应波段的分辨率等于法布里珀罗标准具20的自由光谱范围，且CCD的像元数大于经过法布里珀罗标准具20滤出的光梳纵模的数量，以实现对干涉信号的色散和有效探测。对于光谱仪21而言，模拟数字转换器的分辨率取决于所采用的数字化器（Digitizer）的位数。
(22)第二数据处理单元23：在本系统中，第二数据处理单元23对CCD上探测到的干涉信号功率谱密度进行傅里叶变换，然后通过一个有限带宽的带通滤波器对结果进行滤波，只保留其中的高频分量，最后对该分量进行傅里叶反变换得到目标待测距离。傅里叶变换的分辨率影响飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距系统的测量分辨率，可以通过补零（Zero padding）抛物线频谱插值（the Parabolic spectrum interpolation）、高斯频谱插值（the Gaussian interpolation）、加窗（Windowing）等方式提升傅里叶变换的分辨率，从而提升系统的测量分辨率。但需要注意的是，傅里叶变换的分辨率的提升会导致时间分辨率的降低，从而对系统的测量实时性造成不良影响。所以，在软件层面提升傅里叶变换的分辨率时需要综合考虑系统的测量实时性问题。
(23)第一数据处理单元22：第一数据处理单元22将伪随机编码光子计数测距子系统的距离解算单元17解算出的目标待测距离数据与飞秒光学频率梳光谱分辨干涉系统的数据处理单元解算出的目标待测距离数据进行融合，得出高精度的目标距离信息。
在本系统中，假设空间碎片的待测距离
Figure 53808DEST_PATH_IMAGE024
在100km左右，系统的探测过程为：
信号发生模块01生成伪随机编码脉冲信号，并通过光学调制器02来控制脉冲激光 器03输出的编码。此外，信号发生模块01为时间相关光子计数器16提供高精度的时间参考 信号，并控制单光子阵列探测器15的开启和关闭。光学调制器02接收信号发生模块01产生 的伪随机编码脉冲序列，驱动脉冲激光器03产生对应的伪随机编码光脉冲。飞秒光学频率 梳05作为系统的另一个探测源，发射飞秒脉宽的脉冲激光并通过光放大器06进行功率放 大，放大后的飞秒脉冲与脉冲激光器03产生的脉冲激光均通过激光发射光学系统04中的准 直器转化为自由空间中的准直光束，激光发射光学系统04中的扫描模块控制发射光束的指 向，实现对碎片的多点探测和扫描，激光发射光学系统04中的发射望远镜使发射光斑扩束， 以较小的发射角出射。激光发射光学系统04出射的脉冲激光束经过环形器07的引导进入反 射/透射比为99：1的第二分光器件08，并由第二分光器件08对光束进行分光，其中少部分光 经过第三滤光片09射向作为参考目标的角反射器10，大部分光直接射向空间碎片。接收光 学系统11接收来自空间碎片的反射光，由反射/透射比为50：50的第一分光器件12对回波光 进行分光，其中一部分光经过中心波长为532nm的第一滤光片13和第一光纤耦合器14进入 伪随机编码光子计数激光测距子系统的第一接收光路系统中。另一部分光经过第二滤光片 18和由角反射器10反射的参考光在第二光纤耦合器19叠加产生干涉信号并进入飞秒光学 频率梳光谱分辨干涉测距子系统的第二接收光路系统中。进入伪随机编码光子计数激光测 距子系统第一接收光路系统中的光信号被单光子阵列探测器15响应，并产生光子事件，时 间相关光子计数器16对单光子阵列探测器15产生的光子事件进行累积计数，生成光子事件 分布直方图。伪随机编码光子计数激光测距子系统中的距离解算单元17对时间相关光子计 数器16多周期累积数据和信号发生模块01提供的高精度时间参考信号进行包括信号分割 和回波信号段匹配等预处理后计算互相关峰位置，得到飞行时间
Figure 954768DEST_PATH_IMAGE013
和对应的粗测距离
Figure 642101DEST_PATH_IMAGE001
。进入飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统第二光路接收系统中的干涉信号通 过法布里珀罗标准具20进行频域滤波，滤波后的信号进入光谱仪21，光谱仪21中的光栅将 干涉信号色散为各个频域分量组成的色散干涉条纹，色散干涉条纹经过准直镜的准直作用 后由CCD响应。第二数据处理单元23对CCD响应的干涉信号进行傅里叶变换、滤波和傅里叶 反变换，最终得到目标精测距离
Figure 767052DEST_PATH_IMAGE002
。在伪随机编码光子计数激光测距子系统和飞秒光学 频率梳光谱分辨干涉测距子系统分别完成对空间碎片的测距后，第一数据处理单元22利用 距离解算单元17的测量结果对第二数据处理单元23的测量结果进行解模糊补偿，得到最终 的目标距离
Figure 110309DEST_PATH_IMAGE003
。

Claims (10)

1.一种天基空间碎片测距方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、利用伪随机编码光子计数激光测距子系统和飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测 距子系统同时对目标进行测距，分别获得粗测距离
Figure 229733DEST_PATH_IMAGE001
和精测距离
Figure 412452DEST_PATH_IMAGE002
；
步骤2、利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离
Figure 723348DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频率梳 光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 649716DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到最终的目标距离
Figure 995246DEST_PATH_IMAGE003
：
Figure 348867DEST_PATH_IMAGE004
其中，
Figure 442332DEST_PATH_IMAGE005
表示向下取整运算；
Figure 172390DEST_PATH_IMAGE006
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模 糊距离。
2.根据权利要求1所述的一种天基空间碎片测距方法，其特征在于，步骤1具体为：
步骤1.1、基于跟踪捕获系统提供的目标先验方位信息，指向目标并向目标发射测量脉 冲激光，测量脉冲激光包括中心波长为
Figure 372428DEST_PATH_IMAGE007
的伪随机编码脉冲激光和中心波长为
Figure 896950DEST_PATH_IMAGE008
的飞秒脉 冲激光；
步骤1.2、将目标反射激光分为两部分，一部分经滤除中心波长为
Figure 182438DEST_PATH_IMAGE007
之外的波段进入伪 随机编码光子计数激光测距子系统的接收光路系统，对目标距离进行粗测，获得粗测距离
Figure 450608DEST_PATH_IMAGE001
；另一部分经滤除中心波长为
Figure 239572DEST_PATH_IMAGE008
之外的波段进入飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距 子系统的接收光路系统，对目标距离进行精测，获得精测距离
Figure 702040DEST_PATH_IMAGE002
。
3.根据权利要求2所述的一种天基空间碎片测距方法，其特征在于，步骤1.2中粗测距 离
Figure 474824DEST_PATH_IMAGE001
基于下式计算：
Figure 281106DEST_PATH_IMAGE009
其中，
Figure 455735DEST_PATH_IMAGE010
为真空中的光速，
Figure 322060DEST_PATH_IMAGE011
为伪随机编码脉冲序列的飞行时间，基于下式计算：
Figure 582140DEST_PATH_IMAGE012
其中，
Figure 192113DEST_PATH_IMAGE013
为目标回波信号和时间参考信号的相关函数，基于下式计算：
Figure 221249DEST_PATH_IMAGE014
其中，
Figure 22590DEST_PATH_IMAGE015
为伪随机编码的编码长度，
Figure DEST_PATH_IMAGE016
为出射的伪随机编码光脉冲同步信号的离散化 形式，
Figure 832283DEST_PATH_IMAGE017
为整数，
Figure 245946DEST_PATH_IMAGE018
为目标回波信号的离散化形式。
4.根据权利要求2所述的一种天基空间碎片测距方法，其特征在于，步骤2中飞秒光学 频率梳光谱分辨干涉测距子系统的非模糊距离
Figure 129589DEST_PATH_IMAGE019
基于下式计算：
Figure 337716DEST_PATH_IMAGE020
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE022
为真空中的光速，
Figure 339433DEST_PATH_IMAGE023
为飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统中光谱仪采样 的两个相邻纵模之间的间隔。
5.一种天基空间碎片测距系统，用于实现权利要求1-4任一所述的一种天基空间碎片测距方法，其特征在于：包括伪随机编码光子计数激光测距子系统、飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统以及第一数据处理单元(22)；
伪随机编码光子计数激光测距子系统用于对目标进行测距，获得粗测距离
Figure 556787DEST_PATH_IMAGE001
；
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统用于对目标进行测距，获得精测距离
Figure 560515DEST_PATH_IMAGE002
；
第一数据处理单元(22)用于利用伪随机编码光子计数激光测距子系统的粗测距离
Figure 939544DEST_PATH_IMAGE001
对飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统的精测距离
Figure 395933DEST_PATH_IMAGE002
进行解模糊补偿，得到 最终的目标距离 。
6.根据权利要求5所述的一种天基空间碎片测距系统，其特征在于：还包括激光发射光学系统(04)、接收光学系统(11)、第一分光器件(12)、第一滤光片(13)和第二滤光片(18)；
伪随机编码光子计数激光测距子系统包括第一激光发射系统、第一接收光路系统以及 距离解算单元(17)；第一激光发射系统用于发射中心波长
Figure 151400DEST_PATH_IMAGE007
为的伪随机编码脉冲激光至激 光发射光学系统(04)；第一接收光路系统用于接收滤除中心波长为
Figure 540793DEST_PATH_IMAGE007
之外波段的目标反射 激光，并转化为光子事件数据发送至距离解算单元(17)，距离解算单元(17)用于对第一接 收光路系统的输出进行解算，得到目标粗测距离
Figure 854837DEST_PATH_IMAGE001
；
飞秒光学频率梳光谱分辨干涉测距子系统包括第二激光发射系统、参考光路系统、第 二接收光路系统以及第二数据处理单元(23)；第二激光发射系统用于发射中心波长为
Figure 798522DEST_PATH_IMAGE008
的 飞秒脉冲激光至激光发射光学系统(04)；参考光路系统用于提供参考光至第二接收光路系 统；第二接收光路系统用于接收参考光以及滤除中心波长为
Figure DEST_PATH_IMAGE024
之外波段的目标反射激光，并 转化为干涉信号功率谱密度发送至第二数据处理单元(23)，第二数据处理单元(23)用于对 第二接收光路系统的输出数据进行处理，得到精测距离
Figure 888838DEST_PATH_IMAGE002
；
激光发射光学系统(04)用于基于跟踪捕获系统提供的目标先验方位信息，指向目标并向目标发射测量脉冲激光；
接收光学系统(11)用于接收目标反射激光；
第一分光器件(12)用于将目标反射激光分为两部分后分别入射至第一滤光片(13)和第二滤光片(18)；
第一滤光片(13)和第二滤光片(18)分别用于滤除中心波长为
Figure 601579DEST_PATH_IMAGE007
之外波段的目标反射激 光和滤除中心波长为
Figure 56831DEST_PATH_IMAGE008
之外波段的目标反射激光。
7.根据权利要求6所述的一种天基空间碎片测距系统，其特征在于：
第一激光发射系统包括信号发生模块(01)、光学调制器(02)和脉冲激光器(03)；
第一接收光路系统包括第一光纤耦合器(14)、单光子阵列探测器(15)和时间相关光子计数器(16)；
信号发生模块(01)与光学调制器(02)、单光子阵列探测器(15)、时间相关光子计数器(16)、距离解算单元(17)、第一数据处理单元(22)、第二数据处理单元(23)第二激光发射系统及第二接收光路系统电连接；信号发生模块(01)用于产生伪随机编码脉冲序列并发送至光学调制器(02)，同时为时间相关光子计数器(16)、距离解算单元(17)、第一数据处理单元(22)、第二数据处理单元(23)、第二激光发射系统及第二接收光路系统提供时间参考信号，并且控制单光子阵列探测器(15) 的门控功能；
光学调制器(02)与脉冲激光器(03)电连接，用于接收信号发生模块(01)产生的伪随机 编码脉冲序列，驱动脉冲激光器(03)产生中心波长为
Figure 487813DEST_PATH_IMAGE007
的伪随机编码脉冲激光；
第一光纤耦合器(14)位于第一滤光片(13)的出射光路中，用于将经滤除中心波长为
Figure 585082DEST_PATH_IMAGE007
波段之外的目标反射激光耦合至单光子阵列探测器(15)；
单光子阵列探测器(15)和时间相关光子计数器(16)电连接，单光子阵列探测器(15)用于接收目标反射激光，探测目标反射的光子事件，时间相关光子计数器(16)用于对单光子阵列探测器(15)探测到的光子事件进行计数和累积；
距离解算单元(17)与时间相关光子计数器(16)及第一数据处理单元(22)电连接，通过 对时间相关光子计数器(16)的输出数据进行相关运算求解粗测距离
Figure 919373DEST_PATH_IMAGE001
，并将粗测距离
Figure 811106DEST_PATH_IMAGE001
发送至第一数据处理单元(22)。
8.根据权利要求7所述的一种天基空间碎片测距系统，其特征在于：
信号发生模块(01)包括可编程信号发生模块和分别连接单光子阵列探测器(15)、时间相关光子计数器(16)和光学调制器(02)的三组高精度延迟线；采用m序列作为伪随机编码序列；
脉冲激光器(03)为二极管泵浦高能皮秒Nd：YAG激光器；
激光发射光学系统(04)包括准直器、扫描模块和发射望远镜；准直器将测量脉冲激光转化为自由空间中的准直光束，扫描模块用于控制发射光束的指向，实现对碎片的多点探测和扫描；发射望远镜用于对发射光斑扩束；
第一分光器件(12)采用反射/透射比为50：50的分光器件；
单光子阵列探测器(15)为基于硅基材料制成，工作在盖革模式的雪崩光电二极管。
9.根据权利要求7所述的一种天基空间碎片测距系统，其特征在于：
第二激光发射系统包括飞秒光学频率梳(05)和光放大器(06)；
参考光路系统包括沿光路依次设置的环形器(07)、第二分光器件(08)、第三滤光片(09)和角反射器(10)；
第二接收光路系统包括第二光纤耦合器(19)、法布里珀罗标准具(20)及光谱仪(21)；
飞秒光学频率梳(05)与信号发生模块(01)电连接，信号发生模块(01)为飞秒光学频率 梳(05)提供时间参考信号，飞秒光学频率梳(05)用于发射中心波长为
Figure 729383DEST_PATH_IMAGE008
的飞秒脉冲激光；
光放大器(06)位于飞秒光学频率梳(05)的出射光路中，用于将中心波长为
Figure 630343DEST_PATH_IMAGE008
的飞秒脉 冲激光进行功率放大后与中心波长为
Figure 848835DEST_PATH_IMAGE007
的伪随机编码脉冲激光一起入射至激光发射光学系 统(04)；
环形器(07)用于引导激光发射光学系统(04)的出射光至第二分光器件(08)，并引导角反射器(10)反射至第二分光器件(08)的参考光进入第二光纤耦合器(19)；
第二分光器件(08)用于对出射光进行分光；其中，大部分光射向目标，小部分光经过可 使
Figure 911469DEST_PATH_IMAGE008
波段通过的第三滤光片(09)射向角反射器(10)；经角反射器(10)反射的参考光原路返 回经环形器(07)进入第二光纤耦合器(19)；
第二光纤耦合器(19)位于环形器(07)与第二滤光片(18)的出射光路中，用于将参考光 以及滤除中心波长为
Figure 51463DEST_PATH_IMAGE008
之外波段的目标反射激光进行叠加并将叠加后产生的干涉信号耦合 至法布里珀罗标准具(20)；
法布里珀罗标准具(20)位于第二光纤耦合器(19)的出射光路中，用于对干涉信号进行频域滤波；
光谱仪(21)与信号发生模块(01)电连接，信号发生模块(01)为光谱仪(21)提供时间参 考信号；光谱仪(21)用于接收经过频域滤波的干涉信号，对干涉信号进行处理，将处理后的 数据发送至第二数据处理单元(23)；第二数据处理单元(23)对目标距离进行解算，获得精 测距离
Figure 254649DEST_PATH_IMAGE002
。
10.根据权利要求9所述的一种天基空间碎片测距系统，其特征在于：
飞秒光学频率梳(05)采用商用掺铒光纤光频梳；
光放大器(06)为掺铒光纤放大器；
第二分光器件(08)采用反射/透射比为99：1的分光器件；目标位于第二分光器件(08)的反射光路中，第三滤光片(09)位于第二分光器件(08)的透射光路中。
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