CN116859404A - 一种月球激光测距系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种月球激光测距系统，涉及激光测距技术领域，包括激光测距平台和计算机控制系统，所述激光测距平台包括53cm双筒望远镜和1.2m望远镜，所述53cm双筒望远镜用于发射激光，激光射向月球表面并反射回地面测站，所述53cm双筒望远镜与1.2m望远镜共同接收回波光束，所述计算机控制系统用于记录53cm双筒望远镜激光发射时刻和回波时刻，所述计算机控制系统经过数据处理软件计算实时识别回波信号并显示月球距离值；月球激光测距系统完善了一发两收的激光测距系统结构，使其能更好地满足月球激光测距的要求，激光测距系统测距频率不受转镜限止，高频或低频测距均可，不存在一发一收激光测距系统的距离盲区。

Description

一种月球激光测距系统
技术领域
本发明涉及激光测距技术领域，具体是一种月球激光测距系统。
背景技术
月球激光测距的原理是通过精确测定激光脉冲在地面观测站与月球之间的往返时间间隔，从而计算出地面观测站到月球的距离。目前国际上常用的月球激光测距多为一发一收模式进行月球激光测距，即采用同一台望远镜来发射激光和接收回波光束，一发一收模式下月球激光测距发射激光时，因为激光到达月面反射器需要一定时间，并且月球在运动，所以望远镜指向月面角反射器需要有一定的提前量，经过一段时间激光到达时，正好击中角反射器产生回波；当被反射回来的激光到达地面测站时，因为在激光往返飞行过程中望远镜一直在对月球跟踪，此时相对激光发射时刻的初始位置，望远镜指向发生了改变，回波方向与望远镜指向有一些偏离，如果望远镜接收视场小于该偏离量，回波就进不了接收视场，导致观测失败。此外，目前一发一收模式下月球激光测距都采用共光路方式，通常情况下光路不可避免地要使用转镜进行收发转换，该模式受转镜制约会产生不利于测距的问题，一方面测距重复频率不能太高（一般不超过100Hz），导致不能采用当前比较先进的高频（1000Hz）激光测距技术；另一方面转镜系统的光路在激光发射时的一段时间内不能接收回波（通常大于4ms），形成周期性的距离盲区。
为了解决上述问题，《云南天文台一发多收激光测距系统设计与实现》一文介绍了一发两收卫星激光测距系统，该系统包括1.2m望远镜和53cm双筒望远镜。该系统验证了用于对运行在地球轨道上的卫星激光测距，然而对于距离更加遥远的月球测距时，由于该结构存在较大的测距误差，同时激光器输出的光束质量不佳，导致激光测距系统难以精密跟踪月球角反射器并有效识别激光回波信号。
发明内容
本发明的目的在于提供一种月球激光测距系统，完善了一发两收激光测距系统结构，使其能更好地适合月球激光测距。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种月球激光测距系统，包括激光测距平台和计算机控制系统，所述激光测距平台包括53cm双筒望远镜和1.2m望远镜，所述53cm双筒望远镜用于发射激光，激光射向月球表面并反射回地面测站，所述53cm双筒望远镜与1.2m望远镜共同接收回波光束，所述计算机控制系统用于记录53cm双筒望远镜激光发射时刻和回波时刻，所述计算机控制系统经过数据处理软件计算实时识别回波信号并显示月球距离值；
所述53cm双筒望远镜由激光发射望远镜和激光接收望远镜组成双筒式结构，所述激光发射望远镜主镜筒与激光接收望远镜主镜筒均固定设置在中间块上，所述中间块固定设置在叉臂上，所述双筒望远镜由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，所述光学系统包括激光发射光学系统和接收光学系统，所述激光发射光学系统包括安装于激光发射望远镜主镜筒中的激光发射主镜、激光发射副镜、A镜、B镜、C镜、D镜和E镜，所述A镜、B镜、C镜、D镜和E镜将望远镜光路连接到库德房。
在上述技术方案的基础上，本发明还提供以下可选技术方案：
在一种可选方案中：所述接收光学系统包括安装于激光接收望远镜主镜筒中的激光接收主镜、激光接收副镜和目标监测光路，所述目标监测光路设置在激光接收主镜的后方，所述激光接收主镜与激光接收副镜均为旋转双曲面并组成R-C望远镜系统。
在一种可选方案中：所述1.2m望远镜由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，所述光学系统包括主镜和副镜，所述机械系统包括主镜筒、方位轴系和高度轴系，所述主镜与副镜均安装于主镜筒中，所述控制系统包括力矩电机及驱动电路，两台力矩电机分别与方位轴和高度轴相连，所述主镜筒固定于中间块上，所述中间块固定在高度轴系的叉臂上，所述高度轴与方位轴固定于地平方位座上。
在一种可选方案中：所述激光测距系统还设置有激光器、探测器、事件计时器、激光测距控制系统及数据处理软件。
在一种可选方案中：月球表面设置有用于反射激光的角反射器，所述角反射器为月面角反射器，所述目标监测光路为CMOS相机，所述激光器选用高功率激光器，所述探测器选用单光子阵列探测器，所述事件计时器为多通道事件计时器。
在一种可选方案中：所述激光器由前置放大组件、中置放大组件、后置放大组件、驱动与控制组件和支撑组件构成，所述激光器放置于库德房内并与激光发射望远镜的激光发射主镜、激光发射副镜、A镜、B镜、C镜、D镜和E镜组成激光发射光路。
在一种可选方案中：所述53cm双筒望远镜中的A镜、B镜、C镜、D镜和E镜的镜面均镀制有1064nm和532nm的反射膜。
相较于现有技术，本发明的有益效果如下：
月球激光测距系统完善了一发两收的激光测距系统结构，使其能更好地满足月球激光测距的要求，与一发一收激光测距系统相比，激光测距系统测距频率不受转镜限止，高频或低频测距均可，而且激光测距系统可以一直处于回波接收状态，不存在一发一收激光测距系统的距离盲区。
附图说明
图1为月球激光测距系统的工作原理示意图。
图2为月球激光测距系统中53cm双筒望远镜的结构示意图。
图3为月球激光测距系统中53cm双筒望远镜的激光发射望远镜的组成结构示意图。
图4为月球激光测距系统中53cm双筒望远镜的激光接收望远镜的组成结构示意图。
图5为月球激光测距系统中53cm双筒望远镜的激光发射及接收光路示意图。
图6为月球激光测距系统中1.2m望远镜的激光接收光路示意图。
图7为月球激光测距系统中激光器的总体结构框图。
附图标记注释：1-激光器、1.1-前置放大组件、1.1.1-单频种子源、1.1.2-3mm放大模块、1.1.3-6mm放大模块、1.1.4-第一空间滤波器、1.1.5-第一隔离模块、1.2-中置放大组件、1.2.1-10mm放大模块、1.2.2-SBS相位共轭镜、1.2.3-第二空间滤波器、1.2.4-第二隔离模块、1.3-后置放大组件、1.3.1-15mm放大模块、1.3.2-第三空间滤波器、1.3.3-第三隔离模块、1.4-驱动与控制组件、1.4.1-LD驱动源、1.4.2-电控模块、1.4.3-监测模块、1.5-支撑组件、1.5.1-支撑结构、1.5.2-制冷模块、1.5.3-辅助平台、1.5.4-外部调节光路、2-53cm双筒望远镜、2.1-镜筒、2.2-中间块、2.3-主镜室、2.4-叉臂、2.5-方位底座，3-1.2m望远镜、4-A镜、5-B镜、6-C镜、7-D镜、8-E镜、9-激光发射主镜、10-激光发射副镜、11-激光接收主镜、12-激光接收副镜、13-目标监测光路。
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，以下结合附图及实施例，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。
以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述。
如图1-7所示，为本发明一个实施例提供的一种月球激光测距系统，包括激光发射、回波接收、月球距离信号识别与显示；
激光发射：计算机控制系统发出激光发射指令后，53cm双筒望远镜2发射激光，激光射向月球表面的角反射器后反射回地面测站；
回波接收：月球表面的角反射器将激光反射回至地面站，53cm双筒望远镜2和1.2m望远镜3接收回波光束，最后由单光子探测器接收产生回波信号，实现了激光的一发两收；
月球距离信号识别与显示：计算机控制系统记录53cm双筒望远镜2的激光发射时刻，计算机控制系统探测到回波光速后，分别记录53cm双筒望远镜2和1.2m望远镜3的回波时刻，控制软件处理后，实时识别回波信号并显示月球距离值。
如图1-4所示，作为本发明的一种优选实施例，激光测距系统的硬件包括53cm双筒望远镜2、1.2m望远镜3和激光测距系统；53cm双筒望远镜2由激光发射望远镜和激光接收望远镜组成双筒式结构，53cm双筒望远镜2由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，光学系统分为激光发射光学系统和接收光学系统，激光发射光学系统包括安装于激光发射望远镜主镜筒中的激光发射主镜9、激光发射副镜10、A镜4、B镜5、C镜6、D镜7和E镜8，A镜4、B镜5、C镜6、D镜7和E镜8将望远镜光路连接到库德房，接收光学系统包括安装于激光接收望远镜主镜筒中的激光接收主镜11、激光接收副镜12和目标监测光路13，目标监测光路13设置在激光接收主镜11的后方，激光接收主11镜和激光接收副镜12均为旋转双曲面并组成R-C望远镜系统；机械系统包括镜筒2.1、方位轴系、高度轴系、中间块2.2、主镜室2.3、叉臂2.4和方位底座2.5，所述镜筒2.1包括激光发射望远镜主镜筒和激光接收望远镜主镜筒，两个镜筒2.1均固定于同一个中间块2.2上，中间块2.2固定于高度轴叉臂2.4上，高度轴和方位轴上分别固定有直流力矩电机，高度轴和方位轴固定于地平方位底座2.5上。
如图1-6所示，作为本发明的一种优选实施例，所述1.2m望远镜由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，光学系统包括主镜和副镜，机械系统包括主镜筒、方位轴系、高度轴系；主镜和副镜安装于主镜筒中；控制系统包括力矩电机及驱动电路，两台力矩电机分别与方位轴和高度轴相连；主镜筒固定于中间块上，中间块固定在高度轴系的叉臂上，高度轴和方位轴固定于地平方位座上。
如图1-7所示，作为本发明的一种优选实施例，所述激光测距系统包括激光器1、单光子探测器、事件计时器、激光测距控制系统及数据处理软件，所述激光器1放置于库德房内并与激光发射望远镜的激光发射主镜9、激光发射副镜10、A镜4、B镜5、C镜6、D镜7和E镜8组成激光发射光路；两台单光子探测器将53cm双筒望远镜2和1.2m望远镜3经过缩束处理的回波光束转换为电信号送事件计时器记录回波时刻；数据处理软件实时识别回波并给出距离值；激光测距系统完善了一发两收激光测距系统结构，系统激光发射频率和回波接收频率不受限止，使其能更好地吻合月球距离值的激光测距。
如图7所示为激光器1的系统结构图，该激光器1由中科院光电研究院和国科世纪激光有限公司研制，根据其主要性能指标称作100Hz/3J/2DL激光器，其由前置放大组件1.1、中置放大组件1.2、后置放大组件1.3、驱动与控制组件1.4和支撑组件1.5五部分构成，前置放大组件1.1包括单频种子源1.1.1、3mm放大模块1.1.2、6mm放大模块1.1.3、第一空间滤波器1.1.4和第一隔离模块1.1.5，中置放大组件1.2包括10mm放大模块1.2.1、SBS相位共轭镜1.2.2、第二空间滤波器1.2.3和第二隔离模块1.2.4，后置放大组件1.3包括15mm放大模块1.3.1、第三空间滤波器1.3.2和第三隔离模块1.3.3，驱动与控制组件1.4包括LD驱动源1.4.1、电控模块1.4.2和监测模块1.4.3，支撑组件1.5包括支撑结构1.5.1、制冷模块1.5.2、辅助平台1.5.3和外部调节光路1.5.4；该激光器采用“激光二极管泵浦＋多级双程放大”的技术路线，确保系统具备100Hz/3J/2DL的输出能力；采用“抑制衍射效应为主＋SBS相位共轭”的技术路线，确保系统输出的光束质量；采用“组件离线精密调试＋系统在线精确对接”实现光路内部准直与系统间的准直功能。
如图3所示，作为本发明的一种优选实施例，所述53cm双筒望远镜2中安装有激光发射主镜9、激光发射副镜10、A镜4、B镜5、C镜6、D镜7和E镜8，A镜4、B镜5、C镜6、D镜7和E镜8的镜面均镀制有1064nm和532nm的反射膜。
所述角反射器为月面角反射器（如APOLLO15角反射器），目标监测光路13选用的CMOS相机，激光器1选用高功率激光器，探测器选用单光子阵列探测器，事件计时器多通道事件计时器。
本发明上述实施例中提供了一种月球激光测距系统，计算机控制系统发出激光发射指令后，53cm双筒望远镜2发射激光，激光首先经过一级扩束系统后，经53cm双筒望远镜2的激光发射望远镜主镜筒中E镜8、D镜7、C镜6、B镜5以及A镜4，五面反射镜依次反射至望远镜副镜，然后经过望远镜主镜和副镜完成二级扩束，投射至固定于月球表面的角反射器；由于月球表面角反射器反射的激光束有一定的发散角，回波光束返回至地面时分布在特定的区域内，该区域为数百米至数千米的范围，因此在布设53cm双筒望远镜2和1.2m望远镜3时，两者的水平间距为50m，保证二者处于回波光束覆盖范围；计算机控制系统在激光束从发射望远镜出射之后，计算出回波光束返回的大致时刻，计算机控制系统同时驱动53cm双筒望远镜2和1.2m望远镜3的直流力矩电机使其各自完成高度轴和方位轴转动，并配合目标监测光路13（即CMOS相机），对暗弱目标成像以实现目标监测功能，引导望远镜跟踪目标；一部分回波光子进入53cm双筒望远镜2的激光接收主镜11和激光接收副镜12，并被反射至分光镜、反射镜以及缩束系统，滤除噪声后进入单光子探测器，产生回波信号，通过同轴电缆线传输至事件计时器；一部分回波光子进入1.2m望远镜3，经过主镜、副镜、折轴反射镜，然后被反射至缩束系统，滤除噪声后进入单光子探测器产生回波信号，通过同轴电缆线传输至事件计时器，事件计时器记录两者的回波时刻，计算机控制系统测量数据并进行处理后实时显示测距值。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种月球激光测距系统，其特征在于，包括激光测距平台和计算机控制系统，所述激光测距平台包括53cm双筒望远镜和1.2m望远镜，所述53cm双筒望远镜用于发射激光，激光射向月球表面并反射回地面测站，所述53cm双筒望远镜与1.2m望远镜共同接收回波光束，所述计算机控制系统用于记录53cm双筒望远镜激光发射时刻和回波时刻，所述计算机控制系统经过数据处理软件计算实时识别回波信号并显示月球距离值；
所述53cm双筒望远镜由激光发射望远镜和激光接收望远镜组成双筒式结构，所述激光发射望远镜主镜筒与激光接收望远镜主镜筒均固定设置在中间块上，所述中间块固定设置在叉臂上，所述双筒望远镜由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，所述光学系统包括激光发射光学系统和接收光学系统，所述激光发射光学系统包括安装于激光发射望远镜主镜筒中的激光发射主镜、激光发射副镜、A镜、B镜、C镜、D镜和E镜，所述A镜、B镜、C镜、D镜和E镜将望远镜光路连接到库德房。
2.根据权利要求1所述的月球激光测距系统，其特征在于，所述接收光学系统包括安装于激光接收望远镜主镜筒中的激光接收主镜、激光接收副镜和目标监测光路，所述目标监测光路设置在激光接收主镜的后方，所述激光接收主镜与激光接收副镜均为旋转双曲面并组成R-C望远镜系统。
3.根据权利要求1所述的月球激光测距系统，其特征在于，所述1.2m望远镜由光学系统、机械系统、控制系统和驱动系统组成，所述光学系统包括主镜和副镜，所述机械系统包括主镜筒、方位轴系和高度轴系，所述主镜与副镜均安装于主镜筒中，所述控制系统包括力矩电机及驱动电路，两台力矩电机分别与方位轴和高度轴相连，所述主镜筒固定于中间块上，所述中间块固定在高度轴系的叉臂上，所述高度轴与方位轴固定于地平方位座上。
4.根据权利要求2所述的月球激光测距系统，其特征在于，所述激光测距系统还设置有激光器、探测器、事件计时器、激光测距控制系统及数据处理软件。
5.根据权利要求4所述的月球激光测距系统，其特征在于，月球表面设置有用于反射激光的角反射器，所述角反射器为月面角反射器，所述目标监测光路为CMOS相机，所述激光器选用高功率激光器，所述探测器选用单光子阵列探测器，所述事件计时器为多通道事件计时器。
6.根据权利要求4所述的月球激光测距系统，其特征在于，所述激光器由前置放大组件、中置放大组件、后置放大组件、驱动与控制组件和支撑组件构成，所述激光器放置于库德房内并与激光发射望远镜的激光发射主镜、激光发射副镜、A镜、B镜、C镜、D镜和E镜组成激光发射光路。
7.根据权利要求1所述的月球激光测距系统，其特征在于，所述53cm双筒望远镜中的A镜、B镜、C镜、D镜和E镜的镜面均镀制有1064nm和532nm的反射膜。
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