CN1831559A - 基于倾斜校正的卫星激光测距系统 - Google Patents

Abstract

基于倾斜校正的卫星激光测距系统，包括卫星激光测距系统、望远镜系统，其特征在于：还包括倾斜时实时校正系统，所述倾斜实时校正系统由高速倾斜反射镜、倾斜跟踪传感器和高速处理机组成，高速倾斜反射镜置于望远系统中，由倾斜跟踪传感器对接收望远镜系统接收的光波进行波前探测，倾斜跟踪传感器探测的误差信号经过高速处理机进行波前复原和控制算法后，输出校正控制信号至接收望远镜系统中的高速倾斜镜，完成对倾斜闭环实时校正，然后望远镜系统开启卫星激光测距系统，发送特定波长的激光，进行卫星激光测距。本发明跟踪精度超过0.1”，提高了卫星激光测距时的激光中心能量命中率和激光回波的几率，同时可以减小测距激光光源的发散角，降低对测距光源的性能要求。

Description

基于倾斜校正的卫星激光测距系统

技术领域

本发明是一种用于高精度激光卫星测距的系统，用于实时校正大气湍流和望远镜本身引入的倾斜跟踪抖动从而提高对卫星的指向精度。

背景技术

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，SLR)是60年代初由美国宇航局NASA发起的一项旨在利用空间技术来研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段。激光测距卫星的特点是，在卫星的表面装有角反射器，用于反射地面测站所发射的激光。地面测站利用接收望远镜接收从卫星角反射器返回的激光，利用时间间隔计数器测出激光往返所需时间，这样可以精确地获得地面测站到卫星的距离。在计算过程中，还应对大气中的光速值和卫星的质心等进行精确的修正，并对测量中的光路和电气系统的时延等进行严格的标定。经过30多年的发展，SLR已取得了巨大的成绩。观测的精度由最初第一代的几米，提高到现在第三代的几厘米甚至亚毫米。

上述卫星激光测距方法可以参见“卫星激光测距的发展和现状”赵有，刘乃苓，1999。这种卫星激光测距方案的不足在于，不同高度的卫星所受到的摄动影响不同，其轨道的预报精度也不相同，高轨道卫星的预报精度要好于低轨道卫星，而且由于望远镜本身的指向精度，都使得在进行卫星激光测距时对卫星的跟踪精度不够，特别是对与低轨(轨道高度＜800km)，快速目标指向精度会更差。

项清革，卫志斌，程伯辉，瞿锋，王谭强等人设计可调节发散角系统(“卫星激光测距仪发散角系统的设计”，2004)，对低轨道卫星，通过加大发散角牺牲回波强度来增加捕获几率，然而这对激光光源输出功率提出了更高的要求，且激光能量的利用率低，还是有太多不确定因素，没有解决问题的关键。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于倾斜校正的卫星激光测距系统高指向精度的卫星测距系统，该系统能够对卫星进行高精度的跟踪，跟踪精度超过0.1”，可以提高卫星激光测距时的激光中心能量命中率，提高探测器接收到激光回波的几率，同时可以减小测距激光光源的发散角，进而降低对光源的输出功率要求。

本发明的技术解决方案是：基于倾斜校正的卫星激光测距系统，包括卫星激光测距系统、望远镜系统，其特点在于：还包括倾斜时实时校正系统，所述倾斜实时校正系统由高速倾斜反射镜、倾斜跟踪传感器和高速处理机组成，高速倾斜反射镜置于望远系统中，由倾斜跟踪传感器对接收望远镜系统接收的光波进行波前探测，倾斜跟踪传感器探测的误差信号经过高速处理机进行波前复原和控制算法后，输出校正控制信号至接收望远镜系统中的高速倾斜镜，完成对倾斜闭环实时校正，然后望远镜系统开启卫星激光测距系统，发送特定波长的激光，进行卫星激光测距。

所述的倾斜跟踪传感器由跟踪物镜与CCD探测器组成，或跟踪物镜与ICCD探测器，可以实现对极弱目标的高精度跟踪测距组成。

所述的高速倾斜反射镜是压电式反射镜，或是电致伸缩式反射镜，或音圈电机驱动的Bimorph反射镜。

高速倾斜反射镜可以放置于望远系统中任何一个中继反射镜处。

本发明的原理是：当接收望远镜根据卫星预报数据进行捕获跟踪时，利用在光路中的倾斜跟踪传感器，实时探测到卫星反射太阳光的波前信息，经过倾斜信号提取算法和控制算法控制安置在光路中的高速倾斜反射镜，实现倾斜象差的实时闭环校正，从而极大提高望远镜的指向卫星的精度。然后系统中的激光测距系统发射特定波长的激光脉冲，通过望远镜光路使得激光光斑中心能量能高精度的命中卫星，提高探测激光回波的几率。对于现在很难精确测定的低轨道，快速运动目标有着更加显著的效果。

本发明与现有技术相比有如下优点：

(1)本发明对大气湍流和望远镜的倾斜抖动引入的倾斜的实时闭环校正使得接收望远镜对卫星的指向精度能超过0.1”，尤其对低轨道，快速运动目标跟踪精度上会有很显著的提高。

(2)本发明在很大程度提高了卫星的跟踪精度的基础上，可以很大程度提高激光中心能量命中卫星的能力，并使得探测器接收到激光回波的几率能明显有提高。

(3)本发明在中心能量能高精度命中卫星的基础上，对激光光源的要求可以进一步的放宽，对激光的输出功率，发散角的相应要求都可以降低，可以简化激光器的设计。

(4)本发明在实时探测波前进行倾斜像差校正时，是利用卫星本身对太阳光的反射，可以全波段的利用光波能量，探测能力强，进一步在探测器前面加上像增强器组成ICCD后，实现对极弱目标的高精度跟踪测距。

(5)利用高速倾斜镜进行倾斜的实时校正，系统的复杂性没有太大的变化，且高速倾斜镜的设计与制作，倾斜跟踪传感器的设计与制作已经很成熟，结构简单，加工易实现。

附图说明

图1为本发明基于倾斜校正的卫星激光测距系统框图；

图2为本发明的光路和电路的原理图；

图3为本发明中的接收望远镜光路示意图；

图4为本发明中的倾斜实时校正系统示意图；

图5为本发明中的激光测距系统示意图；

图6为本发明中的倾斜跟踪传感器工作原理示意图。

具体实施方式

如图1、2所示，整个基于倾斜校正的卫星激光测距系统有三个分系统组成，分别为接收望远镜系统1，激光测距系统2，倾斜实时校正系统3，卫星反射的太阳光由接收望远镜系统进入Coude房后，光波经分光镜4后，传到倾斜实时校正系统3进行波前探测，经过波前复原和控制算法后，经由控制回路5控制接收望远镜系统中的高速倾斜镜进行实时闭环后，开启激光测距发送/接收系统2，发送特定波长的激光，进行卫星激光测距。由于倾斜已经得到校正，因而望远镜的指向精度有了数量级的提高，此时进行激光测距，能很大程度提高激光命中率和探测器接收到激光回波的几率。

如图2、3所示，为接收望远镜1的光路结构，望远镜通过卫星预报对目标进行捕获和跟踪，主镜6和次镜7组成无焦(也可以是有焦)系统，通过转向镜8将接收到的光入射到高速倾斜反射镜9上，高速倾斜反射镜9可以在望远镜光路中的任意一个位置，放置的位置要求有良好的机械稳定性能，可以考虑适当的放置于Coude光路末端，减少反射镜的通光口径，以降低成本，再由另外的转向镜10，11将光导入Coude房后，通过分光镜4倾斜校正系统3仅仅是接收卫星反射的太阳光波进行工作，而卫星激光测距系统2对特定波长激光的发送和接收是共光路的。

如图2、4所示，为倾斜实时校正系统3由高速倾斜反射镜9、倾斜跟踪传感器和高速处理机组成，倾斜跟踪传感器由跟踪物镜17和CCD探测器18组成，由接收望远镜系统1入射的卫星反射太阳光波波前经由分光镜4入射到倾斜实时校正系统3后，由跟踪物镜17直接将波前会聚到CCD探测器18的靶面19上，在光路设计时，应该使跟踪物镜17与接收望远镜系统中的望远镜主镜6共轭。CCD探测器18输出的数据经由高速处理机22进行斜率计算及控制计算，得到误差控制信号后，由控制回路5反馈控制接收望远系统1中的高速倾斜反射镜9，实现对倾斜的实时闭环校正。

如图2、5所示，为卫星激光测距系统2，其主要由回波探测器12，计时器13、发送光路14、激光光源16和控制器15组成。激光测距的光源可以是脉冲氙灯泵浦的被动或主动锁模YAG器件，在此基础上也可以有其他的光源，光波波长一般是1064nm通过倍频后输出532nm对人眼没有伤害的绿光，脉宽在几十个ps量级，重复率在1-2kHz，功率在100微焦量级，当倾斜象差校正系统3闭环工作后，开启激光测距系统2，发送特定波长激光，同时触发ps级的计时器，探测激光回波都是光子级探测器，主要有单光子雪崩二极管(SPAD)和微通道板(MCP)，接收到光子后关闭计时器，计数器所测得的时间即为光子往返飞行的时间(T)，从而可算出地面测站至卫星的距离(R)。R和T有如下关系：

R＝(1/2)cT    (c为光速)

如图2、6所示，为倾斜跟踪传感器，以跟踪物镜17和CCD探测器18组成为例。传感器工作时，跟踪物镜17对入射的畸变波前21会聚到成像CCD探测器18的光敏靶面19上。在倾斜跟踪传感器进行工作前必须要对其进行标定，标定时利用标准平面波20入射，标定CCD探测器18上光斑的位置。

CCD探测器18探测器将接收到的光斑信号可通过高速计算机进行处理，采用质心算法：由公式①计算光斑的位置(x₁，y₁)，探测全孔径的波面误差信息：

$x_1=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}},y_1=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{y}_{\mathrm{nm}}{I}_{\mathrm{nm}}}{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{I}_{\mathrm{nm}}}$                   ①

式中，m＝1～M，n＝1～N其中M，N，分别是CCD探测器18光敏靶面19上的像素范围，I_nm是CCD探测器18光敏靶面19上第(n，m)个像素接收到的信号，x_nm，y_nm分别为第(n，m)个像素的x坐标和y坐标。

再根据公式②计算入射波前的波前斜率g_x，g_y：

$g_x=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{\λf}}=\frac{x_1-x_o}{\mathrm{\λf}},g_y=\frac{\mathrm{\Δy}}{\mathrm{\λf}}=\frac{y_1-y_o}{\mathrm{\λf}}$                   ②

式中，(x₀，y₀)为标准平面波标定倾斜跟踪传感器获得的光斑中心基准位置；倾斜跟踪传感器探测波前畸变时，光斑中心偏移到(x₁，y₁)。完成倾斜跟踪传感器对信号的检测。

得到的波前斜率(g_x，g_y)，通过控制算法(控制算法可以是比例积分算法，也可以是自适应控制算法)可以方便的得到高速倾斜镜9的控制信号，从而完成对倾斜闭环实时校正。

Claims (5)

1、基于倾斜校正的卫星激光测距系统，包括卫星激光测距系统、望远镜系统，其特征在于：还包括倾斜时实时校正系统，所述倾斜实时校正系统由高速倾斜反射镜、倾斜跟踪传感器和高速处理机组成，高速倾斜反射镜置于望远系统中，由倾斜跟踪传感器对接收望远镜系统接收的光波进行波前探测，倾斜跟踪传感器探测的误差信号经过高速处理机进行波前复原和控制算法后，输出校正控制信号至接收望远镜系统中的高速倾斜镜，完成对倾斜闭环实时校正，然后望远镜系统开启卫星激光测距系统，发送特定波长的激光，进行卫星激光测距。

2、根据权利要求1所述的基于倾斜实时校正的卫星激光测距系统，其特征在于：所述的倾斜跟踪传感器由跟踪物镜与CCD探测器组成，或由跟踪物镜与ICCD探测器组成。

3、根据权利要求1所述的基于倾斜校正的卫星激光测距系统，其特征在于：所述的高速倾斜反射镜是压电式反射镜，或是电致伸缩式反射镜，或音圈电机驱动的Bimorph反射镜。

4、根据权利要求1所述的基于倾斜校正的卫星激光测距系统，其特征在于：所述的高速倾斜反射镜放置于望远系统中任何一个中继反射镜处。

5、根据权利要求2所述的基于倾斜校正的卫星激光测距系统，其特征在于：所述的跟踪物镜与接收望远镜系统中的望远镜主镜共轭。

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