CN210142195U - 一种激光测距系统的延时值实时标效系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种激光测距系统的延时值实时标效系统，属于激光测距技术领域。所述系统还包括：激光器、光脉冲扩束系统、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟。提高了系统延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本实用新型涉及激光测距技术领域，尤其是一种新型的激光测距系统的延时值实时标效系统。
背景技术
利用激光测距系统实现的空间探测技术是由激光、光电探测、自动控制、电子通信、天文测量、卫星轨道等技术结合而成的多学科综合技术。以脉冲飞行时间测量原理为基础的激光测距系统通过精确测定激光脉冲信号从地面测站到观测目标的往返飞行时间，间接算出飞行距离。与其他大地空间测量技术不同，激光测距系统采用高重频、高峰值功率、窄脉冲激光器，解决了传统雷达系统测距精度低、测程短、稳定性差、设备庞大等一系列难题，突破了超声波测距及其他光学测距技术的局限，提供了一种具有全天候、高精度、抗干扰、小型化等先进的空间探测手段。近年来，高性能激光测距系统的研究逐渐从实验室走向现场试验，在空间探测和航天航空等工程领域中得到了广泛的应用，展现出诱人的实用化前景。
根据观测目标的不同，激光测距系统分为卫星激光测距系统(SLR)、空间碎片激光测距系统(DLR)，月球激光测距系统(LLR)等。鉴于上述系统工作原理基本相同，下文我们将以激光测距系统的经典应用实例SLR系统进行举例说明。
卫星激光测距(SLR)系统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。
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。
SLR测量的是仪器参考点即望远镜水平轴与垂直轴的交点到卫星的距离,而实际测量值是激光脉冲发射时刻到系统接收回波信号时刻间的时间间隔,其等效距离不同于卫星激光测距的期望距离。通过SLR系统获得的原始观测数据中包含了电信号和光信号在系统中的传输时间，即系统延时值。对于SLR系统，由发射光路、电子电路产生的系统延迟将随着时间、环境、工作状态不断变化，特别对于毫米级精度的SLR技术，实时获得高精度系统延时值十分重要。
为了提高SLR系统测距精度，获得高质量的观测数据，现有技术通过对地面已知距离的地靶目标进行观测，即通过地靶测量间接获取激光测距系统的延迟值。常规的地靶测距过程如下：首先控制系统根据地靶已知的方位、高度及距离引导望远镜指向地靶目标，待望远镜指向稳定后发射激光脉冲，同时PIN将激光脉冲信号送入恒比鉴别器记录发射时刻；其次，由地靶目标返回的回波信号经接收系统传输至光电探测器，转化为电信号后进入事件计时器记录回波时刻，两个时刻之差为地靶目标至测站的观测值；最后，将获得的观测值减去已知距离值，即可获得系统延时值。图1为长春站的SLR系统结构示意图。
如前所述，现有技术具有如下缺陷：
1.在现有地靶测量技术中，SLR系统无法在单次测距过程中同时完成卫星目标的观测与系统延时的测量。地靶测量只能在卫星观测过程的前后或间隔固定时间进行测量。但是由发射光路、接收光路、电子电路产生的系统延时随着系统工作的状态、环境等因素实时发生变化，现有地靶测量技术无法满足SLR系统对延时值标效实时性的要求，不利于系统性能的监控与测量。
2.系统延时值高精度标效是提高卫星激光测距数据质量精度的重要途径。在现有的数据处理方法中，每一圈的观测数据进行数据处理时首先将减去系统延时值，再进行系统精度计算及标准点生成。然而，对于现有的地靶测量技术，我们无法标效每一圈的系统延时值，只能在卫星观测前后或间隔固定时间进行测量，使得大量观测数据仅对应一个SLR系统延时值，这严重影响了观测数据的质量及测距精度。
3.近地靶、远地靶都设置在距系统一定距离的位置上，在安装调试、瞄准和维护存在诸多不确定因素。尤其对于远地靶，摆靶、瞄靶时间较长，增加了卫星地靶之间的切换时间，降低了系统的工作效率，影响了系统性能。
4.现有地靶测量技术受天气、白天、晚间等工作条件的限制，整个系统仪器的实验、调整、维护工作的难度较大。
发明内容
本实用新型的发明目的在于：提供一种激光测距系统的延时值实时标效系统，提高了系统延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
本实用新型采用的技术方案如下：
一种激光测距系统的延时值实时标效系统，所述系统还包括：激光器、光脉冲扩束系统、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束系统的扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收系统中的的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距系统的延时值；之后，接收系统中的光电探测器将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝ Tmian-pulse-Treturn；Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间，根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
进一步的，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
进一步的，所述发射望远镜包括：光学逆向反射装置、高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组；所述发射望远镜通过光学逆向反射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述方位编码器和所述折轴光路组连接。
进一步的，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
进一步的，所述激光测距系统可以是卫星激光测距系统、空间碎片激光测距系统和月球激光测距系统。
进一步的，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
进一步的，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT或超导纳米线。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：本发明通过光学、电子、机械的设计，结合激光衰减技术、距离门技术，提出了一种激光测距系统的延时值实时标效系统、方法及装置。利用光学逆向装置，在发射光中截取极少部分光返回至SLR 接收系统，结合激光衰减技术、距离门技术，对地靶信号进行探测，得到系统延时△t0，再利用光电探测器接收回波信号，得到主波与回波时刻之差△t，从而完成整个激光测距过程。该发明在单次SLR过程中兼顾测量了系统的延时误差，达到了激光测距系统延时误差高重频、高精度标效的目的。
附图说明
本实用新型将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1是现有技术中SLR系统的系统结构示意图；
图2是现有技术中卫星的标准点信息的数据表；
图3为本发明实施例提供的现有技术中近地靶标校原理示意图；
图4为本发明实施例提供的现有技术中激光测距光路图；
图5为本发明实施例提供的具有具有系统延时实时标效的激光测距系统的系统结构示意图；
图6为本发明实施例提供的具有系统延时实时标效的激光测距硬件结构示意图；
图7为本发明实施例提供的具有系统延时实时标效的激光测距系统光路图；
图8为本发明实施例提供的单次测距系统时序示意图；
其中，1-光电探测器，2-副镜，3-弯月形分光镜，4-458反光镜，5-微光电视摄像机，6-高度编码器，7-可翻转反光镜，8-目镜，9-主镜，10，22-发射望远镜，11-高度力矩电机和测速机，12-458介质膜全反光镜，13-方位编码器，14-方位力矩电机和测速机，15-折轴光路组，16、25-光学逆向反射装置，17-激光器，18-光脉冲扩束系统，19-主波取样电路， 20-时间间隔计数器，21-接收望远镜，23-光电探测器，24-时钟，M1～M9-折轴光路组，M10、 M11-光学逆向反射装置，2、3、4、9-导向光路组。
具体实施方式
本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
本说明书(包括任何附加权利要求、摘要)中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。如图5、图6、图7和图8所示，一种激光测距系统的延时值实时标效系统，所述系统还包括：激光器、光脉冲扩束系统、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束系统的扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收系统中的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距系统的延时值；之后，接收系统中的探测器将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻 Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn；Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间，根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
具体的，在现有技术一中，为了精确标效系统的延时值，地靶测量分为远地靶和近地靶。远地靶观测距离为10～10000m，要考虑大气误差的影响，需要对测距值进行大气延迟修正。对于远地靶标效，国内外激光测距领域常使用经验公式进行大气延迟修正，公式如下：
式中△R为距离修正值；R为地靶测距值；P为测站的大气压(毫巴)；T为测站的温度值(℃)。
远地靶的系统延迟量计算公式为：
△D＝Rd-D-△R
其中，SLR测站参考点到地面靶标的距离为D，可通过毫米级或亚毫米级的高精度全站仪等设备精确测量，作为地靶标效值。在对地靶进SLR观测后，可获得地靶的平均测量值Rd。
但现有技术一有如下缺陷：在对远地靶目标进行观测时，需要考虑大气因素的影响。尽管采用大气延迟修正公式可对大气引起的距离误差进行估计，但SLR系统的实际观测条件与理想设定条件相差较大，且环境因素具有一定的不确定性和实时性。另外，地靶距系统距离较远，难于维护，测量时瞄准也较为困难。
具体的，如图3所示，在现有技术二中，对于大部分测站，常采用近地靶对系统延迟进行标效。近地靶距离一般为1～3m，受气象参数小，可不做气象修正，消除了由于气象修正的不确定性所引起的误差，真值的易复测性，可用于普通钢尺手工量取近地靶的真实距离，精度可达3mm以内，且简单易行，避免由于测距仪问题所产生的地靶真实距离的误差。由于近地靶在活动圆屋顶内，白天即可进行测试，可以节省系统的调试时间，有利于系统延时的标效。对于目前运行的SLR测站，通常选用近地靶对SLR系统延迟进行标效。
以长春站为例，近地靶放置在圆顶内距望远镜3.69m处。角反射器(角锥)为一整直角棱镜，相当于正六面体的一角，其底面为入射面，另三面为反射面。这样的棱镜具有把入射光按原方向反射回去的性能。其SLR系统延迟公式为：
式中，tcal为地靶测量值(单位：10ns)；R为单程近地靶测距值(单位：m)；c为光速；P为测站的压强(单位：mbar)；T为测站的温度(单位：K)。
但现有技术二具有如下缺陷：近地靶测量技术克服了远地靶测量时大气对系统延迟的影响，但对近地靶目标进行测量时，SLR系统将无法对观测目标进行观测。对于近地靶目标，一般在卫星观测卫星前后进行单独观测或间隔一段固定时间(15min)进行测量，导致大量观测数据仅对应一个地靶值，不利于观测数据质量的提高。同时，由发射光路、接收光路、电子电路产生的系统延时随着时间、环境、工作状态不断变化，现有的近地靶测量技术无法满足SLR系统延时标效实时性及有效性的要求。
具体的，如图4所示，现有技术三中，可以看出，该测距系统采用收发共光路，激光发射和接收都经过同一望远镜，在激光器和匹配光路之间用收/发旋转镜进行发射和接收之间的切换。转镜由直流电机驱动旋转，转镜上有两个对称的中开孔和位置标记，经光电位置识别和同步装置控制，在激光发射时刻，转镜的开孔对准发射光路，激光无衰减地进入望远镜光路发射。当回波到达时，转镜已转过一个角度，此时其作用为反射镜，回波经反射后进入接收光路。作地面靶标校时，回波直接穿过转镜的开孔后经地面靶回波光路到达接收器件。
现有技术三具有如下缺陷：在收发共光路的激光测距系统中，地靶目标设置在系统结构内部。同近地靶测距一样，该技术克服了远地靶测量时大气对系统延迟的影响。但是地靶测量时需要通过转镜进行光路转换，在卫星测距过程中无法兼顾测量系统延时值，同时增加了系统的控制难度。
在上一实施例的基础上，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
在上一实施例的基础上，所述发射望远镜包括：光学逆向反射装置、高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组和光学逆向反射装置；所述发射望远镜通过光学逆向反射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述方位编码器和所述折轴光路组连接。
在上一实施例的基础上，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
在上一实施例的基础上，所述激光测距系统可以是卫星激光测距系统、空间碎片激光测距系统和月球激光测距系统。
在上一实施例的基础上，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
在上一实施例的基础上，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT 或超导纳米线。
具体的，以长春站空间碎片激光测距(DLR)系统为例，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60mJ；发射频率为500Hz；激光波长为532nm；发散角为0.4mrad；激光能量脉宽为10ns。
根据本发明内容，我们将在该系统中加入光学逆向反射装置(超近地靶)。将发射望远镜与接收望远镜打通，并加入横梁，在其两端(发射望远镜镜筒、接收望远镜镜筒内)各放置一角锥，在发射光中截取极少光进入接收系统，采用激光衰减技术对其进行衰减，利用接收系统G-SPAD对地靶回波进行探测，完成系统延时的高重频标效后，再利用G-SPAD 对卫星回波进行探测。在单次DLR过程中兼顾系统延迟的测量，实现DLR系统延时值实时、自动、准确、有效地定标。
长春站采用的是500Hz DLR系统，一秒钟将发射500次激光。理论上，每发射一次激光，系统将收到超近地靶回波信号与观测目标回波信号。这意味着DLR系统接收到的每一个回波信号都有对应的DLR系统延时值相匹配，解决了现有数据处理技术中大量观测数据仅对应一个DLR系统延时值的问题，提高了系统延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
本实用新型并不局限于前述的具体实施方式。本实用新型扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。
Claims (7)
1.一种激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述系统还包括：激光器、光脉冲扩束系统、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束系统扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；剩余发射光进入折轴光路组，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经光路反射至接收系统中的光电探测器，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距系统的延时值；之后，接收系统中的光电探测器将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn；Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间，根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
2.如权利要求1所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
3.如权利要求1所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述发射望远镜包括：高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组和光学逆向反射装置；所述发射望远镜通过光学逆向反射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述方位编码器和所述折轴光路组连接。
4.如权利要求1所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
5.如权利要求1或2或3或4所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述激光测距系统可以是卫星激光测距系统、空间碎片激光测距系统和月球激光测距系统。
6.如权利要求1或2或3或4所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收系统，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
7.如权利要求1或2或3或4所述的激光测距系统的延时值实时标效系统，其特征在于，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT或超导纳米线。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
2019
- 2019-05-27 CN CN201920774731.XU patent/CN210142195U/zh not_active Withdrawn - After Issue
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110286381A (zh) * | 2019-05-27 | 2019-09-27 | 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 | 一种激光测距系统的延时值实时标效系统、方法及装置 |
| CN110286381B (zh) * | 2019-05-27 | 2024-03-26 | 中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站 | 一种激光测距系统的延时值实时标效系统、方法及装置 |
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