上海天文臺(tái)近紅外波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距研究進(jìn)展

吳志波, 龍明亮, 張海峰?, 耿仁方,2, 張忠萍

(1. 中國(guó)科學(xué)院上海天文臺(tái), 上海200030; 2. 南京信息工程大學(xué), 南京210044;3. 中國(guó)科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京210008)

1 引言

隨著全球空間技術(shù)的發(fā)展, 越來(lái)越多的飛行器被發(fā)射到地球外圍空間, 使得地球軌道內(nèi)無(wú)任何功能和作用的空間碎片越來(lái)越多, 包括火箭體、 失效的衛(wèi)星以及航天器在軌解體碎片等[1-3]。 根據(jù)美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA) 軌道碎片計(jì)劃組織發(fā)布的空間物體跟蹤編目數(shù)據(jù)來(lái)看, 自1957 年開始,空間物體的數(shù)目逐年增多, 據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)估計(jì), 尺寸10cm 以上的空間在軌物體總數(shù)已超過(guò)17000個(gè)[4,5]。 2019 年初, 美國(guó)新的“太空籬笆” 雷達(dá)系統(tǒng)將編目中的空間碎片數(shù)目從以前的23000 塊增加到了200000 塊, 并且還有明顯的持續(xù)增加趨勢(shì)。隨著航天技術(shù)的快速發(fā)展, 空間碎片已嚴(yán)重威脅到了在軌航天器的安全, 成為國(guó)際關(guān)注的問(wèn)題, 很多國(guó)家陸續(xù)開展了空間碎片探測(cè)技術(shù)研究。

相比微波雷達(dá)和光電探測(cè)等常規(guī)空間碎片監(jiān)測(cè)手段, 激光測(cè)距技術(shù)對(duì)空間碎片目標(biāo)測(cè)量精度要高1 ～2 個(gè)數(shù)量級(jí), 十分有利于空間碎片目標(biāo)識(shí)別和編目, 對(duì)提升空間碎片軌道預(yù)報(bào)精度和航天器機(jī)動(dòng)規(guī)避成功率, 減少航天器的機(jī)動(dòng)次數(shù)具有重要作用[6,7]。 目前, 地基空間碎片激光測(cè)距技術(shù)得到了快速發(fā)展, 美國(guó)、 澳大利亞、 奧地利、俄羅斯、 波蘭和中國(guó)等國(guó)家均發(fā)展了空間碎片高精度激光測(cè)距技術(shù)[8-10]。 上海天文臺(tái)積極瞄準(zhǔn)國(guó)際空間碎片激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展, 在國(guó)內(nèi)率先發(fā)展了空間碎片激光測(cè)距技術(shù), 于2008 年7 月在國(guó)內(nèi)首次成功實(shí)現(xiàn)了900km 左右空間碎片激光測(cè)距,測(cè)距精度約1m[11]。 在此基礎(chǔ)上對(duì)該技術(shù)進(jìn)行了發(fā)展和應(yīng)用, 采用532nm 波長(zhǎng)輸出功率60W 激光器技術(shù)等實(shí)現(xiàn)了空間碎片常規(guī)觀測(cè)能力[12,13]; 云南天文臺(tái)和國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站先后實(shí)現(xiàn)了空間碎片激光測(cè)量[14,15]。

空間碎片對(duì)入射激光信號(hào)進(jìn)行漫反射, 只有極少數(shù)信號(hào)沿入射方向返回, 使得回波信號(hào)微弱。 因此, 空間碎片激光測(cè)距需要高的激光器功率。 對(duì)于532nm 波長(zhǎng)空間碎片激光觀測(cè), 其532nm 波長(zhǎng)激光是由1064nm 波長(zhǎng)基頻光倍頻而來(lái), 由于倍頻晶體效率和損傷閾值問(wèn)題使得532nm 波長(zhǎng)激光器在窄脈沖高功率方面受限, 難以滿足遠(yuǎn)距離、 小尺寸碎片目標(biāo)測(cè)量需求。

對(duì)于1064nm 波長(zhǎng)激光, 在激光能量、 大氣傳輸、 背景噪聲和回波光子數(shù)等方面優(yōu)勢(shì)明顯, 國(guó)際上開展了近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距技術(shù)研究。 2003 年,澳大利亞光電系統(tǒng)控股有限公司(EOS) 斯特姆洛山測(cè)距站采用1.8m 口徑望遠(yuǎn)鏡, 使用50Hz 重復(fù)率、 100W 功率、 1064nm 波長(zhǎng)激光器成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)等效距離1000km、 直徑10cm 空間碎片目標(biāo)的測(cè)距, 測(cè)距精度為分米級(jí)[16]。 國(guó)內(nèi)上海天文臺(tái)和云南天文臺(tái)近些年進(jìn)行了近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距技術(shù)相關(guān)研究。 2016 年7—8 月上海天文臺(tái)利用重復(fù)頻率200Hz、 輸出功率40W、 脈沖寬度為5.5ns 的1064nm 激光器, 在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)軌道高度400 ～36000km 合作目標(biāo)以及低軌碎片目標(biāo)測(cè)量試驗(yàn)[17]。 2016 年2—3 月, 云南天文臺(tái)利用超導(dǎo)納米線探測(cè)器(SNSPD), 實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同軌道高度衛(wèi)星的測(cè)距試驗(yàn); 2017 年3—5 月, 利用百瓦功率納秒1064nm 波長(zhǎng)激光器, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)空間碎片目標(biāo)探測(cè)[18]。

在此基礎(chǔ)上, 上海天文臺(tái)從2018 年開展了高重復(fù)率、 高精度空間碎片近紅外激光測(cè)距技術(shù)研究, 旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)距離小尺寸空間碎片的亞分米精度激光探測(cè)。 通過(guò)設(shè)計(jì)研制了532nm/1064nm雙波長(zhǎng)消色差發(fā)射系統(tǒng), 應(yīng)用于532nm 引導(dǎo)1064nm 波長(zhǎng)光束指向監(jiān)視與精確瞄準(zhǔn), 研制高精度近紅外波段信號(hào)探測(cè)器等, 分別利用1kHz 重復(fù)率、 8W 功率和40W 功率的1064nm 激光器開展了空間碎片激光測(cè)量試驗(yàn)。 對(duì)比分析了8W@1064nm 與60W@532nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距結(jié)果, 驗(yàn)證了近紅外波長(zhǎng)激光技術(shù)在空間碎片探測(cè)能力和噪聲水平方面的優(yōu)勢(shì)。

2 近紅外波長(zhǎng)(1064nm) 激光測(cè)距技術(shù)

2.1 技術(shù)特點(diǎn)

激光測(cè)距系統(tǒng)使用的532nm 波長(zhǎng)激光由基頻1064nm 波長(zhǎng)光倍頻而來(lái), 激光倍頻器件轉(zhuǎn)換效率通常不超過(guò)50%, 這直接導(dǎo)致激光器輸出功率減少一倍。 在激光器其他指標(biāo)不變的情況下, 采用1064nm 波長(zhǎng)激光, 則輸出功率可提高近一倍左右[20]。 由于避開了倍頻器件的損傷及激光偏振態(tài), 易于實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出。 此外, 每焦耳光子數(shù)和波長(zhǎng)成反比, 對(duì)于相同能量的激光信號(hào),1064nm 波長(zhǎng)光子數(shù)為532nm 的2 倍, 這對(duì)于微弱回波信號(hào)的空間碎片激光測(cè)距來(lái)說(shuō)也十分重要。

在大氣透過(guò)率方面, 1064nm 波長(zhǎng)激光也具有明顯優(yōu)勢(shì), 在垂直高度上, 1064nm 波長(zhǎng)和532nm波長(zhǎng)激光的大氣透過(guò)率分別約為0.991 和0.812;在觀測(cè)仰角20°時(shí), 1064nm 的雙程透過(guò)率為532nm 的3.5 倍左右[21]。 而且, 532nm 波長(zhǎng)激光大氣透過(guò)率隨仰角變化大, 低仰角時(shí)較差, 而1064nm 波長(zhǎng)激光的大氣透過(guò)率基本不隨仰角變化, 即使在低仰角時(shí), 透過(guò)率也很高。 因此, 利用1064nm 波長(zhǎng)進(jìn)行激光測(cè)距, 觀測(cè)弧段能覆蓋較低的仰角, 增加了觀測(cè)弧段的長(zhǎng)度。

在背景噪聲方面, 根據(jù)太陽(yáng)光輻射光譜可知,532nm 波長(zhǎng)和1064nm 波長(zhǎng)分別為1.37W·m-2·nm-1和0.64W·m-2·nm-1, 可以看出1064nm 波長(zhǎng)的太陽(yáng)光噪聲強(qiáng)度僅為532nm 的45%。 如果采用1064 nm 激光測(cè)距, 同樣的濾波效果下1064nm 波長(zhǎng)附近的噪聲強(qiáng)度將減半, 可以獲得更高的激光回波信噪比, 有利于提升目標(biāo)信號(hào)探測(cè)能力, 如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)組成

空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)如圖2 所示, 主要由激光器、 接收望遠(yuǎn)鏡、 伺服控制系統(tǒng)、 測(cè)距控制計(jì)算機(jī)、 光子探測(cè)器和計(jì)時(shí)器等組成。 激光器輸出激光信號(hào), 經(jīng)折軸發(fā)射系統(tǒng)傳輸, 精確瞄準(zhǔn)空間目標(biāo), 空間目標(biāo)反射信號(hào)由接收系統(tǒng)接收, 并經(jīng)光電轉(zhuǎn)換輸出回波信號(hào); 事件計(jì)時(shí)器完成激光發(fā)射和接收時(shí)刻的記錄, 生成空間目標(biāo)到地面站點(diǎn)的高精度距離信息。 相比532nm 激光測(cè)距系統(tǒng), 1064nm 波長(zhǎng)激光測(cè)距需在激光器、 發(fā)射光路系統(tǒng)(包含發(fā)射望遠(yuǎn)鏡)、 光子探測(cè)器和激光接收系統(tǒng)等子系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)與提高。

圖1 不同波長(zhǎng)大氣透過(guò)率以及太陽(yáng)光輻射強(qiáng)度譜分布Fig.1 The atmospheric transmissivity for different wavelengths and spectrum intensity of solar radiation

圖2 空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)組成圖Fig.2 The sketch of space debris laser ranging system

2.2.1 近紅外波長(zhǎng)激光器

高功率激光器是空間碎片激光測(cè)距分系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件, 是測(cè)距系統(tǒng)的心臟, 置于凈化間中的固定平臺(tái)上, 用于產(chǎn)生穩(wěn)定的、 高質(zhì)量的激光脈沖信號(hào), 經(jīng)激光折軸系統(tǒng)、 激光發(fā)射望遠(yuǎn)鏡射向空間目標(biāo), 如圖3 所示。

上海天文臺(tái)在現(xiàn)有4.2W@1kHz、 532nm 波長(zhǎng)皮秒激光器基礎(chǔ)上, 通過(guò)調(diào)節(jié)激光倍頻晶體LBO, 輸出1064nm 波長(zhǎng)基頻光。

目前在所有倍頻晶體中, LBO 晶體擁有倍頻光與基頻光最小的走離角, 即532nm 與1064nm兩光束的重合度最高。 圖4 中角α 為倍頻過(guò)程中532nm 與1064nm 波長(zhǎng)的分離角, 通常在角秒級(jí)。此外, LBO 晶體具有較高的損傷閾值, 在非線性激光頻率轉(zhuǎn)換廣泛使用。

圖3 皮秒激光器光學(xué)原理圖Fig.3 The inner optical principle of pico-second laser system

2019 年, 通過(guò)上述方法, 獲得了8W 的1064nm 基頻光輸出, 為空間碎片近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距提供了激光源。 同時(shí), 由于少量532nm 波長(zhǎng)激光輸出, 且與1064nm 波長(zhǎng)激光平行, 通過(guò)調(diào)節(jié)532nm 波長(zhǎng)激光發(fā)射光路實(shí)現(xiàn)對(duì)1064nm 波長(zhǎng)激光的引導(dǎo)。

圖4 激光倍頻中1064nm 與532nm 波長(zhǎng)光的走離角Fig.4 The angle between 1064nm and 532nm wavelength laser

2.2.2 近紅外波長(zhǎng)單光子探測(cè)器

目前在空間合作目標(biāo)激光測(cè)距領(lǐng)域普遍使用的是基于硅材料的單光子探測(cè)器, 光敏面直徑200μm, 暗噪聲約200k, 量子效率(532nm) 為20%, 探測(cè)精度高達(dá)毫米級(jí)。 對(duì)于空間碎片測(cè)距,激光回波信號(hào)微弱, 這要求探測(cè)器具有高探測(cè)效率和低暗噪聲的特性, 同時(shí)具備高精度測(cè)量特性, 因此上述單光子探測(cè)器對(duì)可見532nm 波段響應(yīng), 不能滿足1064nm 波段激光的接收能力。為此, 選用了具有近紅外波段激光響應(yīng)能力的InGaAs 材料APD 單光子探測(cè)器, 探測(cè)效率和時(shí)間抖動(dòng)分別約為20%和70ps, 滿足空間目標(biāo)回波探測(cè)和測(cè)距精度要求。 所采用的近紅外波段單光子探測(cè)器及性能參數(shù)如圖5 所示。

圖5 InGaAs-APD 近紅外波段單光子探測(cè)器Fig.5 The near infrared single photon detection with InGaAs-APD

2.2.3 1064nm 波長(zhǎng)激光指向監(jiān)視與瞄準(zhǔn)

對(duì)于1064nm 波長(zhǎng)激光, 人眼看不見, 且可見光導(dǎo)星監(jiān)視器無(wú)法對(duì)激光束指向監(jiān)視, 影響了1064nm 波長(zhǎng)激光對(duì)衛(wèi)星的精確指向與瞄準(zhǔn), 為此建立了532nm 波長(zhǎng)激光引導(dǎo)1064nm 波長(zhǎng)激光瞄準(zhǔn)系統(tǒng)。 通過(guò)應(yīng)用532nm 波長(zhǎng)可見光的發(fā)射光路, 確定發(fā)射光路的空間兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)P1、 P2。 然后導(dǎo)入1064nm 紅外激光, 當(dāng)1064nm 波長(zhǎng)激光與基準(zhǔn)激光光路不重合時(shí), 通過(guò)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)點(diǎn)P1 和P2 所對(duì)應(yīng)的光學(xué)鏡M1 和M2, 實(shí)現(xiàn)1064nm 激光傳輸方向與基準(zhǔn)光路的重合 (重復(fù)度可小于10arcsec)。 通過(guò)可見光監(jiān)視器對(duì)532nm 波長(zhǎng)激光信號(hào)監(jiān)視, 引導(dǎo)1064nm 波長(zhǎng)激光指向與瞄準(zhǔn)。

圖6 532nm 波長(zhǎng)激光引導(dǎo)1064nm 波長(zhǎng)激光瞄準(zhǔn)Fig.6 The collimation of 1064nm wavelength laser guided by 532nm wavelength laser

3 近紅外波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距試驗(yàn)

3.1 空間碎片激光測(cè)距結(jié)果

利用8W@ 1kHz、 1064nm 皮秒激光器和InGaAs-APD 近紅外波段探測(cè)器搭建的近紅外波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng), 以兩行根數(shù)(TLE)作為碎片目標(biāo)引導(dǎo)數(shù)據(jù), 實(shí)現(xiàn)了多圈次空間碎片近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距, 空間碎片激光觀測(cè)結(jié)果如圖7 所示。

圖8 給出了2019 年1 月22 日、 1 月24 日和1 月27 日三天內(nèi)利用1064nm 波長(zhǎng)激光(8W@1kHz) 測(cè)得的空間碎片的結(jié)果, 最遠(yuǎn)探測(cè)距離為2600km。 根據(jù)激光測(cè)距雷達(dá)方程, 激光回波數(shù)與目標(biāo)橫截面積成正比、 與距離四次方成反比的關(guān)系, 將1064nm 波長(zhǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果等效成雷達(dá)截面積1m2對(duì)應(yīng)的最遠(yuǎn)徑向距離, 最遠(yuǎn)等效距離為1518km (ID:39411), 如圖8 (a) 所示。 結(jié)合圖8 (b) 可知, 空間碎片目標(biāo)測(cè)距精度約50 ～100cm, 其中最好的測(cè)距精度為48.6cm(ID: 20788)。

圖7 1064nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距結(jié)果Fig.7 The measuring result of laser ranging to space debris with 1064nm wavelength

圖8 8W@1kHz 納秒激光近紅波長(zhǎng)空間碎片觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)Fig.8 The statistics of ranging to space debris by 8W@1kHz pico-pulse width laser

3.2 空間碎片激光測(cè)距性能分析

3.2.1 測(cè)距噪聲比對(duì)分析

圖9 給出了分別采用1064nm 波長(zhǎng)單光子探測(cè)器和532nm 單光子探測(cè)器在白天時(shí)段噪聲分布情況(望遠(yuǎn)鏡指向與太陽(yáng)位置夾角50°), 其中,兩個(gè)探測(cè)器采用相同的接收視場(chǎng); 1064nm 波長(zhǎng)探測(cè)器使用2nm 帶寬濾光片、 532nm 波長(zhǎng)探測(cè)器使用0.15nm 帶寬濾光片。 根據(jù)測(cè)量結(jié)果, 對(duì)于532nm 波長(zhǎng)探測(cè)器, 當(dāng)門控信號(hào)發(fā)出時(shí)(探測(cè)器開始工作), 由于系統(tǒng)噪聲強(qiáng), 瞬間被噪聲信號(hào)觸發(fā)而導(dǎo)致后續(xù)有效回波信號(hào)無(wú)法再被探測(cè); 對(duì)于1064nm 波長(zhǎng)探測(cè)器, 由于系統(tǒng)噪聲弱, 探測(cè)器開始工作后, 有較長(zhǎng)探測(cè)時(shí)間, 利于有效回波信號(hào)接收。 這對(duì)于軌道預(yù)報(bào)精度不高的空間碎片目標(biāo)觀測(cè)尤為重要, 可設(shè)置較寬的距離門對(duì)目標(biāo)距離誤差進(jìn)行搜索, 也體現(xiàn)了1064nm 波長(zhǎng)激光在空間碎片激光測(cè)距的優(yōu)勢(shì)。

圖9 1064nm 波長(zhǎng)探測(cè)器與532nm 波長(zhǎng)探測(cè)器白天條件下噪聲對(duì)比Fig.9 The comparison of noises produced by 1064nm and 532nm wavelength detector in daylight

3.2.2 激光探測(cè)能力對(duì)比分析

(1) 探測(cè)能力理論分析

結(jié)合空間碎片激光測(cè)距雷達(dá)方程和地面測(cè)量系統(tǒng)最低回波光子數(shù)探測(cè)閾值, 可分析近紅外波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)能力。 空間碎片激光測(cè)距雷達(dá)方程如下[23]:

其中, Gt為發(fā)射系統(tǒng)增益:

式中, n0為系統(tǒng)可接收的平均光電子數(shù); ηq為探測(cè)器效率; λ 為激光波長(zhǎng); h 為普朗克常數(shù), 取6.626 ×10-34J·s; c 為光速, 取3 ×108m/s; Et為激光脈沖能量; Ar為接收系統(tǒng)的有效面積, 取0.251 m2; σ 為空間目標(biāo)截面積; θt為激光發(fā)散角; R 為目標(biāo)徑向距離; Ta為單程大氣透過(guò)率;nt為激光發(fā)射光學(xué)效率; nr為系統(tǒng)接收光學(xué)效率; θ 為發(fā)射光束指向偏差, 取0.5arcsec。 根據(jù)激光測(cè)距雷達(dá)方程及表1 給出的532nm 和1064nm 波長(zhǎng)激光對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù), 對(duì)于同一目標(biāo)在相同距離情況下, 假定60W@200Hz、 532nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)每秒鐘可獲得N0個(gè)回波數(shù), 則8W@ 1kHz、1064nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)每秒鐘探測(cè)回波數(shù)約為0.15 N0。

(2) 探測(cè)能力實(shí)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)激光測(cè)距雷達(dá)方程, 在相同激光回波數(shù)情況下, 激光測(cè)距系統(tǒng)可探測(cè)的目標(biāo)尺寸與目標(biāo)距離平方成反比。 根據(jù)此關(guān)系對(duì)比分析了8W@1kHz、1064nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)與60W@200Hz、 532nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)實(shí)際觀測(cè)結(jié)果, 分別將532nm 波長(zhǎng)和1064nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)探測(cè)目標(biāo)尺寸等效成50cm時(shí)可探測(cè)的最遠(yuǎn)距離, 計(jì)算結(jié)果如圖10 所示。 由圖可知, 對(duì)于尺寸50cm 空間目標(biāo), 1064nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)可探測(cè)最遠(yuǎn)距離為750km; 532nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)可探測(cè)最遠(yuǎn)距離為1300km。 因此8W@1kHz、1064nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)探測(cè)能力是60W@200Hz、532nm 波長(zhǎng)測(cè)距系統(tǒng)的(750/1300)4≈0.11 倍, 這與前節(jié)理論分析的探測(cè)能力結(jié)果(0.15 倍) 基本相符, 驗(yàn)證了近紅外波長(zhǎng)激光探測(cè)理論, 可作為近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距系統(tǒng)對(duì)空間目標(biāo)探測(cè)能力的評(píng)估依據(jù)。

圖10 532nm 波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)(60W@200Hz) 和1064nm 波長(zhǎng)探測(cè)系統(tǒng)(8W@1kHz) 探測(cè)能力分析(接收口徑為60cm)Fig.10 The detection ability of 532nm (60W@200Hz)and 1064nm (8W@1kHz) laser ranging systems with the receiving aperture of 60cm

3.3 千赫茲重復(fù)率40W、 1064nm 波長(zhǎng)激光器系統(tǒng)測(cè)量試驗(yàn)

為開展遠(yuǎn)距離小尺寸碎片目標(biāo)、 亞分米級(jí)精度測(cè)量研究, 2020 年8 月合作研制了1kHz 重復(fù)率、 輸出功率達(dá)40W、 1064nm 波長(zhǎng)激光器系統(tǒng),激光脈寬約100ps。 應(yīng)用該激光器系統(tǒng)開展了空間碎片測(cè)量試驗(yàn), 實(shí)現(xiàn)了數(shù)圈次的空間碎片激光測(cè)量, 其中對(duì)一顆失效的銥星目標(biāo)測(cè)量, 測(cè)距精度達(dá)亞分米級(jí)(9cm), 最遠(yuǎn)距離達(dá)2600km, 測(cè)量結(jié)果如圖11 所示, 初步驗(yàn)證了該激光器系統(tǒng)在空間碎片激光測(cè)距的高精度特性。 在此基礎(chǔ)上,上海天文臺(tái)還將繼續(xù)優(yōu)化該激光器的光束質(zhì)量以及系統(tǒng)接收性能, 提升現(xiàn)有1064nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)的探測(cè)能力, 應(yīng)用于遠(yuǎn)距離小尺寸空間碎片的高精度探測(cè), 為發(fā)揮1064nm 波長(zhǎng)低背景噪聲技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

4 總結(jié)

表1 上海天文臺(tái)532nm 和1064nm 波長(zhǎng)激光測(cè)距系統(tǒng)參數(shù)[5]Table 1 The specifications of laser ranging system for 532nm and 1064nm at Shanghai Observatory

相比532nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng),1064nm 波長(zhǎng)激光在信噪比以及探測(cè)能力等方面優(yōu)勢(shì)明顯, 對(duì)促進(jìn)高精度激光測(cè)距技術(shù)在空間碎片軌道精密測(cè)量具有重要作用。 基于532nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距技術(shù), 上海天文臺(tái)在國(guó)內(nèi)率先發(fā)展了1064nm 波長(zhǎng)激光測(cè)距技術(shù), 建立了近紅外波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距試驗(yàn)系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了空間碎片目標(biāo)測(cè)量。 通過(guò)對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果的比對(duì)分析,驗(yàn)證了1064nm 波長(zhǎng)激光測(cè)距系統(tǒng)測(cè)量能力。 為發(fā)展遠(yuǎn)距離小尺寸目標(biāo)亞分米級(jí)精度測(cè)量研究, 合作研制了千赫茲重復(fù)率, 輸出功率40W、 1064nm 波長(zhǎng)皮秒激光器系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了最遠(yuǎn)2600km 以及失效銥星目標(biāo)的亞分米級(jí)精度測(cè)量。 在此基礎(chǔ)上, 還將繼續(xù)優(yōu)化該激光器系統(tǒng)光束質(zhì)量、 激光發(fā)射系統(tǒng)、 信號(hào)接收與探測(cè)性能, 研究該激光器系統(tǒng)對(duì)空間碎片探測(cè)能力, 應(yīng)用于遠(yuǎn)距離小尺寸空間碎片的高精度探測(cè); 充分發(fā)揮近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距技術(shù)的高測(cè)量精度、 強(qiáng)探測(cè)能力以及噪聲低等優(yōu)勢(shì), 為發(fā)展白天觀測(cè)條件下的空間碎片激光測(cè)距技術(shù)奠定基礎(chǔ)。

圖11 40W@1kHz 激光器系統(tǒng)對(duì)銥星目標(biāo)測(cè)距結(jié)果Fig.11 The measuring result of ranging to disable Iridium by using 40W@1kHz laser system