一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术属于激光测距技术领域，具体涉及一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置。所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。提高了系统精度，改善了系统的稳定性及有效性。

A Satellite Laser Ranging System, Method and Device with Real-time Controllable Signal Echo Rate

【技术实现步骤摘要】
一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置
本专利技术属于激光测距
，具体涉及一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置。
技术介绍
作为目前空间大地测量技术中测量精度最高的技术之一，卫星激光测距(SLR)技术是一项综合技术，涵盖激光、电子、微光探测、自动控制、精密光学机械、天文测量和卫星轨道计算等多个学科领域,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。目前，SLR系统主要由激光器、望远镜和跟踪机架、单光子探测和时间测量、控制和监视、卫星预报和数据处理等五个子系统组成。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。作为评价SLR系统性能的重要指标，系统的测距精度主要由激光器输出的激光脉宽的上升时间抖动，主波取样定比的时间游动，精密时间间隔计数器的测时精度，星体质心修正的不确定性，光电头的时间抖动，接收定比的时间游动，及大气修正的精度的影响等决定，由电子测量理论可以得出，系统的测距精度为：其中，△σ1：激光器输出的激光脉宽的上升时间的抖动；△σ2：主波取样定比的时间游动；△σ3：精密时间间隔计数器的测时精度；△σ4：星体质心修正的不确定性，此值一般很小，如对LAGEOS为2-3mm(20ps)；△σ5:光电头的时间抖动；△σ6：接收定比的时间游动；△σ7：大气修正的精度的影响。可见，为了提高系统测距精度，减小系统误差，消除系统器件的时间抖动是一条有效途径。目前，绝大部分测站，包括欧洲、澳大利亚、日本以及所有的中国测站均采用SPAD作为系统的探测器件。SPAD作为激光回波的探测器，对数据偏差的影响主要体现在探测器存在时间游动，即由于入射到探测器的激光脉冲分布不同，渡越时间不同以及电子学抖动时间不同，探测器响应时间不同。由文献可知，SPAD在不同回波光子下对应的响应曲线较陡，响应时间较短。反之，单光子情况下，响应时间较长。当光子入射SPAD后，会产生不同响应的时间，就是时间游动。在不同脉冲强度情况下输出脉冲上升时间的比较。强度大的脉冲时间响应快。有文献指出，随着回波率提高，SLR系统测距精度逐渐减小后趋于不变，但过高的回波率对SLR探测系统的探测器及高灵敏度器件将造成不可逆转的损害及硬破坏。在实际工作中，SLR是一个非常复杂的过程，回波率受激光强度、激光光束的发散角、大气湍流、大气传输特性、观测目标特性、望远镜指向误差、距离、接收孔径大小等多种因素的影响。对于一个硬件参数确定的系统，影响系统信号回波率的主要因素为激光的观测目标特性及大气传输特性等。根据激光测距方程，回波能量与距离的四次方成反比。对于不同的观测目标，如几百公里的近地星、上万公里的地球同步卫星、月球或深空探测的中继星，系统的回波率明显不同。探测器接收到的光子数可从上百万光子到不足1个光子，远超出高灵敏探测器的动态范围。对于同一观测目标，携带角反射器的人造卫星沿着飞行轨道运转，观测距离由远及近再到远。如果发射系统的光功率保持恒定，那么系统的回波率将随着观测距离变化。当观测距离较远时，系统接收到的回波信号率降低，虚警率增大；相反，当观测距离较近时，回波光子数较多，接收系统的探测器饱和，时间抖动值增大，系统测距精度及准确度下降。对于激光的大气传输特性，大气环境中充满了各种粒子，其主要变现为对激光的吸收、散射和湍流三个方面。在SLR系统中，发射系统的光功率保持恒定，当天气变化对传输光的功率衰减增大时，系统回波率降低，探测器将不能有效地识别信号，虚警率上升。反之，当天气变化对传输光的功率衰减小时，系统回波率变高，探测器可能饱和，同时将引起器件的损伤或破坏。另外，对于一些受控卫星，如Sentinel–3A、IRNSS卫星等，其星载探测器对SLR系统发射的激光能量更为敏感。有文献指出，高功率重频秒冲激光容易对星载探测器形成有效干扰和永久性损伤。因此，在对此类卫星观测时，对系统的激光发射能量进行合理的控制是十分必要的。综上，如果SLR系统的激光功率可根据大气环境及观测目标的特性进行自动、实时、准确地调整，将回波率控制到一个固定的范围内，不仅可以减小或消除由回波率大范围变化引起的时间抖动，减小SLR系统的测量误差，提高测距精度，更可以减小系统的器件损耗，增加系统使用寿命，改善系统的工作效率，保证卫星观测过程的顺利进行。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统、方法及装置，。为达到上述目的，本专利技术的技术方案是这样实现的：一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。进一步的，所述接收望远镜的焦点上安装有光电头。进一步的，所述系统还包括：导向光路；所述导向光路用于将激光器产生的光脉冲导入激光能量控制系统中。进一步的，所述系统还包括：时钟电路；所述时钟电路与所述主波取样电路连接。进一步的，所述系统还包括：卫星预报和数据处理系统、上位机和接口；所述上位机通过接口分别与所述卫星预报数据处理系统、计数器、时钟电路和回波信号模拟系统连接。一种信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，所述方法执行以下步骤：步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤；步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤。进一步的，所述步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤包括：步骤S1.1：使用激光器产生光脉冲；通过导向光路使得光脉冲进入激光能量控制系统；步骤S1.2：使用回波信号综合模拟系统根据当前观测目标信息、大气条件及卫星激光测距系统的状态参数，实时估算卫星激光测距系统接收到的平均光子数，并对激光能量控制系统输出衰减信号；步骤S1.3：激光能量控制系统根据衰减信号，判断衰减值的大小，对激光器的光功率进行实时自动控制，进而控制光脉冲的功率。进一步的，所述步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤执行以下步骤：步骤S2.1：光脉冲经过激光能量控制系统后，进入到发射望远镜，然后发射望远镜将其射向带有角反射器的人造卫星；同时，从发射的光脉冲中取出一部分，通过主波取样电路形成两路电脉冲；其中一路电脉冲，用于启动时间间隔计数器，作为开门信号，计数器开始计时；另一路电脉冲用于从时钟中取样，记录激光发射时刻；步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。

【技术特征摘要】
1.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：激光器、激光能量控制系统、回波信号综合模拟系统、发射望远镜、主波取样电路、计数器，接收望远镜、主波取样电路和计数器；所述激光器用于产生光脉冲，与所述激光能量控制系统连接，产生的光脉冲将进入所述激光能量控制系统中；所述激光能量控制系统分别与回波信号综合模拟系统、发射望远镜和主波取样电路连接；所述主波取样电路和所述计数器连接；所述计数器与所述接收望远镜连接。2.如权利要求1所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述接收望远镜的焦点上安装有光电头。3.如权利要求1所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：导向光路；所述导向光路用于将激光器产生的光脉冲导入激光能量控制系统中。4.如权利要求1所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：时钟电路；所述时钟电路与所述主波取样电路连接。5.如权利要求1或2或3或4所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距系统，其特征在于，所述系统还包括：卫星预报和数据处理系统、上位机和接口；所述上位机通过接口分别与所述卫星预报数据处理系统、计数器、时钟电路和回波信号模拟系统连接。6.一种信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤；步骤S2：将产生的光脉冲进行发射和接收，测量发射和接收时光脉冲的时间参数，利用测量到的时间参数进行激光测距的步骤。7.如权利要求6所述的信号回波率实时可控的卫星激光测距方法，其特征在于，所述步骤S1：产生光脉冲，及对产生的光脉冲的功率进行自动控制的步骤包括：步骤S1.1：使用激光器产生光脉冲；通过导向光路使得光脉冲进入激光能量控制系统；步骤S1...

【专利技术属性】
技术研发人员：安宁，
申请(专利权)人：中国科学院国家天文台长春人造卫星观测站，
类型：发明
国别省市：吉林,22