共光路高重頻激光測距主回波重疊現(xiàn)象的計算機仿真*

張海濤，李祝蓮

(1. 中國科學院云南天文臺，云南 昆明 650011；2. 中國科學院研究生院，北京 100049)

高重頻激光測距技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，它通過增加測距頻率來增加觀測數(shù)據(jù)和提高標準點精度，觀測數(shù)據(jù)量的增加，可以有效提高標準點的精度，利于衛(wèi)星的精密定軌，是激光測距的發(fā)展方向之一[1]。在國家重大科技基礎(chǔ)設施建設項目——《中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡》的支持下，2010年研究組在云南天文臺1.2 m望遠鏡上成功實現(xiàn)了kHz激光測距系統(tǒng)，并進入常規(guī)觀測。

高重頻激光測距中，上一個激光脈沖的回波未返回測站前下一個激光脈沖已離開測站飛向測距目標，如此將出現(xiàn)回波時刻與主波時刻重疊的現(xiàn)象。本文根據(jù)共光路激光測距的特點，并結(jié)合衛(wèi)星軌道預報值，對1.2 m望遠鏡共光路高重頻激光測距系統(tǒng)跟蹤低軌、中高軌及深空目標時主回波重疊現(xiàn)象分別進行計算機仿真研究，對共光路激光測距的特點進行了詳細的闡述，得出主回波重疊現(xiàn)象發(fā)生的條件并采用計算機軟件編程獲得在各種目標激光測距時的重疊概率。

1 高重頻收/發(fā)共光路激光測距

高重復頻率激光測距是利用高發(fā)射頻率、低脈沖能量的激光器代替?zhèn)鹘y(tǒng)的低發(fā)射頻率、高脈沖能量的激光器，實現(xiàn)高數(shù)據(jù)獲取率、高命中率和高精度的觀測[2]。

云南天文臺1.2 m望遠鏡高重頻激光測距系統(tǒng)采用收/發(fā)共光路的測距方式，光路如圖1[3-4]。激光器發(fā)射激光時，小部分激光經(jīng)過PIN主波探測器產(chǎn)生主波信號，并通過事件計時器記錄主波時刻；大部分激光則通過激光發(fā)射光路飛往測距目標，激光脈沖被測距目標反射后回到望遠鏡接收光路系統(tǒng)，由C-SPAD單光子探測器轉(zhuǎn)換成回波信號，并由事件計時器記錄回波時刻；然后根據(jù)事件計時器給出的主回波時刻和目標軌道預報值，計算激光脈沖的飛行時間。這是完成單次測距的整個過程。

1.2 m望遠鏡共光路高重頻(KHz)激光測距是由原來傳統(tǒng)激光測距的基礎(chǔ)上升級而成[5]，例如kHz激光器、事件計時器和高速旋轉(zhuǎn)快門代替原來的低頻激光器、時間計時器和低速轉(zhuǎn)鏡等。其中旋轉(zhuǎn)快門是實現(xiàn)共光路高重頻激光測距的關(guān)鍵技術(shù)之一，它是在旋轉(zhuǎn)快門邊緣開設多個小孔，當小孔位于光路中時系統(tǒng)處于發(fā)射光路，一旦小孔轉(zhuǎn)過光路位置則系統(tǒng)處于接收光路。測距過程中，該快門在電機的控制下，一直處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實現(xiàn)收/發(fā)光路的快速均勻更替，并提供發(fā)射激光的同步指令信號。

圖1 1.2 m望遠鏡激光測距光路圖

Fig.1 Optical paths of the 1.2m Telescope SLR

隨著測距重復頻率的提高，可能出現(xiàn)發(fā)射激光的瞬間有回波到達探測器(即回波到達時刻與激光發(fā)射時刻重疊)的情況,然而對于共光路激光測距系統(tǒng)，此時旋轉(zhuǎn)快門處于發(fā)射光路中,故此刻回來的回波將被丟失，從而部分地降低了探測成功的概率。

2 共光路高重頻激光測距主回波重疊率仿真研究

2.1 轉(zhuǎn)鏡同步信號

為了研究主波時刻與回波時刻重疊的條件，需對旋轉(zhuǎn)快門產(chǎn)生的同步信號進行研究。圖2為旋轉(zhuǎn)快門同步信號使用示波器的測量結(jié)果，輸出為TTL電平信號，高電平表示處于接收光路，低電平表示處于發(fā)射光路。從圖中可以看出，測距頻率為999.749 Hz(屬于kHz測距)，低電平時間約為80 μs。

圖2 旋轉(zhuǎn)快門同步信號

Fig.2 Synchronizing signal of the shutter

2.2 主波和回波時刻發(fā)生重疊的條件

在這里把回波時刻接近主波時刻并且回波出現(xiàn)丟失的情況視為二者“重疊”，主波和回波時刻接近的情況有3種：(1)主波時刻與回波時刻相同，此時回波信號必定丟失；(2)回波時刻在主波時刻的前面，此時發(fā)射激光對回波信號的接收已不再造成影響；(3)回波時刻在主波時刻后面，此時如果回波在同步信號的低電平時間內(nèi)，則回波信號將被丟失。因此得出主波和回波時刻“重疊”的條件如(1)式：

(1)

式中，trm回波時刻；tn為主波時刻。

2.3 仿真數(shù)據(jù)生成

結(jié)合測距目標軌道預報，對于任意一個激光發(fā)出時刻，可以計算得出該激光脈沖到衛(wèi)星并返回測站望遠鏡的時刻。對kHz激光測距，假定每個脈沖的周期嚴格為1 ms(實際應用中可能因為旋轉(zhuǎn)快門的各小孔機械加工不均勻等造成有微小差別)，選定某一時刻作為第一個激光發(fā)射時刻，即可得出后面的激光發(fā)射時刻序列，對預報數(shù)據(jù)進行插值計算，得到相應的回波到達時刻序列。

回波到達時刻序列的簡單產(chǎn)生方法：根據(jù)衛(wèi)星軌道預報已知激光發(fā)射時刻為t0、激光脈沖飛行時間為r0、下一激光發(fā)射時刻為t1及其激光脈沖飛行時間為r1，設任意一主波時刻t，其回波時刻為tr，且t∈(t0,t1)，根據(jù)(2)式可得回波時刻tr：

(2)

3 仿真結(jié)果

文中選取了在國際激光測距網(wǎng)中的一些目標進行主回波重疊現(xiàn)象的計算機仿真，例如：近地衛(wèi)星AJISAI、中軌衛(wèi)星LAGEOS1、高軌衛(wèi)星GLONASS118。同時還選取了月面反射器APOLLO15進行主回波重疊現(xiàn)象的計算機仿真。

圖3～6為部分仿真結(jié)果，在圖中，橫坐標表示目標在1.2 m望遠鏡激光測距站上的可觀測時間，縱坐標表示當前時刻主波與回波的重疊情況，1表示當前時刻主波與回波發(fā)生重疊，0表示當前時刻主波與回波未發(fā)生重疊。

3.1 近地衛(wèi)星

圖3是采用2012年4月18日近地衛(wèi)星(AJISAI) 16 min內(nèi)的預報數(shù)據(jù)進行仿真得到的結(jié)果。從圖中可以看出在對AJISAI進行測距時有7.144%的時刻可能無法接收到回波，減少了數(shù)據(jù)的獲取率。

表1為隨機抽取2011年4月到2012年4月的預報數(shù)據(jù)進行仿真得到的結(jié)果，從表中看出近地衛(wèi)星(AJISAI)測距中的重疊率約為7%。

3.2 中軌衛(wèi)星

圖4是采用2012年4月18日中軌衛(wèi)星(LAGEOS1)10 min內(nèi)的預報數(shù)據(jù)進行仿真得出的結(jié)果。

3.3 高軌衛(wèi)星

圖5是采用高軌衛(wèi)星(GLONASS118)30 min內(nèi)的預報數(shù)據(jù)進行仿真得出的結(jié)果。

表1AJISAI主回波重疊現(xiàn)象仿真結(jié)果

Table1SimulationresultsofoverlappingbetweenmainwaveandechoforthelaserrangingoftheAJISAI

日期第1圈/%第2圈/%2011.04.196.307.912011.04.257.367.452011.04.306.926.932011.05.056.227.922011.12.2010.177.962012.03.293.79———2012.03.318.12———2012.04.015.72———2012.04.046.217.132012.04.098.187.472012.04.187.146.54

圖3 AJISAI主回波重疊現(xiàn)象仿真結(jié)果

Fig.3 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of AJISAI

圖4 LAGEOS1主回波重疊現(xiàn)象仿真結(jié)果

Fig.4 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of LAGEOS1

3.4 月面反射器

圖6是采用月面反射器(APOLLO15) 16 min內(nèi)的預報數(shù)據(jù)進行仿真得出的結(jié)果，有9.998%的回波數(shù)據(jù)不能被接收。

圖5 GLONASS118主回波重疊現(xiàn)象仿真結(jié)果

Fig.5 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of GLONASS118

圖6 APOLLO15主回波重疊現(xiàn)象仿真結(jié)果

Fig.6 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of APOLLO15

4 結(jié) 論

在高重頻激光測距的測距中，由于上一時刻發(fā)射的激光脈沖返回之前，又進行多次激光發(fā)射，如此可能會出現(xiàn)回波到達時刻與激光發(fā)射時刻重疊的現(xiàn)象。在1.2 m望遠鏡實際高重頻共光路激光測距觀測中，確實發(fā)現(xiàn)存在這種重疊現(xiàn)象。因此，為減少或避免這種情況的發(fā)生，需要對光路中的旋轉(zhuǎn)快門進行實時控制。本文通過對重疊現(xiàn)象進行分析和研究，得到了1.2 m望遠鏡高重頻共光路激光測距系統(tǒng)主回波時刻重疊的判斷條件，并進行了計算機仿真。根據(jù)仿真結(jié)果，近地衛(wèi)星測距中的重疊率約為7%，中高軌目標測距中的重疊概率略高但仍小于8%，遠距離月球測距中的重疊率高達10%，這對于進一步研究旋轉(zhuǎn)快門控制算法有一定的參考價值。

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