基于1.06 μm波長的空間合作目標(biāo)及碎片高精度激光測距試驗(yàn)*

孟文東 張海峰 鄧華榮 湯凱 吳志波 王煜蓉 吳光 ? 張忠萍 ? 陳欣揚(yáng)

1) (華東師范大學(xué)精密光譜科學(xué)與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200062)

2) (中國科學(xué)院上海天文臺(tái), 上海 200030)

3) (中國科學(xué)院空間目標(biāo)與碎片觀測重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 南京 210008)

常規(guī)衛(wèi)星激光測距大多數(shù)采用532 nm波長激光, 但受激光能量和大氣透過率低等瓶頸制約, 在微弱目標(biāo)探測如碎片激光測距、月球激光測距中使用難度較大.本文介紹了基于1.06 μm波長的激光測距技術(shù), 分析了1.06 μm測距技術(shù)在激光能量、大氣傳輸、背景噪聲、單光子探測等方面相對于532 nm激光測距的優(yōu)勢, 分析了其應(yīng)用于微弱目標(biāo)激光測距的前景, 提出了針對1.06 μm激光測距系統(tǒng)的改造方案, 在上海天文臺(tái)532 nm衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)的基礎(chǔ)上, 完成了系統(tǒng)改造, 國內(nèi)首次利用1.06 μm增強(qiáng)的InGaAs探測器實(shí)現(xiàn)對合作目標(biāo)的高精度厘米級激光測距, 證明了1.06 μm波長激光測距技術(shù)在系統(tǒng)噪聲和測量效率等方面的優(yōu)勢, 并且實(shí)現(xiàn)了該波長對1500 km空間碎片目標(biāo)的高精度激光測距, 為未來遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)高精度近紅外波段激光測距提供了緊湊、低成本、易操作的測量技術(shù)方案.

1 引 言

衛(wèi)星激光測距 (satellite laser ranging, SLR)是目前衛(wèi)星單點(diǎn)測距精度最高的一種技術(shù)[1], 目前單次測量精度已經(jīng)達(dá)到亞厘米量級, 可對雷達(dá)進(jìn)行精確的校驗(yàn)、分析設(shè)備長期穩(wěn)定度特性等, 廣泛應(yīng)用在衛(wèi)星精密定軌[2]、確定地球自轉(zhuǎn)參數(shù)[3,4]、建立和維護(hù)全球地球參考框架[5,6]以及實(shí)現(xiàn)全球范圍的高精度時(shí)間傳遞[7]等方面.近年來, 隨著航天活動(dòng)的增加, 空間碎片的監(jiān)測和預(yù)警已經(jīng)受到各航天大國的高度重視[8], 高精度遠(yuǎn)距離小尺寸的空間碎片測距需求迫切.鑒于激光測距高精度低誤差的特性, 空間碎片激光測距已經(jīng)成為高精度碎片測量的一項(xiàng)重要手段.由于空間碎片為漫反射目標(biāo), 地面能夠接收到的回波信號(hào)非常微弱, 測距難度很大.為了提高探測能力, 空間碎片激光測距多采用大口徑望遠(yuǎn)鏡、高效率低噪聲的單光子探測器及高功率激光器.

目前, 中國科學(xué)院上海天文臺(tái)、云南天文臺(tái)、長春人造衛(wèi)星觀測站在原有衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)基礎(chǔ)上, 使用高功率激光器, 已實(shí)現(xiàn)對近距離(500—2600 km)、截面積 0.3—20 m2的空間非合作目標(biāo)激光測距[9?11].而對于遠(yuǎn)距離 (> 2600 km)、小尺寸(直徑 < 10 cm)的空間碎片測距需采用更大能量、更高質(zhì)量的激光源以及更大口徑望遠(yuǎn)鏡.常規(guī)衛(wèi)星激光測距采用532 nm波長, 由于衛(wèi)星端激光反射器的反射效率達(dá)到90%以上, 因此地面接收到的光子數(shù)較多, 激光處于可見光波段, 光路調(diào)試相對容易, 可見光波段的單光子探測技術(shù)成熟且效率高, 且 532 nm 波長激光器技術(shù)成熟, 因此大部分衛(wèi)星激光測距采用 532 nm波長.532 nm 激光由 1.06 μm 激光倍頻產(chǎn)生, 由于加入了倍頻器件, 其單脈沖能量、功率及穩(wěn)定度、壽命等均受倍頻器件制約, 難以實(shí)現(xiàn)較大功率的發(fā)射.相比較而言, 1.06 μm激光器能夠獲得較大單脈沖能量、功率、穩(wěn)定度, 該波長的空間背景噪聲小于可見光, 且大氣透過率也優(yōu)于 532 nm 波長, 因此對于傳統(tǒng)激光測距臺(tái)站, 利用1.06 μm波長激光測量是提升系統(tǒng)測量能力的一種經(jīng)濟(jì)簡單易行且有效的途徑.

國際上, 1991年德國Wettzell天文臺(tái)激光測距站為開展大氣折射改正研究, 曾開展過基于1.06 μm和532 nm的雙波長激光測距[12], 并成功獲得了對LAGEOS衛(wèi)星的1.06 μm波長激光測距數(shù)據(jù).法國Grasse天文臺(tái)于2016年對激光器進(jìn)行了升級改造, 實(shí)現(xiàn)了激光測月, 證明了 1.06 μm 激光測距背景噪聲小的巨大優(yōu)勢[13].空間碎片激光測距方面, 澳大利亞 Mt Stromlo激光測距站采用1.8 m 口徑望遠(yuǎn)鏡, 使用 50 Hz, 100 W 的 1.06 μm波長激光器成功實(shí)現(xiàn)了對尺寸小于10 cm空間碎片目標(biāo)的測距, 測距精度優(yōu)于1 m, 獲得了良好測量效果[14].

國內(nèi)研究方面, 2016年云南天文臺(tái)利用兩個(gè)完全獨(dú)立的望遠(yuǎn)鏡分別進(jìn)行1.06 μm激光發(fā)射和接收, 利用40 W激光器和超導(dǎo)納米線單光子探測器實(shí)現(xiàn)了對合作目標(biāo)的探測, 測距精度約為7 cm[15], 然而其系統(tǒng)較為復(fù)雜, 整體效率很低.

本文分析了532 nm和1.06 μm激光測距在激光功率、大氣透過率、目標(biāo)反射效率等方面的差異, 論述了1.06 μm激光用于微弱目標(biāo)測距的優(yōu)勢;針對1.06 μm測距系統(tǒng)的難點(diǎn)給出了解決方案, 并對上海天文臺(tái)532 nm常規(guī)激光測距系統(tǒng)進(jìn)行了改造, 建立了基于InGaAs (Indium-Gallium-Arsenide)探測器的緊湊型收發(fā)分離的1.06 μm激光測距系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了多圈次1.06 μm合作目標(biāo)及空間碎片激光測距, 這也是國內(nèi)首次利用InGaAs近紅外波段探測器開展的厘米級的1.06 μm高精度高效率激光測距試驗(yàn).

2 1.06 μm波長激光測距優(yōu)勢分析

出射光子數(shù)優(yōu)勢 : Nd:YAG (Neodymiumdoped Yttrium Aluminum Garnet)激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應(yīng)小、機(jī)械性能良好、適合各種工作模式(連續(xù)、脈沖) 等特點(diǎn), 是常規(guī)衛(wèi)星激光測距使用最多的激光器.其中, 532 nm激光就是由Nd:YAG激光器的基頻1.06 μm激光經(jīng)過倍頻后得到的.由于大部分倍頻晶體的效率在50%—70%, 因此在產(chǎn)生532 nm激光的過程中,一半左右的能量會(huì)損失掉.而且, 倍頻晶體難以承受大功率的激光輸出, 其穩(wěn)定性、壽命、光束質(zhì)量等均會(huì)受到影響.如能采用 1.06 μm 激光, 則擺脫了倍頻晶體對激光器性能的限制和影響.一方面激光功率可以增加一倍左右; 另一方面, 相同功率激光, 1.06 μm 波長光子數(shù)可以增加一倍.這樣同一臺(tái)激光器, 采用 1.06 μm 波長, 其產(chǎn)生的光子數(shù)是532 nm的4倍左右.

大氣透過率優(yōu)勢: 在激光測距過程中, 大氣透過率損耗是一個(gè)較大的損耗.測距觀測仰角不同導(dǎo)致的大氣厚度差異使得大氣損耗產(chǎn)生差異.大氣單程透過率和觀測仰角滿足如下公式[16]:

其中t為大氣單程透過率,l為光的波長,q為觀測仰角,qzen為天頂角.根據(jù) (1)式進(jìn)行計(jì)算, 圖1(a)為根據(jù)不同仰角情況下1.06 μm和532 nm的單程大氣透過率情況, 圖1(b)為兩者單雙程大氣透過率比例曲線, 可見, 從模型公式上, 雙程大氣透過率比例在仰角20°情況下可達(dá)3倍多, 使用1.06 μm波長對提高系統(tǒng)效率作用顯著.

Degnan[17]于1993年發(fā)表的文章中也說明了不同波長的光在觀測仰角不同的條件下的大氣透過率情況, 1.06 μm波長光在垂直高度上的透過率約為 0.991, 532 nm波長光的透過率約為0.815;在天頂角為 70° (對應(yīng)觀測仰角 20°)時(shí), 1.06 μm的大氣單程透過率為532 nm的1.87倍, 雙程透過率為3.5倍, 和公式計(jì)算結(jié)果基本相符.

圖1 (a) 1.06 μm 和 532 nm 單程大氣透過率隨不同仰角變化模型曲線; (b) 1.06 μm 和 532 nm 單雙程大氣透過率比隨不同仰角變化的比例曲線Fig.1.(a) The curve of one-way atmospheric transmissivity at 1.06 μm and 532 nm with different elevation angles;(b) the scale curve of one-way and two-way atmospheric transmissivity at 1.06 μm and 532 nm with different elevation angles.

單光子探測器: 532 nm 波長對應(yīng)的 Si APD(Silicon Avalanche Photodiode)單光子探測器發(fā)展成熟, 探測效率超過50%, 并且暗計(jì)數(shù)和后脈沖噪聲低, 但對于 1.06 μm 波長, Si APD 的探測效率僅有3%左右; 而近紅外增強(qiáng)型InGaAs APD(Indium-Gallium-Arsenide Avalanche Photodiode)單光子探測器在該波段能獲得20%的探測效率[18],但是由于材料特性和工藝問題, 探測器的暗噪聲和后脈沖較大, 為了抑制暗噪聲對測量的影響, 探測靶面直徑通常小于100 μm, 但仍然適用于單光子激光測距.超導(dǎo)納米線單光子探測器在近紅外波段探測效率可超過50%[19], 暗計(jì)數(shù)低, 沒有后脈沖影響, 但由于其光纖耦合的特性, 應(yīng)用于衛(wèi)星激光測距有一定難度, 上海天文臺(tái)和云南天文臺(tái)等單位正在發(fā)展基于超導(dǎo)納米線單光子探測器的衛(wèi)星激光測距技術(shù)[15,20], 已實(shí)現(xiàn)對衛(wèi)星的激光測距, 但其系統(tǒng)龐大, 耦合效率較低, 測距所需成本較高, 目前尚無法大規(guī)模開展應(yīng)用.

目標(biāo)反射率: 對于大部分常規(guī)激光測距角反射器, 其設(shè)計(jì)波長為 532 nm, 對 1.06 μm 波長的反射效率不做設(shè)計(jì), 因此合作目標(biāo)對1.06 μm波長的反射率通常不如532 nm; 且由于角錐的衍射發(fā)散角和波長成正比, 因此合作目標(biāo)對1.06 μm光反射的面積大, 單位回波強(qiáng)度弱.但有研究表明對于大部分的空間碎片目標(biāo), 其漫反射效率1.06 μm波長反而強(qiáng)度較大[21], 在碎片測距中也可以近似認(rèn)為和532 nm漫反射效率一致.

太陽光譜強(qiáng)度: 1.06 μm波長的太陽輻照的強(qiáng)度較小, 在地基激光測距中, 海平面高度的太陽輻射強(qiáng)度在 532 nm 波長為 1.37 W·m–2·nm–1, 而在1.06 μm 波長則僅有 0.62 W·m–2·nm–1[22], 其噪聲強(qiáng)度僅為532 nm的45%, 有利于白天測量.

回波光子數(shù)和探測概率分析: 根據(jù)碎片激光測距的回波光子數(shù)公式[17],

式中n0為測距系統(tǒng)可接收到的平均光電子數(shù),l為發(fā)射激光的波長,hq為回波光子探測器探測效率,h為普朗克常數(shù),c為光速,Et為激光單脈沖能量,Ar為接收系統(tǒng)有效接收面積,s為空間目標(biāo)反射橫截面積,qt為發(fā)射激光束發(fā)散角,R為目標(biāo)徑向距離,T為光束單程大氣透過率,Kt和Kr分別為發(fā)射和接受系統(tǒng)效率,a為系統(tǒng)衰減因子(包括大氣抖動(dòng)、湍流等).

(2)式中, 1.06 μm 和 532 nm 波長兩者雙程大氣透過率比值在仰角20°—70°內(nèi)約為1.52—3.14倍, 假設(shè) 1.06 μm 和 532 nm 測距系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)性能相同, 探測器效率相同, 空間目標(biāo)反射橫截面積相同, 采用同一激光器產(chǎn)品, 1.06 μm 激光單脈沖能量為532 nm的2倍以上, 則理論上碎片探測時(shí), 1.06 μm 回波光子數(shù)將達(dá)到 532 nm 回波光子數(shù)的6.06—12.55倍.

對于有角反射器合作目標(biāo)的衛(wèi)星激光測距, 其光子回波數(shù)方程公式[23]為

“小時(shí)候，有個(gè)家伙欺負(fù)我，看到我的連環(huán)畫就想搶走，我打不過他不知怎么辦，就觀察別的小孩，發(fā)現(xiàn)當(dāng)一個(gè)小孩被人欺負(fù)的時(shí)候，就說我有一個(gè)哥哥，或者我有一個(gè)誰誰很厲害。當(dāng)時(shí)我正好看了鄭淵潔寫的皮皮魯?shù)墓适?，于是我靈機(jī)一動(dòng)對那個(gè)小孩說我有一個(gè)哥哥，名字叫皮皮魯，可厲害了，你知不知道？他瞪著眼睛想了半天不知道皮皮魯是誰，但被這個(gè)怪異的名字嚇住了，居然放過了我。”

式中Ns為衛(wèi)星回波在測距系統(tǒng)接收光敏面上產(chǎn)生的平均光電子數(shù);Et為激光單脈沖能量;S為每焦耳能量的光子數(shù), 進(jìn)而可用發(fā)射激光的波長l, 普朗克常數(shù)h, 光速c來表示;As為衛(wèi)星上反射器的有效面積;Kt為發(fā)射系統(tǒng)的效率;T為單程大氣透過率;hq為回波光子探測器探測效率;a為衰減因子 (包括衛(wèi)星反射器效率、大氣抖動(dòng)、湍流等影響);R為衛(wèi)星距離;qt為激光光束發(fā)散角;qs為衛(wèi)星反射器的發(fā)散角.

相比較于碎片回波光子數(shù)方程(2)式, (3)式中增加了qs即衛(wèi)星角反射器發(fā)散角的影響, 由于目前大部分激光反射器針對532 nm波長設(shè)計(jì), 如采用 1.06 μm波長測距, 其發(fā)射角將變?yōu)?532 nm波長的 1.3 倍, 因此對于合作目標(biāo)激光測距, 1.06 μm回波光子數(shù)是532 nm回波光子數(shù)的3.59—7.42倍.

3 衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)

上海天文臺(tái)當(dāng)前的激光測距系統(tǒng)如圖2所示,我們對激光發(fā)射系統(tǒng)、激光接收系統(tǒng)、激光器、導(dǎo)星和光束監(jiān)視系統(tǒng)、單光子探測系統(tǒng)均進(jìn)行了研究和改造, 使之能夠適應(yīng)常規(guī)和碎片的1.06 μm的衛(wèi)星激光測距.

其中, 發(fā)射和接收系統(tǒng)均鍍1.06 μm及532 nm高反或增透膜, 激光器通過移除倍頻晶體或?qū)⑤敵黾す夥质敵龅姆绞綄?shí)現(xiàn).由于針對可見光的單光子探測器在近紅外波段效率不高, 我們采用了由蓋格模式InGaAs APD器件研制的1.06 μm波段增強(qiáng)的單光子探測器, 該探測器探測效率和時(shí)間抖動(dòng)分別大約為20%和70 ps.對于導(dǎo)星和光束監(jiān)視,由于1.06 μm波長的大氣后向散射十分微弱, 因此對低功率激光發(fā)射的合作目標(biāo)激光測距, 我們利用全反射鏡將望遠(yuǎn)鏡接收的全部1.06 μm光送入近紅外CCD來進(jìn)行光束成像, 并通過全反鏡的平移使得回波在光束監(jiān)視和光子探測兩種模式間切換,完成測距操作, 其中光束平移鏡實(shí)現(xiàn)了優(yōu)于1"的平移精度; 對于高功率激光發(fā)射的碎片測距, 則采用分光鏡將部分接收光送入CCD用于監(jiān)視, 大部分光進(jìn)入光子探測器進(jìn)行測距, 此時(shí)激光的光束監(jiān)視和回波接收可以同時(shí)完成.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

系統(tǒng)改造完成后, 針對合作目標(biāo)開展了1.06 μm激光測距試驗(yàn).其中上海天文臺(tái)常規(guī)測試用的激光器在 532 nm 的功率為 0.8—1 W, 移除倍頻晶體后, 1.06 μm 波長功率約為 1.6—1.8 W, 脈寬 40 ps;星象和激光光束監(jiān)視采用近紅外波長的CCD完成, 在望遠(yuǎn)鏡所有接收的1.06 μm波長光送入CCD的情況下, 實(shí)現(xiàn)了對光尖和星象的同步監(jiān)視,如圖3所示, 可以較為清晰地呈現(xiàn)激光光束指向,并對其進(jìn)行精準(zhǔn)控制.

在合作目標(biāo)衛(wèi)星激光測距中, 532 nm波長的Si APD單光子探測器的探測效率約為20%, 時(shí)間抖 動(dòng) 約 為 25 ps; 1.06 μm 波 長 的 InGaAs APD單光子探測器探測效率也約為20%, 時(shí)間抖動(dòng)約為 70 ps.我們在 2016年7月前后采用 InGaAs APD單光子探測器, 利用1.06 μm波長對軌道高度400—36000 km合作目標(biāo)成功開展了高精度測距, 這也是國內(nèi)首個(gè)利用近紅外InGaAs探測器實(shí)現(xiàn)的高精度高效率的1.06 μm合作目標(biāo)激光測距試驗(yàn).

圖3 1.06 μm 激光測距系統(tǒng)光尖監(jiān)視圖Fig.3.Monitoring picture of the light-cone in 1.06 μm laser ranging system.

1.06 μm合作目標(biāo)激光測距的結(jié)果如表1所列, 同時(shí)我們也將觀測仰角類似的同類型衛(wèi)星的532 nm常規(guī)觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行比對.對于大部分相同類型的衛(wèi)星, 1.06 μm 的測量效率均比 532 nm 有較大程度的提高; 而由于激光器倍頻晶體、角反射器綜合發(fā)散角、以及較為主要的單光子探測器精度的影響, 1.06 μm測距精度略差.在系統(tǒng)噪聲方面,1.06 μm則表現(xiàn)出了明顯的測距優(yōu)勢.

對于碎片目標(biāo)而言, 由于回波信號(hào)較弱, 通常采用大功率激光器進(jìn)行測距, 激光后向散射強(qiáng)度很大, 僅利用望遠(yuǎn)鏡采集的部分光即可實(shí)現(xiàn)對光尖的監(jiān)視; 利用上述系統(tǒng), 通過光路中鏡片的更換, 我們實(shí)現(xiàn)了同時(shí)對空間碎片測距的光尖監(jiān)視和回波測量功能, 使得碎片測距更直觀易行.利用這套系統(tǒng)于2016年8月進(jìn)行了針對空間碎片目標(biāo)的觀測, 測距界面如圖4所示.測距目標(biāo)為距離1500 km左右的火箭殘骸, 目標(biāo)大小為 13.2 m2; 激光器輸出波長為 1.06 μm, 重復(fù)頻率為 200 Hz, 激光功率為 40 W, 脈沖寬度為 5.5 ns.本次空間碎片測距的測量效率為3.7%, 測距精度約為1.6 m.

由于空間碎片測距過程中后向散射較為強(qiáng)烈,而InGaAs APD單光子探測器光損傷閾值小, 此次空間碎片測量完成后, InGaAs APD器件損壞.隨后, 開展了對探測器的修復(fù)工作, 同時(shí)設(shè)計(jì)了一套新的后向散射規(guī)避系統(tǒng), 進(jìn)行了測量終端箱及激光發(fā)射系統(tǒng)的改造.

2019年1月, 利用 1.06 μm波長開展激光測距的試驗(yàn)再次開展, 此次測量中系統(tǒng)激光功率為532 nm 波長 0.7 W, 1.06 μm 波長 1.2 W; 系統(tǒng)收發(fā)效率分別為 532 nm 波長 55% 和 60%, 1.06 μm波長47.7%和57.2%, 兩個(gè)波長的收發(fā)效率基本相同.這次試驗(yàn)重點(diǎn)開展的是同樣條件下對相同目標(biāo)的比對測距, 主要目標(biāo)為遠(yuǎn)距離的地球中高軌道合作目標(biāo).選取了多顆我國北斗 (BDS, Beidou Navigation Satellite System)及俄羅斯格洛納斯(GLONASS)導(dǎo)航衛(wèi)星進(jìn)行了兩種波長的比對性測距, 試驗(yàn)情況如表2所示.

本次測距采用修復(fù)后的InGaAs單光子探測器, 其探測效率和532 nm單光子探測器效率相當(dāng),測距系統(tǒng)對兩個(gè)波長的收發(fā)效率類似; 試驗(yàn)在同一臺(tái)激光測距望遠(yuǎn)鏡上利用不同波長先后對同一顆衛(wèi)星目標(biāo)進(jìn)行了測距, 在觀測環(huán)境和系統(tǒng)情況相似的條件下, 1.06 μm 波長測距相對于 532 nm 波長測距, 三圈不同的中高軌衛(wèi)星觀測時(shí)天空的背景噪聲比值分別為 1/5.02, 1/6.40 及 1/6.12, 天空背景噪聲強(qiáng)度顯著降低; 測距回波效率倍率分別為7.1,2.0和3.5, 測距回波效率增強(qiáng)明顯.

表1 2016年合作目標(biāo)激光測距 1.06 μm 和 532 nm 波長測距結(jié)果和比對表Table 1.The comparison table of cooperative target laser ranging at 1.06 μm and 532 nm.

圖4 1.06 μm 開展碎片激光測距實(shí)時(shí)測量界面截圖Fig.4.Screenshot of real time 1.06 μm debris laser ranging measurement interface.

表2 2019年合作目標(biāo)導(dǎo)航衛(wèi)星激光測距1.06 μm和532 nm波長測距結(jié)果和比對表Table 2.The comparison table of navigation satellites laser ranging at 1.06 μm and 532 nm in 2019.

此次對合作目標(biāo)的比對測試?yán)?.2 W的1.06 μm激光器實(shí)現(xiàn)了對地球同步軌道衛(wèi)星的近紅外波長測距, 比532 nm波長回波效率最高提升至7倍, 而天空背景及暗噪聲的綜合影響僅為532 nm 波長的 1/5, 進(jìn)一步明確了 1.06 μm 波長在遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)探測中的優(yōu)勢.

在測距精度方面, 此次1.06 μm波長的表現(xiàn)略差, 主要影響因素有如下方面: 同一臺(tái)激光器倍頻前后激光脈沖展寬差異, 這方面的差距可以在今后使用的激光器研制過程中予以要求和控制; 目前測距的合作目標(biāo)均為按532 nm波長測距設(shè)計(jì), 其中二面角特性對于1.06 μm波長展寬較多, 在一定程度上影響1.06 μm測量精度, 今后對于高精度需求的遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo), 可針對1.06 μm波長進(jìn)行合作目標(biāo)設(shè)計(jì), 可以將此方面影響降到最小; 目前采用的InGaAs單光子探測器測量精度約為70 ps, 相對于532 nm常規(guī)使用的Si APD探測器的25 ps有差異.

未來通過對上述問題的研究和解決, 利用本文目前經(jīng)典的緊湊型收發(fā)分離的單臺(tái)激光測距望遠(yuǎn)鏡, 可以更便捷、低成本地實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)距離微弱目標(biāo)的近紅外波長高精度測量, 獲得測量能力的較大幅度提升, 同時(shí)幾乎不增加測量系統(tǒng)的觀測復(fù)雜度和難度.

5 結(jié) 論

在上海天文臺(tái)原有的532 nm衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)基礎(chǔ)上, 針對 1.06 μm 波長實(shí)施系統(tǒng)改造, 包括重新鍍膜望遠(yuǎn)鏡收發(fā)系統(tǒng)、發(fā)展1.06 μm激光監(jiān)視方法、采用InGaAs APD高精度近紅外單光子探測器, 實(shí)現(xiàn)了常規(guī)合作目標(biāo)高精度測距及空間碎片激光測距.實(shí)驗(yàn)表明, 利用 InGaAs APD 為探測終端的1.06 μm波長激光測距系統(tǒng)在系統(tǒng)噪聲、測量效率方面均比532 nm波長有較大優(yōu)勢, 而目前主要影響其測量精度的單光子探測器, 也有望在近期實(shí)現(xiàn)測量精度的提升.

對于空間碎片測距而言, 1.06 μm波長可以更容易實(shí)現(xiàn)激光發(fā)射能量和功率的提升, 系統(tǒng)性能更加穩(wěn)定, 非常有助于提高碎片測量能力; 1.06 μm波長回波光子數(shù)多的特性有利于開展對更遠(yuǎn)、更小碎片目標(biāo)的探測; 而整個(gè)測量系統(tǒng)低噪聲的特點(diǎn)則有利于預(yù)報(bào)精度較差的空間碎片目標(biāo)的搜索, 也更有利于未來開展白天空間碎片激光測距的技術(shù)研究; 本文實(shí)現(xiàn)的基于InGaAs APD單光子探測器的1.06 μm空間碎片激光測距系統(tǒng)還具有系統(tǒng)緊湊、小改動(dòng)、易操作、低成本等特點(diǎn), 更有利于系統(tǒng)新建或?qū)ΜF(xiàn)有激光測距望遠(yuǎn)鏡的改造, 進(jìn)而建立較大規(guī)模的碎片激光測距網(wǎng), 開展針對距離更遠(yuǎn)或尺寸更小的空間碎片目標(biāo)的聯(lián)合觀測; 而未來1.06 μm探測器測量精度的提升則為開展厘米尺度空間碎片激光測距提供了可能, 對小尺寸碎片目標(biāo)的高精度測距定軌, 和空間碎片目標(biāo)的高精度態(tài)勢分析和研究具有重要意義.

感謝國防科工局項(xiàng)目為本文工作的開展提供指導(dǎo)和支持.