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摘要

常规卫星激光测距大多数采用532 nm波长激光, 但受激光能量和大气透过率低等瓶颈制约, 在微弱目标探测如碎片激光测距、月球激光测距中使用难度较大. 本文介绍了基于1.06 μm波长的激光测距技术, 分析了1.06 μm测距技术在激光能量、大气传输、背景噪声、单光子探测等方面相对于532 nm激光测距的优势, 分析了其应用于微弱目标激光测距的前景, 提出了针对1.06 μm激光测距系统的改造方案, 在上海天文台532 nm卫星激光测距系统的基础上, 完成了系统改造, 国内首次利用1.06 μm增强的InGaAs探测器实现对合作目标的高精度厘米级激光测距, 证明了1.06 μm波长激光测距技术在系统噪声和测量效率等方面的优势, 并且实现了该波长对1500 km空间碎片目标的高精度激光测距, 为未来远距离微弱目标高精度近红外波段激光测距提供了紧凑、低成本、易操作的测量技术方案.

关键词:

Abstract

Classical satellite laser ranging (SLR) technology based on 532 nm wavelength usually adopts low energy laser to measure cooperative objects. However, for a very weak target, such as debris and lunar reflector arrays, laser ranging system should have much stronger detection capability than the laser ranging system for traditional application. A common way to improve system detection capability is to use high energy laser. With an additional frequency doubling crystal, it is more difficult to make a high energy laser based on 532 nm than that based on 1.06 μm, which restricts the improvement of system detection capability, and also gives rise to the short lifetime, poor system stability problems. Compared with 532 nm laser, the 1.06 μm laser has many advantages of high laser energy and power, high atmospheric transmissivity, and low background noise, thereby making it an ideal substitution for the traditional 532 nm SLR system. In this paper, we comparatively analyze the above-mentiond advantages of the 1.06 μm laser and other system’s key parameters such as detector efficiency and target reflection efficiency, calculate the echo photons one can obtain, and establish a 1.06 μm laser ranging system based on the existing 532 nm SLR at Shanghai Astronomical Observatory. Owing to the using of an InGaAs single photon detector, the system turns very compact, low cost, easy-to-be-installed and has almost no additional operation complexity than the 532 nm system. With this system, the high precision 1.06 μm laser ranging for cooperative objects based on InGaAs detector is carried out for the first time in China, and a ranging for space debris 1500 km away can also be realized. The ranging experiment shows with the same laser, SLR using 1.06 μm output reaches a detection efficiency of 7 times the detection efficiency the SLR using 532 nm output reaches, and the background noise only 1/5. This approves the advantages and feasibility of 1.06 μm system, and also shows its great potential application prospects in the high precision weak target laser detection in the day and night time. This paper provides a very easy operation, high compact and low cost method for the future high precision weak target laser ranging.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.
3.

通信作者:吴光,gwu@phy.ecnu.edu.cn; 张忠萍,zzp@shao.ac.cn;

基金项目:中国科学院青年创新促进会(会员号: 2018303)、中国科学院国防创新基金(批准号: CXJJ-16S009)和国家自然科学基金(批准号: U1231107, U1631240, 11774095, 11804099)资助的课题

Authors and contacts

1.
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3.

Corresponding author:Wu Guang,gwu@phy.ecnu.edu.cn; Zhang Zhong-Ping,zzp@shao.ac.cn;

Funds:Project supported by the Youth Innovation Promotion Association of CAS (id. 2018303), the National Defense Innovation Fund of the Chinese academy of sciences, China (Grant No. CXJJ-16S009), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. U1231107, U1631240, 11774095, 11804099)

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圈次	仰角均值/(º)	轨道高度/km	Point	测距精度/mm	回波率	噪声密度/个·s^–1·m^–1
1.06 μm
16072019.LES	37	1450	7641	20.5	18.64%	0.622
16072019. G1	48	35786	489	14.9	0.15%	0.498
16072020.G18	56	19140	9668	33.1	1.83%	0.680
16072020.G17	51	19140	715	31.7	0.22%	0.700
16072019. I7	51	35786	3325	18.9	1.44%	0.646
16072018.G02	65	19140	9798	23.6	5.10%	0.583
532 nm
17091802.LES	37	1450	1037	6.4	3.99%	6.574
17091715.G1	48	35786	1713	10.5	0.14%	8.114
17082218.G18	54	19140	4375	—	0.75%	—
17082318.G17	51	19140	1323	13.8	2.32%	1.126
17072720.I5	51	35786	1302	12.3	0.30%	1.616
17072216.G02	65	19140	3026	11.7	0.37%	6.015

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圈次	组别	仰角均值	轨道高度	点数	测量时长	测距精度	回波率	噪声密度
圈次	组别	/(º)	/km	点数	/min	/mm	回波率	/个·s^–1·m^–1
1901171707.G121	G121-1064-2	45	19, 140	1542	1.2	23.2	2.142%	0.523
1901171707.G121	G121-532-1	45	19, 140	380	2.1	20.1	0.302%	3.36
1901171719.I5	I5-1064-B-1	53	35, 786	96	0.783	21.4	0.204%	0.65
1901171719.I5	I5-532-2	55	35, 786	137	2.283	16	0.1%	3.24
1901171744.G1	G1-1064	49	35, 786	450	2	11.5	0.381%	0.51
1901171744.G1	G1-532	49	35, 786	145	2.217	7.9	0.109%	3.15
三组数据分别为对俄罗斯Glonass-121卫星, 中国北斗IGSO-5卫星, 中国北斗GEO-1卫星的观测数据, 每组数据的第一行为利用1.06 μm波长的测距结果, 第二行为利用532 nm波长的测距结果.

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