張海濤，李祝蓮

(1. 中國科學(xué)院云南天文臺(tái)，云南 昆明 650011；2. 中國科學(xué)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(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)精度，觀測數(shù)據(jù)量的增加，可以有效提高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)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(shè)施建設(shè)項(xiàng)目——《中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)》的支持下，2010年研究組在云南天文臺(tái)1.2 m望遠(yuǎn)鏡上成功實(shí)現(xiàn)了kHz激光測距系統(tǒng)，并進(jìn)入常規(guī)觀測。

高重頻激光測距中，上一個(gè)激光脈沖的回波未返回測站前下一個(gè)激光脈沖已離開測站飛向測距目標(biāo)，如此將出現(xiàn)回波時(shí)刻與主波時(shí)刻重疊的現(xiàn)象。本文根據(jù)共光路激光測距的特點(diǎn)，并結(jié)合衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)值，對(duì)1.2 m望遠(yuǎn)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(biāo)時(shí)主回波重疊現(xiàn)象分別進(jìn)行計(jì)算機(jī)仿真研究，對(duì)共光路激光測距的特點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，得出主回波重疊現(xiàn)象發(fā)生的條件并采用計(jì)算機(jī)軟件編程獲得在各種目標(biāo)激光測距時(shí)的重疊概率。

1 高重頻收/發(fā)共光路激光測距

高重復(fù)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(shí)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(tái)1.2 m望遠(yuǎn)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(shí)，小部分激光經(jīng)過PIN主波探測器產(chǎn)生主波信號(hào)，并通過事件計(jì)時(shí)器記錄主波時(shí)刻；大部分激光則通過激光發(fā)射光路飛往測距目標(biāo)，激光脈沖被測距目標(biāo)反射后回到望遠(yuǎn)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(hào)，并由事件計(jì)時(shí)器記錄回波時(shí)刻；然后根據(jù)事件計(jì)時(shí)器給出的主回波時(shí)刻和目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)值，計(jì)算激光脈沖的飛行時(shí)間。這是完成單次測距的整個(gè)過程。

1.2 m望遠(yuǎn)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(jí)而成[5]，例如kHz激光器、事件計(jì)時(shí)器和高速旋轉(zhuǎn)快門代替原來的低頻激光器、時(shí)間計(jì)時(shí)器和低速轉(zhuǎn)鏡等。其中旋轉(zhuǎn)快門是實(shí)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(shè)多個(gè)小孔，當(dāng)小孔位于光路中時(shí)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(jī)的控制下，一直處于快速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，實(shí)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(hào)。

圖1 1.2 m望遠(yuǎn)鏡激光測距光路圖

Fig.1 Optical paths of the 1.2m Telescope SLR

隨著測距重復(fù)頻率的提高，可能出現(xiàn)發(fā)射激光的瞬間有回波到達(dá)探測器(即回波到達(dá)時(shí)刻與激光發(fā)射時(shí)刻重疊)的情況,然而對(duì)于共光路激光測距系統(tǒng)，此時(shí)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(hào)

為了研究主波時(shí)刻與回波時(shí)刻重疊的條件，需對(duì)旋轉(zhuǎn)快門產(chǎn)生的同步信號(hào)進(jìn)行研究。圖2為旋轉(zhuǎn)快門同步信號(hào)使用示波器的測量結(jié)果，輸出為TTL電平信號(hào)，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(shí)間約為80 μs。

圖2 旋轉(zhuǎn)快門同步信號(hào)

Fig.2 Synchronizing signal of the shutter

2.2 主波和回波時(shí)刻發(fā)生重疊的條件

在這里把回波時(shí)刻接近主波時(shí)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(shí)刻接近的情況有3種：(1)主波時(shí)刻與回波時(shí)刻相同，此時(shí)回波信號(hào)必定丟失；(2)回波時(shí)刻在主波時(shí)刻的前面，此時(shí)發(fā)射激光對(duì)回波信號(hào)的接收已不再造成影響；(3)回波時(shí)刻在主波時(shí)刻后面，此時(shí)如果回波在同步信號(hào)的低電平時(shí)間內(nèi)，則回波信號(hào)將被丟失。因此得出主波和回波時(shí)刻“重疊”的條件如(1)式：

(1)

式中，trm回波時(shí)刻；tn為主波時(shí)刻。

2.3 仿真數(shù)據(jù)生成

結(jié)合測距目標(biāo)軌道預(yù)報(bào)，對(duì)于任意一個(gè)激光發(fā)出時(shí)刻，可以計(jì)算得出該激光脈沖到衛(wèi)星并返回測站望遠(yuǎn)鏡的時(shí)刻。對(duì)kHz激光測距，假定每個(gè)脈沖的周期嚴(yán)格為1 ms(實(shí)際應(yīng)用中可能因?yàn)樾D(zhuǎn)快門的各小孔機(jī)械加工不均勻等造成有微小差別)，選定某一時(shí)刻作為第一個(gè)激光發(fā)射時(shí)刻，即可得出后面的激光發(fā)射時(shí)刻序列，對(duì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行插值計(jì)算，得到相應(yīng)的回波到達(dá)時(shí)刻序列。

回波到達(dá)時(shí)刻序列的簡單產(chǎn)生方法：根據(jù)衛(wèi)星軌道預(yù)報(bào)已知激光發(fā)射時(shí)刻為t0、激光脈沖飛行時(shí)間為r0、下一激光發(fā)射時(shí)刻為t1及其激光脈沖飛行時(shí)間為r1，設(shè)任意一主波時(shí)刻t，其回波時(shí)刻為tr，且t∈(t0,t1)，根據(jù)(2)式可得回波時(shí)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(biāo)進(jìn)行主回波重疊現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)仿真，例如：近地衛(wèi)星AJISAI、中軌衛(wèi)星LAGEOS1、高軌衛(wèi)星GLONASS118。同時(shí)還選取了月面反射器APOLLO15進(jìn)行主回波重疊現(xiàn)象的計(jì)算機(jī)仿真。

圖3～6為部分仿真結(jié)果，在圖中，橫坐標(biāo)表示目標(biāo)在1.2 m望遠(yuǎn)鏡激光測距站上的可觀測時(shí)間，縱坐標(biāo)表示當(dāng)前時(shí)刻主波與回波的重疊情況，1表示當(dāng)前時(shí)刻主波與回波發(fā)生重疊，0表示當(dāng)前時(shí)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(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真得到的結(jié)果。從圖中可以看出在對(duì)AJISAI進(jìn)行測距時(shí)有7.144%的時(shí)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(jī)抽取2011年4月到2012年4月的預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)刻發(fā)射的激光脈沖返回之前，又進(jìn)行多次激光發(fā)射，如此可能會(huì)出現(xiàn)回波到達(dá)時(shí)刻與激光發(fā)射時(shí)刻重疊的現(xiàn)象。在1.2 m望遠(yuǎn)鏡實(shí)際高重頻共光路激光測距觀測中，確實(shí)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(duì)光路中的旋轉(zhuǎn)快門進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。本文通過對(duì)重疊現(xiàn)象進(jìn)行分析和研究，得到了1.2 m望遠(yuǎn)鏡高重頻共光路激光測距系統(tǒng)主回波時(shí)刻重疊的判斷條件，并進(jìn)行了計(jì)算機(jī)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(biāo)測距中的重疊概率略高但仍小于8%，遠(yuǎn)距離月球測距中的重疊率高達(dá)10%，這對(duì)于進(jìn)一步研究旋轉(zhuǎn)快門控制算法有一定的參考價(jià)值。

[1]吳志波, 張忠萍, 楊福民, 等. 衛(wèi)星激光測距回波探測成功概率統(tǒng)計(jì)分析[J]. 測繪科學(xué), 2006, 31(3): 28-29.

Wu Zhibo, Zhang Zhongping,Yang Fumin, et al. Statistical analysis of successful detection probability of the returns in satellite laser ranging[J]. Science of Surveying and Mapping, 2006, 31(3): 28-29.

[2]李欣, 王培源, 鄒彤, 等. KHz激光器在武漢衛(wèi)星觀測站的測距實(shí)驗(yàn)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2011, 23(2): 367-370.

Li Xin, Wang Peiyuan, Zou Tong, et al. Experiment on kHz laser ranging at Wuhan satellite laser ranging station[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(2): 367-370.

[3]熊耀恒, 伏紅林. 云南天文臺(tái)1.2 m望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)系統(tǒng)[J]. 光電工程, 1998, 25(S1): 66-69.

Xiong Yaoheng, Fu Honglin. Optical system of the Yunnan observatory 1.2m telescope[J]. Opto-Electronic Engineering, 1998, 25(S1): 66-69.

[4]李祝蓮, 熊耀恒, 何妙嬋, 等. 云南天文臺(tái)人造衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)原理[J]. 天文研究與技術(shù)——國家天文臺(tái)臺(tái)刊, 2008, 5(3): 248-252.

Li Zhulian, Xiong Yaoheng, He Miaochan, et al. Principle of 1.2m telescope satellite laser ranging system[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2008, 5(3): 248-252.

[5]鄭向明, 李祝蓮, 伏紅林, 等. 云臺(tái)1.2 m望遠(yuǎn)鏡共光路千赫茲衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)[J]. 光學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 31(5): 119-123.

Zheng Xiangming, Li Zhulian, Fu Honglin, et al. 1.2m telescope satellite co-optical path kHz laser ranging system[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(5): 119-123.

[6]張忠萍, 吳志波, 張海峰, 等. 高重復(fù)頻率衛(wèi)星激光測距實(shí)驗(yàn)研究[J]. 激光與紅外, 2009, 39(12): 1267-1270.

Zhang Zhongping, Wu Zhibo, Zhang Haifeng, et al. Experiment of high-repetition-rate SLR[J]. Laser & Infrared, 2009, 39(12): 1267-1270.

[7]趙有, 劉乃苓. 衛(wèi)星激光測距的發(fā)展和現(xiàn)狀[J]. 測繪通報(bào), 1999(12): 23-26.

Zhao You, Liu Nailing. Satellite laser ranging: status and development[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 1999(12): 23-26.