吳志波, 龍明亮, 張海峰?, 耿仁方,2, 張忠萍

(1. 中國科學院上海天文臺, 上海200030; 2. 南京信息工程大學, 南京210044;3. 中國科學院空間目標與碎片觀測重點實驗室, 南京210008)

1 引言

隨著全球空間技術的發(fā)展, 越來越多的飛行器被發(fā)射到地球外圍空間, 使得地球軌道內無任何功能和作用的空間碎片越來越多, 包括火箭體、 失效的衛(wèi)星以及航天器在軌解體碎片等[1-3]。 根據(jù)美國國家航空航天局(NASA) 軌道碎片計劃組織發(fā)布的空間物體跟蹤編目數(shù)據(jù)來看, 自1957 年開始,空間物體的數(shù)目逐年增多, 據(jù)有關機構估計, 尺寸10cm 以上的空間在軌物體總數(shù)已超過17000個[4,5]。 2019 年初, 美國新的“太空籬笆” 雷達系統(tǒng)將編目中的空間碎片數(shù)目從以前的23000 塊增加到了200000 塊, 并且還有明顯的持續(xù)增加趨勢。隨著航天技術的快速發(fā)展, 空間碎片已嚴重威脅到了在軌航天器的安全, 成為國際關注的問題, 很多國家陸續(xù)開展了空間碎片探測技術研究。

相比微波雷達和光電探測等常規(guī)空間碎片監(jiān)測手段, 激光測距技術對空間碎片目標測量精度要高1 ～2 個數(shù)量級, 十分有利于空間碎片目標識別和編目, 對提升空間碎片軌道預報精度和航天器機動規(guī)避成功率, 減少航天器的機動次數(shù)具有重要作用[6,7]。 目前, 地基空間碎片激光測距技術得到了快速發(fā)展, 美國、 澳大利亞、 奧地利、俄羅斯、 波蘭和中國等國家均發(fā)展了空間碎片高精度激光測距技術[8-10]。 上海天文臺積極瞄準國際空間碎片激光測距技術發(fā)展, 在國內率先發(fā)展了空間碎片激光測距技術, 于2008 年7 月在國內首次成功實現(xiàn)了900km 左右空間碎片激光測距,測距精度約1m[11]。 在此基礎上對該技術進行了發(fā)展和應用, 采用532nm 波長輸出功率60W 激光器技術等實現(xiàn)了空間碎片常規(guī)觀測能力[12,13]; 云南天文臺和國家天文臺長春人造衛(wèi)星觀測站先后實現(xiàn)了空間碎片激光測量[14,15]。

空間碎片對入射激光信號進行漫反射, 只有極少數(shù)信號沿入射方向返回, 使得回波信號微弱。 因此, 空間碎片激光測距需要高的激光器功率。 對于532nm 波長空間碎片激光觀測, 其532nm 波長激光是由1064nm 波長基頻光倍頻而來, 由于倍頻晶體效率和損傷閾值問題使得532nm 波長激光器在窄脈沖高功率方面受限, 難以滿足遠距離、 小尺寸碎片目標測量需求。

對于1064nm 波長激光, 在激光能量、 大氣傳輸、 背景噪聲和回波光子數(shù)等方面優(yōu)勢明顯, 國際上開展了近紅外波長激光測距技術研究。 2003 年,澳大利亞光電系統(tǒng)控股有限公司(EOS) 斯特姆洛山測距站采用1.8m 口徑望遠鏡, 使用50Hz 重復率、 100W 功率、 1064nm 波長激光器成功實現(xiàn)了對等效距離1000km、 直徑10cm 空間碎片目標的測距, 測距精度為分米級[16]。 國內上海天文臺和云南天文臺近些年進行了近紅外波長激光測距技術相關研究。 2016 年7—8 月上海天文臺利用重復頻率200Hz、 輸出功率40W、 脈沖寬度為5.5ns 的1064nm 激光器, 在國內首次實現(xiàn)了對軌道高度400 ～36000km 合作目標以及低軌碎片目標測量試驗[17]。 2016 年2—3 月, 云南天文臺利用超導納米線探測器(SNSPD), 實現(xiàn)了對不同軌道高度衛(wèi)星的測距試驗; 2017 年3—5 月, 利用百瓦功率納秒1064nm 波長激光器, 實現(xiàn)了對多個空間碎片目標探測[18]。

在此基礎上, 上海天文臺從2018 年開展了高重復率、 高精度空間碎片近紅外激光測距技術研究, 旨在實現(xiàn)對遠距離小尺寸空間碎片的亞分米精度激光探測。 通過設計研制了532nm/1064nm雙波長消色差發(fā)射系統(tǒng), 應用于532nm 引導1064nm 波長光束指向監(jiān)視與精確瞄準, 研制高精度近紅外波段信號探測器等, 分別利用1kHz 重復率、 8W 功率和40W 功率的1064nm 激光器開展了空間碎片激光測量試驗。 對比分析了8W@1064nm 與60W@532nm 波長空間碎片激光測距結果, 驗證了近紅外波長激光技術在空間碎片探測能力和噪聲水平方面的優(yōu)勢。

2 近紅外波長(1064nm) 激光測距技術

2.1 技術特點

激光測距系統(tǒng)使用的532nm 波長激光由基頻1064nm 波長光倍頻而來, 激光倍頻器件轉換效率通常不超過50%, 這直接導致激光器輸出功率減少一倍。 在激光器其他指標不變的情況下, 采用1064nm 波長激光, 則輸出功率可提高近一倍左右[20]。 由于避開了倍頻器件的損傷及激光偏振態(tài), 易于實現(xiàn)高功率激光輸出。 此外, 每焦耳光子數(shù)和波長成反比, 對于相同能量的激光信號,1064nm 波長光子數(shù)為532nm 的2 倍, 這對于微弱回波信號的空間碎片激光測距來說也十分重要。

在大氣透過率方面, 1064nm 波長激光也具有明顯優(yōu)勢, 在垂直高度上, 1064nm 波長和532nm波長激光的大氣透過率分別約為0.991 和0.812;在觀測仰角20°時, 1064nm 的雙程透過率為532nm 的3.5 倍左右[21]。 而且, 532nm 波長激光大氣透過率隨仰角變化大, 低仰角時較差, 而1064nm 波長激光的大氣透過率基本不隨仰角變化, 即使在低仰角時, 透過率也很高。 因此, 利用1064nm 波長進行激光測距, 觀測弧段能覆蓋較低的仰角, 增加了觀測弧段的長度。

在背景噪聲方面, 根據(jù)太陽光輻射光譜可知,532nm 波長和1064nm 波長分別為1.37W·m-2·nm-1和0.64W·m-2·nm-1, 可以看出1064nm 波長的太陽光噪聲強度僅為532nm 的45%。 如果采用1064 nm 激光測距, 同樣的濾波效果下1064nm 波長附近的噪聲強度將減半, 可以獲得更高的激光回波信噪比, 有利于提升目標信號探測能力, 如圖1 所示。

2.2 系統(tǒng)組成

空間碎片激光測距系統(tǒng)如圖2 所示, 主要由激光器、 接收望遠鏡、 伺服控制系統(tǒng)、 測距控制計算機、 光子探測器和計時器等組成。 激光器輸出激光信號, 經(jīng)折軸發(fā)射系統(tǒng)傳輸, 精確瞄準空間目標, 空間目標反射信號由接收系統(tǒng)接收, 并經(jīng)光電轉換輸出回波信號; 事件計時器完成激光發(fā)射和接收時刻的記錄, 生成空間目標到地面站點的高精度距離信息。 相比532nm 激光測距系統(tǒng), 1064nm 波長激光測距需在激光器、 發(fā)射光路系統(tǒng)(包含發(fā)射望遠鏡)、 光子探測器和激光接收系統(tǒng)等子系統(tǒng)進行改進與提高。

圖1 不同波長大氣透過率以及太陽光輻射強度譜分布Fig.1 The atmospheric transmissivity for different wavelengths and spectrum intensity of solar radiation

圖2 空間碎片激光測距系統(tǒng)組成圖Fig.2 The sketch of space debris laser ranging system

2.2.1 近紅外波長激光器

高功率激光器是空間碎片激光測距分系統(tǒng)中的關鍵部件, 是測距系統(tǒng)的心臟, 置于凈化間中的固定平臺上, 用于產生穩(wěn)定的、 高質量的激光脈沖信號, 經(jīng)激光折軸系統(tǒng)、 激光發(fā)射望遠鏡射向空間目標, 如圖3 所示。

上海天文臺在現(xiàn)有4.2W@1kHz、 532nm 波長皮秒激光器基礎上, 通過調節(jié)激光倍頻晶體LBO, 輸出1064nm 波長基頻光。

目前在所有倍頻晶體中, LBO 晶體擁有倍頻光與基頻光最小的走離角, 即532nm 與1064nm兩光束的重合度最高。 圖4 中角α 為倍頻過程中532nm 與1064nm 波長的分離角, 通常在角秒級。此外, LBO 晶體具有較高的損傷閾值, 在非線性激光頻率轉換廣泛使用。

圖3 皮秒激光器光學原理圖Fig.3 The inner optical principle of pico-second laser system

2019 年, 通過上述方法, 獲得了8W 的1064nm 基頻光輸出, 為空間碎片近紅外波長激光測距提供了激光源。 同時, 由于少量532nm 波長激光輸出, 且與1064nm 波長激光平行, 通過調節(jié)532nm 波長激光發(fā)射光路實現(xiàn)對1064nm 波長激光的引導。

圖4 激光倍頻中1064nm 與532nm 波長光的走離角Fig.4 The angle between 1064nm and 532nm wavelength laser

2.2.2 近紅外波長單光子探測器

目前在空間合作目標激光測距領域普遍使用的是基于硅材料的單光子探測器, 光敏面直徑200μm, 暗噪聲約200k, 量子效率(532nm) 為20%, 探測精度高達毫米級。 對于空間碎片測距,激光回波信號微弱, 這要求探測器具有高探測效率和低暗噪聲的特性, 同時具備高精度測量特性, 因此上述單光子探測器對可見532nm 波段響應, 不能滿足1064nm 波段激光的接收能力。為此, 選用了具有近紅外波段激光響應能力的InGaAs 材料APD 單光子探測器, 探測效率和時間抖動分別約為20%和70ps, 滿足空間目標回波探測和測距精度要求。 所采用的近紅外波段單光子探測器及性能參數(shù)如圖5 所示。

圖5 InGaAs-APD 近紅外波段單光子探測器Fig.5 The near infrared single photon detection with InGaAs-APD

2.2.3 1064nm 波長激光指向監(jiān)視與瞄準

對于1064nm 波長激光, 人眼看不見, 且可見光導星監(jiān)視器無法對激光束指向監(jiān)視, 影響了1064nm 波長激光對衛(wèi)星的精確指向與瞄準, 為此建立了532nm 波長激光引導1064nm 波長激光瞄準系統(tǒng)。 通過應用532nm 波長可見光的發(fā)射光路, 確定發(fā)射光路的空間兩個基準點P1、 P2。 然后導入1064nm 紅外激光, 當1064nm 波長激光與基準激光光路不重合時, 通過調節(jié)基準點P1 和P2 所對應的光學鏡M1 和M2, 實現(xiàn)1064nm 激光傳輸方向與基準光路的重合 (重復度可小于10arcsec)。 通過可見光監(jiān)視器對532nm 波長激光信號監(jiān)視, 引導1064nm 波長激光指向與瞄準。

圖6 532nm 波長激光引導1064nm 波長激光瞄準Fig.6 The collimation of 1064nm wavelength laser guided by 532nm wavelength laser

3 近紅外波長空間碎片激光測距試驗

3.1 空間碎片激光測距結果

利用8W@ 1kHz、 1064nm 皮秒激光器和InGaAs-APD 近紅外波段探測器搭建的近紅外波長空間碎片激光測距系統(tǒng), 以兩行根數(shù)(TLE)作為碎片目標引導數(shù)據(jù), 實現(xiàn)了多圈次空間碎片近紅外波長激光測距, 空間碎片激光觀測結果如圖7 所示。

圖8 給出了2019 年1 月22 日、 1 月24 日和1 月27 日三天內利用1064nm 波長激光(8W@1kHz) 測得的空間碎片的結果, 最遠探測距離為2600km。 根據(jù)激光測距雷達方程, 激光回波數(shù)與目標橫截面積成正比、 與距離四次方成反比的關系, 將1064nm 波長實測數(shù)據(jù)的結果等效成雷達截面積1m2對應的最遠徑向距離, 最遠等效距離為1518km (ID:39411), 如圖8 (a) 所示。 結合圖8 (b) 可知, 空間碎片目標測距精度約50 ～100cm, 其中最好的測距精度為48.6cm(ID: 20788)。

圖7 1064nm 波長空間碎片激光測距結果Fig.7 The measuring result of laser ranging to space debris with 1064nm wavelength

圖8 8W@1kHz 納秒激光近紅波長空間碎片觀測結果統(tǒng)計Fig.8 The statistics of ranging to space debris by 8W@1kHz pico-pulse width laser

3.2 空間碎片激光測距性能分析

3.2.1 測距噪聲比對分析

圖9 給出了分別采用1064nm 波長單光子探測器和532nm 單光子探測器在白天時段噪聲分布情況(望遠鏡指向與太陽位置夾角50°), 其中,兩個探測器采用相同的接收視場; 1064nm 波長探測器使用2nm 帶寬濾光片、 532nm 波長探測器使用0.15nm 帶寬濾光片。 根據(jù)測量結果, 對于532nm 波長探測器, 當門控信號發(fā)出時(探測器開始工作), 由于系統(tǒng)噪聲強, 瞬間被噪聲信號觸發(fā)而導致后續(xù)有效回波信號無法再被探測; 對于1064nm 波長探測器, 由于系統(tǒng)噪聲弱, 探測器開始工作后, 有較長探測時間, 利于有效回波信號接收。 這對于軌道預報精度不高的空間碎片目標觀測尤為重要, 可設置較寬的距離門對目標距離誤差進行搜索, 也體現(xiàn)了1064nm 波長激光在空間碎片激光測距的優(yōu)勢。

圖9 1064nm 波長探測器與532nm 波長探測器白天條件下噪聲對比Fig.9 The comparison of noises produced by 1064nm and 532nm wavelength detector in daylight

3.2.2 激光探測能力對比分析

(1) 探測能力理論分析

結合空間碎片激光測距雷達方程和地面測量系統(tǒng)最低回波光子數(shù)探測閾值, 可分析近紅外波長空間碎片激光測距系統(tǒng)的探測能力。 空間碎片激光測距雷達方程如下[23]:

其中, Gt為發(fā)射系統(tǒng)增益:

式中, n0為系統(tǒng)可接收的平均光電子數(shù); ηq為探測器效率; λ 為激光波長; h 為普朗克常數(shù), 取6.626 ×10-34J·s; c 為光速, 取3 ×108m/s; Et為激光脈沖能量; Ar為接收系統(tǒng)的有效面積, 取0.251 m2; σ 為空間目標截面積; θt為激光發(fā)散角; R 為目標徑向距離; Ta為單程大氣透過率;nt為激光發(fā)射光學效率; nr為系統(tǒng)接收光學效率; θ 為發(fā)射光束指向偏差, 取0.5arcsec。 根據(jù)激光測距雷達方程及表1 給出的532nm 和1064nm 波長激光對應的系統(tǒng)參數(shù), 對于同一目標在相同距離情況下, 假定60W@200Hz、 532nm 波長測距系統(tǒng)每秒鐘可獲得N0個回波數(shù), 則8W@ 1kHz、1064nm 波長測距系統(tǒng)每秒鐘探測回波數(shù)約為0.15 N0。

(2) 探測能力實測結果分析

根據(jù)激光測距雷達方程, 在相同激光回波數(shù)情況下, 激光測距系統(tǒng)可探測的目標尺寸與目標距離平方成反比。 根據(jù)此關系對比分析了8W@1kHz、1064nm 波長測距系統(tǒng)與60W@200Hz、 532nm 波長測距系統(tǒng)實際觀測結果, 分別將532nm 波長和1064nm 波長測距系統(tǒng)探測目標尺寸等效成50cm時可探測的最遠距離, 計算結果如圖10 所示。 由圖可知, 對于尺寸50cm 空間目標, 1064nm 波長測距系統(tǒng)可探測最遠距離為750km; 532nm 波長測距系統(tǒng)可探測最遠距離為1300km。 因此8W@1kHz、1064nm 波長測距系統(tǒng)探測能力是60W@200Hz、532nm 波長測距系統(tǒng)的(750/1300)4≈0.11 倍, 這與前節(jié)理論分析的探測能力結果(0.15 倍) 基本相符, 驗證了近紅外波長激光探測理論, 可作為近紅外波長激光測距系統(tǒng)對空間目標探測能力的評估依據(jù)。

圖10 532nm 波長探測系統(tǒng)(60W@200Hz) 和1064nm 波長探測系統(tǒng)(8W@1kHz) 探測能力分析(接收口徑為60cm)Fig.10 The detection ability of 532nm (60W@200Hz)and 1064nm (8W@1kHz) laser ranging systems with the receiving aperture of 60cm

3.3 千赫茲重復率40W、 1064nm 波長激光器系統(tǒng)測量試驗

為開展遠距離小尺寸碎片目標、 亞分米級精度測量研究, 2020 年8 月合作研制了1kHz 重復率、 輸出功率達40W、 1064nm 波長激光器系統(tǒng),激光脈寬約100ps。 應用該激光器系統(tǒng)開展了空間碎片測量試驗, 實現(xiàn)了數(shù)圈次的空間碎片激光測量, 其中對一顆失效的銥星目標測量, 測距精度達亞分米級(9cm), 最遠距離達2600km, 測量結果如圖11 所示, 初步驗證了該激光器系統(tǒng)在空間碎片激光測距的高精度特性。 在此基礎上,上海天文臺還將繼續(xù)優(yōu)化該激光器的光束質量以及系統(tǒng)接收性能, 提升現(xiàn)有1064nm 波長空間碎片激光測距系統(tǒng)的探測能力, 應用于遠距離小尺寸空間碎片的高精度探測, 為發(fā)揮1064nm 波長低背景噪聲技術優(yōu)勢。

4 總結

表1 上海天文臺532nm 和1064nm 波長激光測距系統(tǒng)參數(shù)[5]Table 1 The specifications of laser ranging system for 532nm and 1064nm at Shanghai Observatory

相比532nm 波長空間碎片激光測距系統(tǒng),1064nm 波長激光在信噪比以及探測能力等方面優(yōu)勢明顯, 對促進高精度激光測距技術在空間碎片軌道精密測量具有重要作用。 基于532nm 波長空間碎片激光測距技術, 上海天文臺在國內率先發(fā)展了1064nm 波長激光測距技術, 建立了近紅外波長空間碎片激光測距試驗系統(tǒng), 實現(xiàn)了空間碎片目標測量。 通過對觀測數(shù)據(jù)結果的比對分析,驗證了1064nm 波長激光測距系統(tǒng)測量能力。 為發(fā)展遠距離小尺寸目標亞分米級精度測量研究, 合作研制了千赫茲重復率, 輸出功率40W、 1064nm 波長皮秒激光器系統(tǒng), 實現(xiàn)了最遠2600km 以及失效銥星目標的亞分米級精度測量。 在此基礎上, 還將繼續(xù)優(yōu)化該激光器系統(tǒng)光束質量、 激光發(fā)射系統(tǒng)、 信號接收與探測性能, 研究該激光器系統(tǒng)對空間碎片探測能力, 應用于遠距離小尺寸空間碎片的高精度探測; 充分發(fā)揮近紅外波長激光測距技術的高測量精度、 強探測能力以及噪聲低等優(yōu)勢, 為發(fā)展白天觀測條件下的空間碎片激光測距技術奠定基礎。

圖11 40W@1kHz 激光器系統(tǒng)對銥星目標測距結果Fig.11 The measuring result of ranging to disable Iridium by using 40W@1kHz laser system