李恭強(qiáng), 劉靜, 程昊文

(1. 中國(guó)科學(xué)院國(guó)家天文臺(tái), 北京100101;2. 國(guó)家航天局空間碎片監(jiān)測(cè)與應(yīng)用中心, 北京100101)

1 引言

1957 年10 月4 日, 蘇聯(lián)發(fā)射了世界上第一顆人造地球衛(wèi)星, 人類自此邁入了太空時(shí)代。時(shí)至今日, 人類的航天事業(yè)已發(fā)展了60 余年,取得了一系列偉大的成就, 但在我們不斷探索浩瀚宇宙的進(jìn)程中, 空間環(huán)境也變得日益擁擠復(fù)雜, 不斷增多的空間碎片與部署的巨型衛(wèi)星星座將造成在軌航天器碰撞風(fēng)險(xiǎn)急劇增加, 對(duì)在軌航天器的安全運(yùn)行構(gòu)成現(xiàn)實(shí)性威脅, 空間碎片已逐漸成為影響人類航天活動(dòng)和外層空間可持續(xù)發(fā)展關(guān)鍵因素, 是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注的熱點(diǎn)和重點(diǎn)問題[1,2]。

地球附近空間碎片數(shù)量在迅速增加, 對(duì)在軌或今后發(fā)射的航天器及航天任務(wù)產(chǎn)生的影響日益嚴(yán)重, 增加了對(duì)載人航天的潛在危害[3]。 隨著空間碎片越來越被重視, 各國(guó)都在大力發(fā)展和研發(fā)多種觀測(cè)技術(shù), 以實(shí)現(xiàn)對(duì)空間碎片的有效監(jiān)測(cè),精確測(cè)定運(yùn)行軌道, 及時(shí)發(fā)現(xiàn)空間危險(xiǎn)交會(huì)信息, 為航天器規(guī)避機(jī)動(dòng)提供數(shù)據(jù)支持。 建立可跟蹤的空間碎片動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫, 開展空間碎片環(huán)境演化模式研究。 激光脈沖信號(hào)以其波長(zhǎng)短、 方向性好、 單色性強(qiáng)、 光線在大氣中傳播導(dǎo)致的誤差對(duì)測(cè)距結(jié)果影響小和抗干擾性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì), 使激光測(cè)距成為目前空間碎片測(cè)軌精度最高的主動(dòng)式光電探測(cè)技術(shù)。

空間碎片為非合作目標(biāo), 其表面為漫反射,對(duì)空間碎片進(jìn)行激光測(cè)距難度要遠(yuǎn)大于安裝有角反射器的合作目標(biāo), 主要難點(diǎn)在于空間碎片反射回波信號(hào)非常微弱。 地面空間碎片激光測(cè)距技術(shù)是通過地面站向空間碎片發(fā)射高功率、 準(zhǔn)直性很強(qiáng)的激光束, 進(jìn)行碎片測(cè)量, 測(cè)距精度一般可達(dá)到分米級(jí), 高于目前光電望遠(yuǎn)鏡和微波雷達(dá)系統(tǒng)測(cè)量精度1 ～2 個(gè)數(shù)量級(jí)[4]。 因此, 利用激光觀測(cè)數(shù)據(jù), 也可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微波雷達(dá)系統(tǒng)高時(shí)效觀測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)校、 對(duì)光電望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)目標(biāo)測(cè)定軌結(jié)果的檢核, 開展多站聯(lián)合激光觀測(cè), 提高碎片軌道測(cè)量精度, 對(duì)空間碎片危險(xiǎn)交會(huì)研判、 識(shí)別編目、軌道檢核等具有不可替代的作用[5]。 本文介紹了空間碎片的概況及其危害, 總結(jié)了激光測(cè)距的發(fā)展歷程, 闡述了激光測(cè)距技術(shù)原理及其系統(tǒng)構(gòu)成, 并詳細(xì)分析了空間碎片激光測(cè)距探測(cè)能力及影響探測(cè)精度的誤差來源。

2 空間碎片現(xiàn)狀及危害

2.1 空間碎片來源

空間碎片是指在軌運(yùn)行或再入大氣的無功能人造物體及其殘塊和組件, 航天器發(fā)射過程中產(chǎn)生的沒有入軌的人造物體不計(jì)算在內(nèi)。 空間碎片主要來源包括: (1) 遺棄的航天器和運(yùn)載火箭殘骸。 自1957 年蘇聯(lián)第一顆人造衛(wèi)星發(fā)射以來, 全世界共進(jìn)行了6000 余次航天發(fā)射, 將8000 余個(gè)航天器和近6000 個(gè)運(yùn)載火箭末級(jí)送入地球軌道,目前仍在軌的遺棄航天器數(shù)量已超過5000 個(gè);(2) 航天器爆炸和碰撞解體碎片。 迄今為止, 近地空間發(fā)生了大約200 多次爆炸和碰撞解體事件,產(chǎn)生的碎片數(shù)量占碎片總量的50%以上; (3) 在軌操作產(chǎn)生碎片。 航天器在軌操作過程中會(huì)產(chǎn)生碎片和脫落物, 如“一箭多星” 發(fā)射時(shí)的衛(wèi)星支架、 航天員的生活垃圾和丟失的工具包、 相機(jī)及望遠(yuǎn)鏡鏡頭蓋等; (4) 固體火箭點(diǎn)火產(chǎn)生燃燒物。 航天器使用的固體火箭點(diǎn)火上千次產(chǎn)生的三氧化二鋁熔渣, 目前數(shù)量已達(dá)千萬量級(jí)[1,2]。

2.2 空間碎片數(shù)量劇增

隨著各國(guó)航天事業(yè)快速發(fā)展, 空間碎片數(shù)量增長(zhǎng)迅速, 大于10cm 的碎片數(shù)量已經(jīng)超過20000個(gè), 如圖1 所示大于1cm 的碎片數(shù)量超過90 萬個(gè), 大于1mm 的碎片數(shù)量更是數(shù)以億計(jì), 同時(shí)世界各國(guó)在巨型衛(wèi)星星座領(lǐng)域迅猛發(fā)展, 按照當(dāng)前計(jì)劃, 未來全球?qū)⒉渴鹗鄠€(gè)衛(wèi)星星座, 共計(jì)近6 萬顆衛(wèi)星, 使我國(guó)航天器的安全運(yùn)行面臨著嚴(yán)重威脅。 此外, 太陽系內(nèi)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的近地天體迫近地球的事件也時(shí)有發(fā)生, 在空間碎片和近地天體威脅下, 人類航天活動(dòng)及其可持續(xù)發(fā)展將面臨巨大挑戰(zhàn)[3]。

空間碎片圍繞地球運(yùn)動(dòng), 如果對(duì)大于10cm的空間碎片拍張“快照”, 就可以看到緊靠著地球的區(qū)域以及在地球同步地球軌道附近空間碎片特別密集。 據(jù)統(tǒng)計(jì), 在2000km 高度以下的LEO軌道、 約20000km 高度的MEO 軌道和約36000km高度的GEO 軌道區(qū)域有三個(gè)明顯數(shù)量峰值, 這正是人類航天活動(dòng)的密集區(qū)。

圖1 1957 年至2020 年空間物體數(shù)量變化趨勢(shì)圖Fig.1 Variation of number of space objects from 1957 to 2020

圖2 空間碎片密度分布Fig.2 Space debris density distribution

2.3 碎片撞擊事件頻發(fā)

大量碎片在衛(wèi)星常用軌道上密集運(yùn)行, 使得碰撞解體等空間事件頻發(fā), 2019 年我國(guó)在軌航天器與空間碎片危險(xiǎn)交會(huì)事件就多達(dá)300 余起。

空間碎片和航天器以超過7.9km/s 的速度圍繞地球高速運(yùn)動(dòng), 相互撞擊的平均相對(duì)速度可達(dá)10km/s 以上。 尺寸大于1cm 的空間碎片撞擊可導(dǎo)致航天器徹底損壞。 2013 年, 厄瓜多爾立方體衛(wèi)星飛馬座與蘇聯(lián)火箭殘骸相撞, 導(dǎo)致衛(wèi)星失效。2011 年6 月12 日, 我國(guó)北斗導(dǎo)航星座IGSO -2衛(wèi)星太陽電池陣損失兩個(gè)電路, 結(jié)論確認(rèn)衛(wèi)星在軌受到小碎片撞擊。 2009 年2 月11 日, 美國(guó)商業(yè)通信衛(wèi)星銥星33 和俄羅斯廢棄的宇宙2251 衛(wèi)星相撞, 相對(duì)速度達(dá)11.6km/s, 產(chǎn)生2000 多個(gè)空間碎片, 引起國(guó)際社會(huì)強(qiáng)烈反響。

根據(jù)統(tǒng)計(jì), 在軌航天器與空間碎片距離小于100m 的危險(xiǎn)交會(huì)每周平均為80 次, 我國(guó)衛(wèi)星遭遇的危險(xiǎn)交會(huì)平均每周6 次以上, 隨著未來巨型星座的相繼部署, 碎片碰撞事件將更加頻繁, 航天員的空間活動(dòng)和航天器的在軌運(yùn)行安全受到嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。

3 空間碎片激光測(cè)距技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1960 年, 美國(guó)研制了第一臺(tái)紅寶石激光器,證實(shí)了激光具有遠(yuǎn)程測(cè)量的能力。 經(jīng)過幾十年的發(fā)展, 激光測(cè)距技術(shù)在各方面都有了很大的進(jìn)展。 世界上多個(gè)國(guó)家發(fā)展了空間碎片激光測(cè)距技術(shù), 如美國(guó)、 澳大利亞、 法國(guó)、 奧地利、 俄羅斯、 波蘭以及中國(guó)等[8,9]。 1998 年, 國(guó)際激光測(cè)距服務(wù)組織(ILRS) 成立, 組織國(guó)際聯(lián)合觀測(cè)、加強(qiáng)合作和協(xié)調(diào), 推進(jìn)了激光測(cè)距技術(shù)的發(fā)展。

3.1 國(guó)外發(fā)展現(xiàn)狀

美國(guó)1994 年在第9 屆國(guó)際激光測(cè)距會(huì)議上稱其位于新墨西哥州的激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡對(duì)空間碎片的探測(cè)距離可達(dá)到1000km。

澳大利亞光電系統(tǒng)公司 (EOS) 2002 年公布, 其Stromlo 激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡, 可探測(cè)到1200多公里軌道高度的15cm 大小的空間碎片。 所采用的望遠(yuǎn)鏡口徑為76cm, 激光波長(zhǎng)為532nm, 脈寬為ns 量級(jí)[7]。 2004 年, 澳大利亞利用口徑為1.8m 的激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡, 實(shí)現(xiàn)了距離1000km處, 大小為10cm 的空間碎片的激光測(cè)距探測(cè),提高了測(cè)距能力, 其激光器功率為100W[8]。

法國(guó)Grasse 天文臺(tái)激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡2012 年成功實(shí)現(xiàn)了距離1700km 處空間碎片的探測(cè), 所用望遠(yuǎn)鏡口徑為1.56m[10,11]。 2016 年, 法國(guó)Grasse天文臺(tái), 利用平均功率3W、 波長(zhǎng)1064nm 的激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡實(shí)現(xiàn)了激光測(cè)月, 驗(yàn)證了1064nm 激光測(cè)距的優(yōu)勢(shì)[12]。

奧地利激光測(cè)距設(shè)備2015 年實(shí)現(xiàn)了對(duì)3000km 距離處, 0.3m2空間碎片的激光探測(cè), 其激光波長(zhǎng)為532nm, 重頻1kHz, 功率25W[13]。

3.2 國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

上海天文臺(tái)2008—2010 年在國(guó)內(nèi)多次進(jìn)行空間碎片激光測(cè)距實(shí)驗(yàn), 均成功探測(cè)到空間碎片,探測(cè)距離從最初的900km 提高到后來的1200km,測(cè)距精度從最初的1m 提高到80 ～100cm。 2018 年上海天文臺(tái)利用合作單位激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡開展小尺寸空間碎片激光測(cè)距試驗(yàn), 望遠(yuǎn)鏡口徑為2m, 激光功率60W, 實(shí)現(xiàn)了對(duì)1600km 處, RCS 為0.05m2(編號(hào)01520) 空間碎片的有效探測(cè)[9,14]。

云南天文臺(tái)分別在2008 年、 2010 年、 2011 年開展了數(shù)次空間碎片激光測(cè)距觀測(cè)實(shí)驗(yàn), 并成功探測(cè)到多個(gè)碎片的回波信息, 得到空間碎片精確測(cè)距數(shù)據(jù)。 其使用的激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡參數(shù)為: 望遠(yuǎn)鏡口徑1.2m, 為收發(fā)共光路測(cè)距系統(tǒng), 激光器功率45W, 重復(fù)頻率10Hz, 脈沖能量4.5J, 激光波長(zhǎng)532nm[15,16]。 2017 年, 云南天文臺(tái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展, 進(jìn)行了1064nm 波長(zhǎng)的空間碎片激光測(cè)距試驗(yàn), 并獲得成功[17]。

中科院國(guó)家天文臺(tái)長(zhǎng)春人造衛(wèi)星觀測(cè)站, 利用實(shí)時(shí)時(shí)間偏差修正、 目標(biāo)閉環(huán)跟蹤、 激光出射方向控制、 預(yù)報(bào)實(shí)時(shí)修正等技術(shù), 建立了空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng), 實(shí)現(xiàn)了高重復(fù)頻率空間碎片常規(guī)觀測(cè)[6]。 2014 年, 進(jìn)行了空間碎片激光測(cè)距實(shí)驗(yàn), 并獲得成功, 所用設(shè)備配置參數(shù)為: 激光功率60W, 重復(fù)頻率500Hz, 波長(zhǎng)532nm, 望遠(yuǎn)鏡口徑60cm。 利用該設(shè)備在26 個(gè)觀測(cè)日里獲得466圈觀測(cè)數(shù)據(jù), 其中晨昏數(shù)據(jù)26 圈, 觀測(cè)高度角范圍19° ～87°, 測(cè)距精度可達(dá)1.0m (RMS), 測(cè)距范圍450 ～1800km, 觀測(cè)的雷達(dá)散射截面(RCS)最小可達(dá)0.9m2, 成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)空間碎片激光測(cè)距數(shù)據(jù)的獲取[18]。

4 空間碎片激光測(cè)距技術(shù)原理及系統(tǒng)組成

4.1 激光測(cè)距工作原理

空間碎片激光測(cè)距的原理是通過精確測(cè)定激光脈沖從觀測(cè)站到空間碎片的往返時(shí)間間隔(t),從而算出觀測(cè)站至空間碎片的距離(R), 則R 和t 的關(guān)系式為: R= (1/2) ct, 其中c 為光速。 激光測(cè)距系統(tǒng)通過望遠(yuǎn)鏡激光發(fā)射系統(tǒng), 向空間碎片發(fā)射激光束, 開展空間碎片激光測(cè)距。 地面計(jì)時(shí)系統(tǒng)記錄激光發(fā)射時(shí)刻, 光子探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)從空間碎片返回的信號(hào), 并由地面計(jì)時(shí)系統(tǒng)記錄回波時(shí)刻, 根據(jù)激光發(fā)射時(shí)刻和接收時(shí)刻差, 獲得空間碎片高精度距離信息。

原理看似簡(jiǎn)單, 但實(shí)現(xiàn)起來卻非常困難。 對(duì)于空間碎片, 由于不帶有激光角反射器, 對(duì)入射的激光束只能進(jìn)行表面漫反射, 僅有極少部分的激光信號(hào)能返回到地面觀測(cè)站, 測(cè)量難度相比帶有激光角反射器的空間目標(biāo)要高很多。 對(duì)空間碎片開展激光測(cè)距, 高光束質(zhì)量、 高功率激光器、高穩(wěn)定跟蹤望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、 高效率激光發(fā)射及接收系統(tǒng)、 高效率低噪聲光子探測(cè)器等是必要的, 這樣才能滿足對(duì)小尺寸空間碎片激光回波信號(hào)探測(cè), 進(jìn)行有效激光測(cè)距。 激光測(cè)距技術(shù)與一般光學(xué)測(cè)距技術(shù)和雷達(dá)測(cè)距手段相比, 具有對(duì)電磁干擾不敏感、 抗干擾能力強(qiáng)、 測(cè)量精度高等優(yōu)點(diǎn)。

4.2 激光測(cè)距系統(tǒng)組成

空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)主要組成由望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng)、 高功率激光器子系統(tǒng)、 光子探測(cè)與精密計(jì)時(shí)子系統(tǒng)、 測(cè)距控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)等。 空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)各子系統(tǒng)主要功能如下:

(1) 望遠(yuǎn)鏡子系統(tǒng)是激光測(cè)距系統(tǒng)的主要執(zhí)行子系統(tǒng), 在測(cè)距控制子系統(tǒng)的指令下完成目標(biāo)的引導(dǎo)、 捕獲跟蹤, 同時(shí)實(shí)現(xiàn)激光脈沖的發(fā)射和激光回波的接收。

(2) 高功率激光器子系統(tǒng)作為激光測(cè)距系統(tǒng)的發(fā)射光源, 是系統(tǒng)中的核心部件, 用于產(chǎn)生穩(wěn)定的、 高質(zhì)量的大能量激光脈沖信號(hào)。 高光束質(zhì)量和窄激光發(fā)散角, 能保證激光束能量的均勻性和高能量密度, 使得較多的激光能量被空間碎片反射回地面站, 提高測(cè)量測(cè)成功率和測(cè)距精度。

(3) 光子探測(cè)與精密計(jì)時(shí)子系統(tǒng)用于接收從空間碎片返回的微弱激光回波信號(hào), 精確測(cè)量激光脈沖從地面站到空間碎片間的往返時(shí)間, 從而得到精確的測(cè)距信息。

(4) 測(cè)距控制與數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)是空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)控制樞紐, 是連接激光測(cè)距系統(tǒng)各組成部分的紐帶。 各個(gè)子系統(tǒng)在激光測(cè)距控制的統(tǒng)一協(xié)調(diào)下按嚴(yán)格時(shí)序協(xié)同開展工作、 密不可分, 以完成對(duì)空間碎片臺(tái)站預(yù)報(bào)、 精密跟蹤、 激光發(fā)射瞄準(zhǔn)、 回波信號(hào)探測(cè)接收、 數(shù)據(jù)采集顯示存儲(chǔ)及預(yù)處理等工作。

5 空間碎片激光測(cè)距探測(cè)能力分析

5.1 激光測(cè)距能力分析

激光雷達(dá)測(cè)距方程是評(píng)估空間碎片激光測(cè)距能力的基礎(chǔ)。 空間碎片激光測(cè)距雷達(dá)方程如式(1) 所示:

式中: n0為測(cè)距系統(tǒng)可接收到的平均光電子數(shù);v 為激光頻率; ηq為回波光子探測(cè)器探測(cè)效率; h為普朗克常數(shù)6.6260693 ×10-34J·s; Et為激光脈沖能量; Ar為接收系統(tǒng)有效面積; σ 為空間碎片橫截面積; θt為激光光束發(fā)散角; R 為空間碎片距離; T 為大氣透過率參數(shù); T2為雙程大氣透過率;Tt為發(fā)射系統(tǒng)效率; Tr為接收系統(tǒng)效率。

圖3 空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)流程圖Fig.3 Workflow of space debris laser ranging system

激光回波信號(hào)需經(jīng)過光子探測(cè)器的接收, 才能轉(zhuǎn)化為電信號(hào), 繼而被測(cè)距系統(tǒng)識(shí)別。 光子接收器的光敏面產(chǎn)生光電子的光電效應(yīng)服從泊松分布。 按照泊松分布, 平均光電子數(shù)為n0時(shí), 發(fā)射n 個(gè)光電子的概率如式(2) 所示:

對(duì)于單光子探測(cè)器, 產(chǎn)生一個(gè)及以上的光電子概率如式(3) 所示:

對(duì)于激光發(fā)射頻率為N =P (1)·f, 則每秒鐘激光回波光子數(shù)如式(4) 所示:

對(duì)于空間碎片激光測(cè)距信號(hào)探測(cè), 每秒鐘達(dá)5 個(gè)及以上即認(rèn)為目標(biāo)成功觀測(cè)到, 即目標(biāo)測(cè)量成功的判斷閾值。

由于在光學(xué)區(qū), 目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積RCS與目標(biāo)尺寸r 的平方成正比RCS∝r2。 而根據(jù)激光雷達(dá)方程, 可以看出可探測(cè)目標(biāo)的RCS 與距離R 的四次方成正比RCS∝R4。 那么可以得出激光測(cè)距設(shè)備可探測(cè)碎片的尺寸與距離的平方成正比r∝R2。

5.2 望遠(yuǎn)鏡跟蹤性能對(duì)激光回波影響分析

地面站向空間碎片發(fā)射出去的激光束能量分布服從正態(tài)分布, 激光到達(dá)目標(biāo)處, 擊中目標(biāo)存在一定的概率。 此概率與激光發(fā)散角和望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差的比值有關(guān), 該比值代表了正態(tài)分布中隨機(jī)變量σ 的倍數(shù)。 假定望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差符合高斯正態(tài)分布, 圖4 給出了激光發(fā)散角(半角) 與望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差不同比值時(shí), 激光擊中目標(biāo)的概率變化。 由圖4 可知, 比值越大, 激光擊中目標(biāo)的概率越高。

激光雷達(dá)方程所計(jì)算的激光回波數(shù)是假定望遠(yuǎn)鏡無跟蹤誤差情況。 實(shí)際測(cè)量中, 望遠(yuǎn)鏡跟蹤系統(tǒng)總有一定的跟蹤誤差, 也必然給探測(cè)概率產(chǎn)生一定的影響。 由于存在跟蹤誤差, 在發(fā)射出去激光擊中目標(biāo)情況下, 其接收到的激光回波數(shù)比無跟蹤誤差時(shí)要小。 激光發(fā)散角一定時(shí), 望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差越小, 越有利于激光回波探測(cè)。 望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差、 激光發(fā)散角與接收到回波信號(hào)強(qiáng)度可用式(6) 來表示:

圖4 激光擊中目標(biāo)的概率變化圖Fig.4 Probability of laser hitting a target

式中, 表示有跟蹤誤差時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度; ns表示無跟蹤誤差時(shí)接收到的信號(hào)強(qiáng)度; σp表示方位和高度跟蹤誤差; σt表示激光發(fā)散角(半角)。

由圖4 及式(6) 分析可知, 望遠(yuǎn)鏡伺服系統(tǒng)跟蹤誤差對(duì)空間碎片激光回波探測(cè)有直接的影響: (1) 激光發(fā)散角與跟蹤誤差的比值越大, 激光擊中目標(biāo)的概率越大; (2) 發(fā)散角一定時(shí), 激光回波數(shù)隨跟蹤誤差的減小而增加。 激光發(fā)散角的設(shè)計(jì)需與望遠(yuǎn)鏡跟蹤誤差相匹配, 使兩者達(dá)到最優(yōu)化關(guān)系。

5.3 近紅外波長(zhǎng)激光測(cè)距技術(shù)

針對(duì)532nm 波長(zhǎng)空間碎片激光測(cè)距系統(tǒng)在對(duì)小尺寸空間碎片探測(cè)能力、 目標(biāo)探測(cè)范圍受限等問題, 采用近紅外波段(1064nm 波長(zhǎng)) 激光測(cè)距技術(shù)開展小尺寸碎片觀測(cè)逐漸成為一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。 相比532nm 波長(zhǎng)激光, 1064nm 波長(zhǎng)信號(hào)具有輸出功率高、 大氣透過率優(yōu)、 光子數(shù)多等特點(diǎn), 因此應(yīng)用于空間碎片探測(cè)十分有助于提升系統(tǒng)能力。 具體分析如下:

(1) 1064nm 波長(zhǎng)激光輸出功率更高

532nm 波長(zhǎng)可見光是通過對(duì)基頻1064nm 進(jìn)行倍頻, 但激光倍頻器件的轉(zhuǎn)換效率一般在50%左右, 導(dǎo)致了近一半的能量損失。 目前適合激光測(cè)距的532nm 激光器輸出功率在數(shù)十瓦量級(jí), 如果提高激光器的輸出功率, 倍頻器會(huì)損傷嚴(yán)重,器件穩(wěn)定性會(huì)變差。

如果采用基頻1064nm 波長(zhǎng)激光測(cè)距, 在激光器其他指標(biāo)不變的情況下, 激光器輸出功率將可提高近一倍。 由于1064nm 波長(zhǎng)激光器不需要使用倍頻器件, 避開了倍頻器件的效率問題, 可有效提升激光器功率, 同時(shí)也可以提高激光束的光學(xué)質(zhì)量, 增大了激光器的穩(wěn)定性。

(2) 1064nm 波長(zhǎng)大氣透過率更優(yōu)

不同波長(zhǎng)激光在大氣中的透過率變化曲線有很大區(qū)別。 對(duì)于532nm 和1064nm 波長(zhǎng)激光, 大氣透過率分別在0.4 ～0.8 (變化大, 且在低仰角時(shí)較差) 和0.8 ～0.95 (低仰角透過率高且穩(wěn)定)之間。 對(duì)比分析可以看出, 1064nm 具有更高的透過率, 回波更強(qiáng), 觀測(cè)弧段更長(zhǎng)。

(3) 光子數(shù)

根據(jù)光的量子理論, 單個(gè)光子能量如式(7)所示:

式中, v 為光頻率; c 為光速; h 為普朗克常數(shù);λ 為光波長(zhǎng)。

激光單位能量的光子數(shù)S 表示每1J 能量中包含的光子總數(shù), S 可通過式(8) 計(jì)算:

由于單個(gè)光子能量和波長(zhǎng)成反比, 相同能量的激光信號(hào), 1064nm 波長(zhǎng)的光子數(shù)量是532nm波長(zhǎng)光子數(shù)的2 倍。 這有助于提高微弱信號(hào)目標(biāo)測(cè)距的回波光子數(shù), 提高系統(tǒng)測(cè)距能力。

6 空間碎片激光測(cè)距誤差來源分析

空間碎片激光測(cè)距不同于衛(wèi)星激光測(cè)距, 其為非合作目標(biāo), 主要為漫反射, 返回信號(hào)較弱。誤差較大, 誤差源較多。 空間碎片激光測(cè)距中,存在偶然誤差因素和系統(tǒng)誤差因素, 其中系統(tǒng)誤差較為固定, 可以通過模型加以修正, 影響測(cè)距精度的主要是偶然誤差。 系統(tǒng)誤差主要包括系統(tǒng)時(shí)延、 大氣延遲, 系統(tǒng)時(shí)延通過測(cè)量地靶進(jìn)行改正, 大氣延遲使用修正模型進(jìn)行改正, 但仍會(huì)存在改正殘差。 偶然誤差包括激光脈沖寬度、 事件計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)誤差、 主波信號(hào)探測(cè)誤差、 回波信號(hào)探測(cè)誤差和目標(biāo)形狀效應(yīng)等。

各項(xiàng)誤差對(duì)空間碎片激光測(cè)距望遠(yuǎn)鏡時(shí)間測(cè)量精度σm的影響如式(9) 所示:

式中, σ1為激光脈沖寬度引起的誤差; σ2為空間碎片形狀效應(yīng)引起的誤差, 對(duì)于空間碎片, 由于其姿態(tài)不固定, 存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 使得目標(biāo)反射面狀態(tài)更為復(fù)雜, 作為測(cè)距的隨機(jī)誤差; σ3為系統(tǒng)延遲改正誤差, 地靶距離測(cè)量精度一般可達(dá)±1mm, 系統(tǒng)延遲標(biāo)校誤差σ3< 3ps; σ4為大氣延遲改正模型誤差, 大氣延遲改正模型采用Marini-Murray 模型, 模型修正誤差σ4< 33ps; σ5為主波信號(hào)探測(cè)誤差σ5<30ps; σ6為事件計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)誤差σ6為幾十皮秒量級(jí); σ7為光子接收探測(cè)器時(shí)間抖動(dòng)誤差σ7約為百皮秒量級(jí)。

6.1 系統(tǒng)誤差

系統(tǒng)誤差主要為系統(tǒng)時(shí)延, 系統(tǒng)時(shí)延包括測(cè)量系統(tǒng)光路和電子設(shè)備引起的時(shí)延。 系統(tǒng)測(cè)量得到的距離是激光從主波取樣探頭產(chǎn)生的起始脈沖到回波探測(cè)器獲得的關(guān)門信號(hào)之間的時(shí)間間隔。這兩個(gè)探測(cè)點(diǎn)與儀器的相位中心不重合, 帶來了所謂光路時(shí)延, 只要探測(cè)頭位置不變, 光路時(shí)延可視為常數(shù)。 發(fā)射系統(tǒng)中, 電子設(shè)備和電纜對(duì)信號(hào)產(chǎn)生時(shí)延。 同樣接收系統(tǒng)中回波信號(hào)經(jīng)光子探測(cè)器到計(jì)數(shù)器關(guān)門, 也有時(shí)延。 這部分時(shí)延是由系統(tǒng)設(shè)備引起的, 稱系統(tǒng)時(shí)延。

可通過測(cè)量地面靶目標(biāo)對(duì)系統(tǒng)時(shí)延進(jìn)行標(biāo)定, 地面靶目標(biāo)距離望遠(yuǎn)鏡位置固定, 對(duì)入射的微能量激光進(jìn)行反射, 測(cè)量激光從地面靶目標(biāo)的往返飛行時(shí)間, 扣除固定距離值, 即獲取系統(tǒng)時(shí)延量。

6.2 偶然誤差

激光測(cè)距系統(tǒng)的偶然誤差包括激光脈沖寬度影響、 事件計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)誤差、 主波信號(hào)探測(cè)誤差、 回波信號(hào)探測(cè)誤差和目標(biāo)形狀效應(yīng)。 由于測(cè)距系統(tǒng)采用高靈敏光子探測(cè)器, 有很快的響應(yīng)速度, 計(jì)時(shí)設(shè)備一般采用皮秒級(jí)精度的事件計(jì)時(shí)器, 因而影響空間碎片激光測(cè)距精度的主要是激光器, 其中最大的因素是激光脈寬。 對(duì)空間碎片測(cè)距誤差的主要來源, 如激光器脈寬和碎片形狀效應(yīng)等的具體分析如下。

(1) 激光脈寬對(duì)測(cè)距精度影響

圖5 單程測(cè)距誤差隨脈寬的變化Fig.5 Variation of one-way ranging error with pulse width

(2) 空間碎片尺寸對(duì)測(cè)距精度影響

對(duì)于空間碎片, 由于對(duì)入射激光進(jìn)行表面反射, 即從碎片表面不同位置反射的激光信號(hào), 到達(dá)地面測(cè)距系統(tǒng)后將產(chǎn)生時(shí)間差, 該時(shí)刻差直接影響著對(duì)目標(biāo)距離測(cè)量誤差, 作為測(cè)距的隨機(jī)誤差。 此外對(duì)空間碎片, 由于其姿態(tài)不固定, 存在旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象, 使得目標(biāo)反射面狀態(tài)更為復(fù)雜。

7 總結(jié)

空間碎片已經(jīng)成為全球性問題, 成為影響航天事業(yè)發(fā)展和外空活動(dòng)長(zhǎng)期可持續(xù)的關(guān)鍵因素,是國(guó)際社會(huì)高度關(guān)注的熱點(diǎn), 也是國(guó)際外空利益博弈的焦點(diǎn)。 為了航天活動(dòng)可持續(xù)發(fā)展和外空資源的進(jìn)一步開發(fā)利用, 通過研究空間碎片觀測(cè)方法, 提高碎片監(jiān)測(cè)數(shù)量和精度, 提升空間碎片應(yīng)對(duì)技術(shù)能力。

隨著國(guó)外空間碎片激光探測(cè)技術(shù)發(fā)展, 近紅外波長(zhǎng)(1064nm) 激光測(cè)距技術(shù)成為發(fā)展趨勢(shì)。相比532nm 波長(zhǎng)激光信號(hào), 1064nm 波長(zhǎng)激光信號(hào)在激光輸出功率、 大氣傳輸、 目標(biāo)觀測(cè)隱蔽性等方面具有良好技術(shù)優(yōu)勢(shì), 是開展小尺寸空間碎片激光觀測(cè)的重要技術(shù)。 未來可根據(jù)空間碎片監(jiān)測(cè)任務(wù)需求和觀測(cè)計(jì)劃, 聯(lián)合國(guó)內(nèi)其他臺(tái)站, 執(zhí)行空間碎片激光跟蹤與測(cè)量工作, 為我國(guó)空間碎片監(jiān)測(cè)預(yù)警、 航天器機(jī)動(dòng)規(guī)避及大氣質(zhì)量密度模型校正研究等領(lǐng)域提供更多的高精度測(cè)量數(shù)據(jù)支持。