專(zhuān)利名稱(chēng)：基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種用于高精度激光衛(wèi)星測(cè)距的系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)校正大氣湍流和望遠(yuǎn)鏡本身引入的傾斜跟蹤抖動(dòng)從而提高對(duì)衛(wèi)星的指向精度。
背景技術(shù)：
衛(wèi)星激光測(cè)距(Satellite Laser Ranging，SLR)是60年代初由美國(guó)宇航局NASA發(fā)起的一項(xiàng)旨在利用空間技術(shù)來(lái)研究地球動(dòng)力學(xué)、大地測(cè)量學(xué)、地球物理學(xué)和天文學(xué)等的技術(shù)手段。激光測(cè)距衛(wèi)星的特點(diǎn)是，在衛(wèi)星的表面裝有角反射器，用于反射地面測(cè)站所發(fā)射的激光。地面測(cè)站利用接收望遠(yuǎn)鏡接收從衛(wèi)星角反射器返回的激光，利用時(shí)間間隔計(jì)數(shù)器測(cè)出激光往返所需時(shí)間，這樣可以精確地獲得地面測(cè)站到衛(wèi)星的距離。在計(jì)算過(guò)程中，還應(yīng)對(duì)大氣中的光速值和衛(wèi)星的質(zhì)心等進(jìn)行精確的修正，并對(duì)測(cè)量中的光路和電氣系統(tǒng)的時(shí)延等進(jìn)行嚴(yán)格的標(biāo)定。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，SLR已取得了巨大的成績(jī)。觀(guān)測(cè)的精度由最初第一代的幾米，提高到現(xiàn)在第三代的幾厘米甚至亞毫米。
上述衛(wèi)星激光測(cè)距方法可以參見(jiàn)“衛(wèi)星激光測(cè)距的發(fā)展和現(xiàn)狀”趙有，劉乃苓，1999。這種衛(wèi)星激光測(cè)距方案的不足在于，不同高度的衛(wèi)星所受到的攝動(dòng)影響不同，其軌道的預(yù)報(bào)精度也不相同，高軌道衛(wèi)星的預(yù)報(bào)精度要好于低軌道衛(wèi)星，而且由于望遠(yuǎn)鏡本身的指向精度，都使得在進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距時(shí)對(duì)衛(wèi)星的跟蹤精度不夠，特別是對(duì)與低軌(軌道高度＜800km)，快速目標(biāo)指向精度會(huì)更差。
項(xiàng)清革，衛(wèi)志斌，程伯輝，瞿鋒，王譚強(qiáng)等人設(shè)計(jì)可調(diào)節(jié)發(fā)散角系統(tǒng)(“衛(wèi)星激光測(cè)距儀發(fā)散角系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”，2004)，對(duì)低軌道衛(wèi)星，通過(guò)加大發(fā)散角犧牲回波強(qiáng)度來(lái)增加捕獲幾率，然而這對(duì)激光光源輸出功率提出了更高的要求，且激光能量的利用率低，還是有太多不確定因素，沒(méi)有解決問(wèn)題的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)高指向精度的衛(wèi)星測(cè)距系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)πl(wèi)星進(jìn)行高精度的跟蹤，跟蹤精度超過(guò)0.1”，可以提高衛(wèi)星激光測(cè)距時(shí)的激光中心能量命中率，提高探測(cè)器接收到激光回波的幾率，同時(shí)可以減小測(cè)距激光光源的發(fā)散角，進(jìn)而降低對(duì)光源的輸出功率要求。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，包括衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其特點(diǎn)在于還包括傾斜時(shí)實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)，所述傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)由高速傾斜反射鏡、傾斜跟蹤傳感器和高速處理機(jī)組成，高速傾斜反射鏡置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，由傾斜跟蹤傳感器對(duì)接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的光波進(jìn)行波前探測(cè)，傾斜跟蹤傳感器探測(cè)的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)高速處理機(jī)進(jìn)行波前復(fù)原和控制算法后，輸出校正控制信號(hào)至接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的高速傾斜鏡，完成對(duì)傾斜閉環(huán)實(shí)時(shí)校正，然后望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)開(kāi)啟衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，發(fā)送特定波長(zhǎng)的激光，進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。
所述的傾斜跟蹤傳感器由跟蹤物鏡與CCD探測(cè)器組成，或跟蹤物鏡與ICCD探測(cè)器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱目標(biāo)的高精度跟蹤測(cè)距組成。
所述的高速傾斜反射鏡是壓電式反射鏡，或是電致伸縮式反射鏡，或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Bimorph反射鏡。
高速傾斜反射鏡可以放置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)中任何一個(gè)中繼反射鏡處。
本發(fā)明的原理是當(dāng)接收望遠(yuǎn)鏡根據(jù)衛(wèi)星預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行捕獲跟蹤時(shí)，利用在光路中的傾斜跟蹤傳感器，實(shí)時(shí)探測(cè)到衛(wèi)星反射太陽(yáng)光的波前信息，經(jīng)過(guò)傾斜信號(hào)提取算法和控制算法控制安置在光路中的高速傾斜反射鏡，實(shí)現(xiàn)傾斜象差的實(shí)時(shí)閉環(huán)校正，從而極大提高望遠(yuǎn)鏡的指向衛(wèi)星的精度。然后系統(tǒng)中的激光測(cè)距系統(tǒng)發(fā)射特定波長(zhǎng)的激光脈沖，通過(guò)望遠(yuǎn)鏡光路使得激光光斑中心能量能高精度的命中衛(wèi)星，提高探測(cè)激光回波的幾率。對(duì)于現(xiàn)在很難精確測(cè)定的低軌道，快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有著更加顯著的效果。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比有如下優(yōu)點(diǎn)(1)本發(fā)明對(duì)大氣湍流和望遠(yuǎn)鏡的傾斜抖動(dòng)引入的傾斜的實(shí)時(shí)閉環(huán)校正使得接收望遠(yuǎn)鏡對(duì)衛(wèi)星的指向精度能超過(guò)0.1”，尤其對(duì)低軌道，快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)跟蹤精度上會(huì)有很顯著的提高。
(2)本發(fā)明在很大程度提高了衛(wèi)星的跟蹤精度的基礎(chǔ)上，可以很大程度提高激光中心能量命中衛(wèi)星的能力，并使得探測(cè)器接收到激光回波的幾率能明顯有提高。
(3)本發(fā)明在中心能量能高精度命中衛(wèi)星的基礎(chǔ)上，對(duì)激光光源的要求可以進(jìn)一步的放寬，對(duì)激光的輸出功率，發(fā)散角的相應(yīng)要求都可以降低，可以簡(jiǎn)化激光器的設(shè)計(jì)。
(4)本發(fā)明在實(shí)時(shí)探測(cè)波前進(jìn)行傾斜像差校正時(shí)，是利用衛(wèi)星本身對(duì)太陽(yáng)光的反射，可以全波段的利用光波能量，探測(cè)能力強(qiáng)，進(jìn)一步在探測(cè)器前面加上像增強(qiáng)器組成ICCD后，實(shí)現(xiàn)對(duì)極弱目標(biāo)的高精度跟蹤測(cè)距。
(5)利用高速傾斜鏡進(jìn)行傾斜的實(shí)時(shí)校正，系統(tǒng)的復(fù)雜性沒(méi)有太大的變化，且高速傾斜鏡的設(shè)計(jì)與制作，傾斜跟蹤傳感器的設(shè)計(jì)與制作已經(jīng)很成熟，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工易實(shí)現(xiàn)。


圖1為本發(fā)明基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)框圖；圖2為本發(fā)明的光路和電路的原理圖；圖3為本發(fā)明中的接收望遠(yuǎn)鏡光路示意圖；圖4為本發(fā)明中的傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)示意圖；圖5為本發(fā)明中的激光測(cè)距系統(tǒng)示意圖；圖6為本發(fā)明中的傾斜跟蹤傳感器工作原理示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1、2所示，整個(gè)基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)有三個(gè)分系統(tǒng)組成，分別為接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)1，激光測(cè)距系統(tǒng)2，傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)3，衛(wèi)星反射的太陽(yáng)光由接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)進(jìn)入Coude房后，光波經(jīng)分光鏡4后，傳到傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)3進(jìn)行波前探測(cè)，經(jīng)過(guò)波前復(fù)原和控制算法后，經(jīng)由控制回路5控制接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的高速傾斜鏡進(jìn)行實(shí)時(shí)閉環(huán)后，開(kāi)啟激光測(cè)距發(fā)送/接收系統(tǒng)2，發(fā)送特定波長(zhǎng)的激光，進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。由于傾斜已經(jīng)得到校正，因而望遠(yuǎn)鏡的指向精度有了數(shù)量級(jí)的提高，此時(shí)進(jìn)行激光測(cè)距，能很大程度提高激光命中率和探測(cè)器接收到激光回波的幾率。
如圖2、3所示，為接收望遠(yuǎn)鏡1的光路結(jié)構(gòu)，望遠(yuǎn)鏡通過(guò)衛(wèi)星預(yù)報(bào)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行捕獲和跟蹤，主鏡6和次鏡7組成無(wú)焦(也可以是有焦)系統(tǒng)，通過(guò)轉(zhuǎn)向鏡8將接收到的光入射到高速傾斜反射鏡9上，高速傾斜反射鏡9可以在望遠(yuǎn)鏡光路中的任意一個(gè)位置，放置的位置要求有良好的機(jī)械穩(wěn)定性能，可以考慮適當(dāng)?shù)姆胖糜贑oude光路末端，減少反射鏡的通光口徑，以降低成本，再由另外的轉(zhuǎn)向鏡10，11將光導(dǎo)入Coude房后，通過(guò)分光鏡4傾斜校正系統(tǒng)3僅僅是接收衛(wèi)星反射的太陽(yáng)光波進(jìn)行工作，而衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)2對(duì)特定波長(zhǎng)激光的發(fā)送和接收是共光路的。
如圖2、4所示，為傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)3由高速傾斜反射鏡9、傾斜跟蹤傳感器和高速處理機(jī)組成，傾斜跟蹤傳感器由跟蹤物鏡17和CCD探測(cè)器18組成，由接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)1入射的衛(wèi)星反射太陽(yáng)光波波前經(jīng)由分光鏡4入射到傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)3后，由跟蹤物鏡17直接將波前會(huì)聚到CCD探測(cè)器18的靶面19上，在光路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該使跟蹤物鏡17與接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的望遠(yuǎn)鏡主鏡6共軛。CCD探測(cè)器18輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)由高速處理機(jī)22進(jìn)行斜率計(jì)算及控制計(jì)算，得到誤差控制信號(hào)后，由控制回路5反饋控制接收望遠(yuǎn)系統(tǒng)1中的高速傾斜反射鏡9，實(shí)現(xiàn)對(duì)傾斜的實(shí)時(shí)閉環(huán)校正。
如圖2、5所示，為衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)2，其主要由回波探測(cè)器12，計(jì)時(shí)器13、發(fā)送光路14、激光光源16和控制器15組成。激光測(cè)距的光源可以是脈沖氙燈泵浦的被動(dòng)或主動(dòng)鎖模YAG器件，在此基礎(chǔ)上也可以有其他的光源，光波波長(zhǎng)一般是1064nm通過(guò)倍頻后輸出532nm對(duì)人眼沒(méi)有傷害的綠光，脈寬在幾十個(gè)ps量級(jí)，重復(fù)率在1-2kHz，功率在100微焦量級(jí)，當(dāng)傾斜象差校正系統(tǒng)3閉環(huán)工作后，開(kāi)啟激光測(cè)距系統(tǒng)2，發(fā)送特定波長(zhǎng)激光，同時(shí)觸發(fā)ps級(jí)的計(jì)時(shí)器，探測(cè)激光回波都是光子級(jí)探測(cè)器，主要有單光子雪崩二極管(SPAD)和微通道板(MCP)，接收到光子后關(guān)閉計(jì)時(shí)器，計(jì)數(shù)器所測(cè)得的時(shí)間即為光子往返飛行的時(shí)間(T)，從而可算出地面測(cè)站至衛(wèi)星的距離(R)。R和T有如下關(guān)系R＝(1/2)cT(c為光速)如圖2、6所示，為傾斜跟蹤傳感器，以跟蹤物鏡17和CCD探測(cè)器18組成為例。傳感器工作時(shí)，跟蹤物鏡17對(duì)入射的畸變波前21會(huì)聚到成像CCD探測(cè)器18的光敏靶面19上。在傾斜跟蹤傳感器進(jìn)行工作前必須要對(duì)其進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)利用標(biāo)準(zhǔn)平面波20入射，標(biāo)定CCD探測(cè)器18上光斑的位置。
CCD探測(cè)器18探測(cè)器將接收到的光斑信號(hào)可通過(guò)高速計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理，采用質(zhì)心算法由公式①計(jì)算光斑的位置(x1，y1)，探測(cè)全孔徑的波面誤差信息x1=Σm=1MΣn=1NxnmInmΣm=1MΣn=1NInm,y1=Σm=1MΣn=1NynmInmΣm=1MΣn=1NInm]]>①式中，m＝1～M，n＝1～N其中M，N，分別是CCD探測(cè)器18光敏靶面19上的像素范圍，Inm是CCD探測(cè)器18光敏靶面19上第(n，m)個(gè)像素接收到的信號(hào)，xnm，ynm分別為第(n，m)個(gè)像素的x坐標(biāo)和y坐標(biāo)。
再根據(jù)公式②計(jì)算入射波前的波前斜率gx，gygx=Δxλf=x1-xoλf,gy=Δyλf=y1-yoλf]]>②式中，(x0，y0)為標(biāo)準(zhǔn)平面波標(biāo)定傾斜跟蹤傳感器獲得的光斑中心基準(zhǔn)位置；傾斜跟蹤傳感器探測(cè)波前畸變時(shí)，光斑中心偏移到(x1，y1)。完成傾斜跟蹤傳感器對(duì)信號(hào)的檢測(cè)。
得到的波前斜率(gx，gy)，通過(guò)控制算法(控制算法可以是比例積分算法，也可以是自適應(yīng)控制算法)可以方便的得到高速傾斜鏡9的控制信號(hào)，從而完成對(duì)傾斜閉環(huán)實(shí)時(shí)校正。
權(quán)利要求
1.基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，包括衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于還包括傾斜時(shí)實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)，所述傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)由高速傾斜反射鏡、傾斜跟蹤傳感器和高速處理機(jī)組成，高速傾斜反射鏡置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，由傾斜跟蹤傳感器對(duì)接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的光波進(jìn)行波前探測(cè)，傾斜跟蹤傳感器探測(cè)的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)高速處理機(jī)進(jìn)行波前復(fù)原和控制算法后，輸出校正控制信號(hào)至接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的高速傾斜鏡，完成對(duì)傾斜閉環(huán)實(shí)時(shí)校正，然后望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)開(kāi)啟衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，發(fā)送特定波長(zhǎng)的激光，進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傾斜實(shí)時(shí)校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于所述的傾斜跟蹤傳感器由跟蹤物鏡與CCD探測(cè)器組成，或由跟蹤物鏡與ICCD探測(cè)器組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于所述的高速傾斜反射鏡是壓電式反射鏡，或是電致伸縮式反射鏡，或音圈電機(jī)驅(qū)動(dòng)的Bimorph反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于所述的高速傾斜反射鏡放置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)中任何一個(gè)中繼反射鏡處。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，其特征在于所述的跟蹤物鏡與接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的望遠(yuǎn)鏡主鏡共軛。
全文摘要
基于傾斜校正的衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，包括衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)、望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，其特征在于還包括傾斜時(shí)實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)，所述傾斜實(shí)時(shí)校正系統(tǒng)由高速傾斜反射鏡、傾斜跟蹤傳感器和高速處理機(jī)組成，高速傾斜反射鏡置于望遠(yuǎn)系統(tǒng)中，由傾斜跟蹤傳感器對(duì)接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)接收的光波進(jìn)行波前探測(cè)，傾斜跟蹤傳感器探測(cè)的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)高速處理機(jī)進(jìn)行波前復(fù)原和控制算法后，輸出校正控制信號(hào)至接收望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中的高速傾斜鏡，完成對(duì)傾斜閉環(huán)實(shí)時(shí)校正，然后望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)開(kāi)啟衛(wèi)星激光測(cè)距系統(tǒng)，發(fā)送特定波長(zhǎng)的激光，進(jìn)行衛(wèi)星激光測(cè)距。本發(fā)明跟蹤精度超過(guò)0.1”，提高了衛(wèi)星激光測(cè)距時(shí)的激光中心能量命中率和激光回波的幾率，同時(shí)可以減小測(cè)距激光光源的發(fā)散角，降低對(duì)測(cè)距光源的性能要求。
文檔編號(hào)G01S17/00GK1831559SQ20061001168
公開(kāi)日2006年9月13日 申請(qǐng)日期2006年4月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月14日
發(fā)明者饒長(zhǎng)輝, 魏凱, 張雨?yáng)|, 張昂, 吳碧琳, 周璐春 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院光電技術(shù)研究所