多望远镜信号接收的激光测距系统探测能力
多望远镜信号接收的激光测距系统探测能力
作者:张海峰;龙明亮;邓华荣;程志恩;张忠萍;
随着空间技术的迅速发展, 拥有外层空间已成为未来国际航天大国发展的战略核心。 空间力量作用日益凸显, 并对空间目标测量技术的依赖性越来越强, 增强空间目标监测能力成为世界航天大国优先发展的技术。 激光测距仪技术的高精度特性应用于空间目标监测, 对提升目标轨道测定精度、 预报能力、编目精度、预警能力等具有重要作用。
空间目标激光测距通常采用测量激光脉冲信号往返于地面站与空间目标飞行时间, 获取目标高精度距离信息。 激光回波信号强度随传输距离四次方衰减。 对于远距离目标 (月球反射器及其轨道飞行器)或激光漫反射目标(空间碎片等非合作目标),返回激光信号弱 ,探测难度大 [3-5],地面测量系统需大口径望远镜系统的支持。 但对于光学望远镜,接收口径增大需要大口径光学镜磨制技术、 大规模支撑结构及驱动装置支撑,因实现难度大、且系统复杂 、快速响应能力低等特点, 限制了大口径望远镜系统灵活应用。
对于激光测距, 从目标返回的激光信号可覆盖一定范围, 这意味着在此范围内均可对回波信号进行接收和探测。 在该区域内,通过设置多台望远镜同时接收探测激光回波信号, 并实时传输到主控制系统,可有效增加地面系统单位时间内激光回波数,十分有利于提升对目标测量能力[6-7]。 基于单台望远镜信号接收与探测原理, 根据激光雷达测距方程及信号探测概率理论, 文中研究了地面激光测距系统采用多望远镜信号接收的系统探测概率、 等效口径接收能力, 并结合双望远镜系统实际测量结果进行理论方法验证, 为该测量技术的后续实践应用奠定了基础。
1 多望远镜信号接收激光探测概率模型
1.1 激光回波光子数
对于空间目标激光测距, 从地面站发射的激光信号,按照一定发散角穿过大气层达到目标,并进行反射,返回地面站系统。 激光往返传输过程,可按激光雷达测距方程进行描述。 根据地面站测量系统参数、空间目标反射截面积等,可计算地面站所获得的平均光电子数。上述计算得到的激光回波数是未考虑望远镜跟踪误差影响。 对于望远镜系统,总存在着一定跟踪误差,对激光回波信号探测概率产生一些影响。 根据参考文献,望远镜跟踪误差对激光回波数影响因子为 1/(1+σ 2p /σ t2 ),其中,σp 为望远镜跟踪误差,σt 为激光发散角 (半角),即在上述计算的激光回波数基础上考虑跟踪误差的影响因子。
1.2 多望远镜信号接收激光探测概率
对于多望远镜系统, 各个望远镜采用独立的接收和探测系统,相互间不影响,即每台望远镜接收到单个光电子的概率为独立事件。 对于地面 N 台望远镜接收系统, 只要一台望远镜接收到一个光电子, 则表示地面测量系统成功探测回波光子数,其对立事件为:没有一台望远镜接收到一个光电子。
1.3 多望远镜信号接收探测能力分析
对于同步轨道卫星(距离 38 800 km),基于中国科学院上海天文台 (下面简称上海天文台)60 cm 口径望远镜激光测距系统、 1 kHz 重复率 1 W 激光器系统(激光发散角取 10″)、光子探测效率取 0.2,根据激光雷达测距方程,则单次脉冲发射后地面测量系统可探测的光电子数约 0.006 8 个,即 n0=0.006 8。 根据公式(10),可得由 N 台 60 cm 口径望远镜组合测量系统激光探测概率及其相对于单台望远镜探测概率提升倍数的关系。
假定单次脉冲发射后可探测的光电子数提高50 倍,即 0.34 个,相当于测量中轨卫星(~20 000 km),具有较强的回波信号, 则地面多望远镜信号接收测量系统的激光探测概率及其提升倍数关系可知,对于远距离微弱信号探测,多望远镜系统的激光探测概率及提升倍数随望远镜台数呈线性增加;而对于较强回波信号探测,则随着望远镜台数增多,增加趋势变缓。 由此说明,在微弱信号探测情况下, 可更好地体现出多台望远镜同时进行信号接收模式的测量技术优势, 增强地面系统对微弱信号探测能力。
2 1.56 m/60 cm 双望远镜信号接收与分析
为验证多望远镜信号接收能力,基于相距约60 m的双望远镜系统,通过测量卫星,进行了试验验证 ,验证大口径望远镜的等效接收能力。
2.1 1.56 m/60 cm 双望远镜试验系统
上海天文台是目前我国天文观测与专业研究的天文台之一 。 其中 ,在光学观测望远镜方面, 拥 有一 台 1.56 m 口径天文观测望远镜和一台 60 cm口径激光测距望远镜, 共处于同一园区,两者相距约60 m。 表 1 给出了 1.56 m口径天文望远镜和 60 cm口径望远镜系统的主要参数。
2.2 1.56 m/60 cm 口径望远镜系统激光信号探测概率及回波数分析
1.56 m/60 cm 口径望远镜系统参数、激光雷达测距方程、及激光信号探测概率模型,分别计算了双望远镜对轨道高度 20 000 km Glonass卫星和 6 000 km 的 Lageos 卫星激光回波信号探测概率及每 10 s 钟激光回波数, 其中双程大气透过率取 0.15,衰减因子取 0.01。根据计算的 1.56 m/60 cm 口径望远镜探测概率,计算了双望远镜组合后的系统总探测概率。 通过对比激光探测概率,双望远镜组合后, 相比 60 cm 口径望远镜提升了四五倍,略低于 1.56 m 望远镜接收面积增加的倍数(六七倍),主要是由于目前 1.56 m 口径望远镜系统在卫星跟踪性能、激光信号接收效率等方面均差于 60 cm口径望远镜系统, 未充分体现 1.56 m 口径望远镜强接收能力,其相当于 1.35 m 口径望远镜接收能力。
双望远镜组合系统探测概率、 激光雷达测距方程及系统参数, 可计算出双望远镜系统组合后可等效口径约 1.61 m 望远镜系统接收能力。
2.3 1.56 m/60 cm 双望远镜卫星观测结果分析
通过对 1.56 m 望远镜系统接收终端改造,具备了激光回波信号接收探测能力 , 分 别 对 Lageos、 Glonass、Compass 等卫星进行了激光测距。图 3 给出了 1.56 m/60 cm 双望远镜系统同时对 Lageos1 和Glonass126 卫星观测时激光回波数据统计情况,时间间隔为 10 s。 1.56 m 望远镜回波数是60 cm 望远镜的四五倍, 与前节理论计算结果基本一致。对于多望远镜接收系统,只要有一个望远镜获得有效激光回波信号即可认为多望
远镜系统整体成功测量到目标。 在实际激光信号探测中, 多个望远镜在激光脉冲发射同一周期内可同时获得回波信号, 即一个发射脉冲对应多个回波信号情况。 为检验理论计算的 1.56 m/60 cm 双望远镜系统组合系统探测概率及回波数,对 Lageos1和 Glonass128 卫星的双望远镜测量数据进行了融合处理及回波数统计,统计时间间隔仍取 10 s。 其中在数据融合时,如双望远镜获得了同时刻数据,保留其中一个回波数据。 双望远镜数据融合后每 10 s 的激光回波数统计情况可以看出,对于 Lageos1 和 Glonass126卫星, 每 10 s 平均回波数分别为 3 345 个和 1 507个。考虑到实际卫星观测中系统参数与理论计算中选取的值存在误差及背景噪声信号的影响, 实际回波数与理论计算结果有差别。激光回波数统计峰值接近理论计算结果, 基本验证了文中多接收望远镜信号接收激光探测理论方法的合理性。
对于多望远镜信号接收, 由于多个望远镜系统存在同一测量周期内同时获得回波信号的可能性,即地面站发射一个激光脉冲信号, 可获得多个回波数据。 在此情况下,多望远镜系统在增加有效接收面积提高系统探测概率的同时, 也增加了单位时间激光回波数, 通过在主控制系统中进行多回波数据的融合处理,加强激光回波信号的显示度,提升了激光回波信噪比, 进而增强激光回波信号识别能力及对空间目标的测量能力。
3、轨道高度1000km、直径10cm非合作目标的多望远镜信号接收能力分析
根据上海天文台已开展的非合作空间目标激光测量情况,及激光雷达测距方程,在激光发射和接收效率均为 0.85,光子探测效率为 40%,大气透过率(双程)取 0.4 情况下,从理论上给出对于距离 2 000 km(轨道高度 1 000 km)、直径 10 cm 非合作目标激光测量时所采用的激光功率、 望远镜口径关系。
对于距离 2 000 km(轨道高度 1 000 km)、直径 10 cm 非合作目标,采用激光功率 200W、发散角 3″时,则望远镜口径需 1.8 m;采用激光功率 200W、发散角 5″时,则望远镜口径需 3.0 m。在上述情况下,每 5 s 的理论激光回波数约 27 个。
在系统参数相同情况下, N 台口径为 N 望远镜可等效为单台口径为姨N ×D 望远镜激接收能力。 在系统参数相同情况下,可计算出当采用口径 0.5m 和 0.8m 望远镜时, 要达到上述回波数所需要的台数分别为 13 台和 5 台;当采用口径 0.8 m 和1.2 m 望远镜时,需要的台数分别为 14 台和 6 台。
根据上述理论与试验结果分析, 使用一定数量小口径望远镜, 可实现单台大口径望远镜等效接收能力。 此外,小口径望远镜,具有系统研制技术成熟度高,运行稳定性好、快速响应性等优势,在微弱信号空间目标激光探测和测量中将发挥重要作用。
4 结束语
在对远距离卫星、漫反射激光观测目标时,激光回波信号微弱, 地面站需要大口径望远镜系统的支持。 考虑到地面站向空间目标发射激光信号后,其回波信号达到地面站时将覆盖一定区域, 在此区域内设置多台望远镜同时接收回波信号, 可增加地面站对回波信号接收性能, 实现单台大口径望远镜系统等效接收能力。
根据激光雷达测距方程及信号探测概率理论,分析了多望远镜信号接收的激光测距系统探测概率、提升效果以及等效接收能力,建立了多望远镜信号接收的激光测距探测模型。 利用 1.56 m 和 60 cm双望远镜系统,通过测量带有激光反射器卫星,验证了双望远镜系统的等效接收能力, 验证了多望远镜信号接收的技术优势。 分析了对轨道高度 1 000 km、直径 10 cm 非合作目标测量时所需的望远镜台数,使该测量技术在微弱信号探测与激光测量中将会发挥重要作用。
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