卫星激光测距中接收光路光机结构设计
卫星激光测距中接收光路光机结构设计
作者:韩光宇;张国玉;曹立华;陈宁;于晓波
美国航空航天局在1964 年10 月发射了第一颗带有激光反射镜的BE-B 卫星,并成功地首次测定了地球和该颗卫星之间的距离,开创了地球对卫星激光测距( satellitelaser ranging,SLR) 的新纪元。目前,包括我国在内的 SLR 站点共有 40 多个地面站分布在世界各地。SLR是一种重要和实用的技术。它对于检测大陆板块移动、地壳形变、地球自转和极移,改进地球重力场和地心引力常数,精密卫星定轨,确定地球和海洋潮汐变化的规律等方面都具有重要作用。例如重力场方面,由全球几十个跟踪站对 LAGEOS 卫星的联测,精化了表征地球的形状和大小的参数以及地心引力常数等; 在地球自转方面,确定地球自转参数,精度和分辨率都比用经典技术的测定提高了很多倍。利用 SLR 精确测定极移两分量和地球自转速率变化或日长变化,其精度分别达到 0. 1 毫角秒、 0. 2 毫角秒和 0. 05 毫角秒。
SLR 的原理是测量激光脉冲根据地面参考点到卫星之间的往返时间间隔,从而计算出卫星到地面参考点的距离。具体讲,首先地面跟踪站的计算机系统根据预报准确计算出卫星的位置,通过伺服控制系统驱动望远镜跟踪卫星,激光器通过望远镜上的激光发射光路发射脉冲激光,卫星上的后向反射器将激光反射,并由望远镜接收光路接收脉冲激光,与此同时,时间间隔计数器测出激光脉冲往返时间间隔,以此时间乘以光速,即可精确地计算出卫星到地面跟踪站的距离。
由此可见,在 SLR 的光机系统中,激光发射光路和接收光路是其 2 个重要的组成部分。在激光接收光路中,常采用大口径的望远系统接收由卫星反射回来的激光脉冲,口径越大,接收能量就越多,探测距离也就越远。本文根据研制的某激光测距项目具体任务要求,对激光接收光路的光机结构设计进行了较为详细的论述。
2 主要技术要求
根据 SLR 系统的总体技术指标要求,激光接收光学系统需要接收卫星角反射器反射回来的激光脉冲( 波长532 nm) ,其中绝大部分的激光回波进入测距光路,完成对 MEO、GEO 和 IGSO 卫星的测距。剩余部分的激光回波和可见光其他波段进入卫星跟踪光路,用来进行跟踪卫星和监视发射光束。同时利用此系统探索白天激光光束监测和白天测距。
3 光学系统方案设计
根据技术要求可知,接收望远系统需要具备卫星激光测距、卫星跟踪和白天光束监测能力。因此需要设计3 个光路,分别完成相应的功能。
3. 1 接收望远系统口径确定
由于 GEO 卫星距离地面的高度为 36 000 km,从卫星返回地面的激光非常微弱。所以要求光电接收转换器件必须具有极高的灵敏度和极快速的响应特性。目前国内外常用的是带有时间游动补偿功能的单光子雪崩二极管 C-SPAD 作为光电接收探测器,通过采取有效抑制背景噪声,提高信噪比等措施,可以满足测距要求。
3. 2 焦距选择
经过计算可确定,激光测距接收系统焦距 4 000 mm,卫星跟踪系统焦距 8 000 mm,白天光束监测系统焦距8 250 mm。
3. 3 光学系统设计
根据 SLR 接收光学系统的技术要求,需要采用主系统光谱分光的方式,又由于每一路光学系统的探测器尺寸和焦距不同,要采用二次成像的方式才能满足使用
要求。经过计算可知,接收望远镜的光学系统是长焦距、大口径的光学系统,主光学系统必须采用反射式结构形式。常用的反射式主要有 2 种结构: 卡赛格林式和牛顿式。在卡赛格林式光学系统中,光学元件均采用非球面,不利于加工和装调,但是具有仪器结构紧凑,回转半径和转动惯量小的优点。牛顿式结构有光学元件易于加工的优点,但是系统结构相对庞大,回转半径和转动惯量均较大。根据本项目的实际要求,选用卡赛格林式主光学系统。
主光学系统采用卡赛格林式结构,在第一像面前采用分光棱镜进行光谱分光,其中大部分的波长为 532 nm 的激光回波透射过分光棱镜进入激光测距系统; 激光测距系统成像质量。其余波段的可见光和少量剩余的激光回波反射进入卫星跟踪系统,卫星跟踪系统成像质量。当需要白天进行激光测距时,将反射镜、恒温槽和窄带滤光片切入激光测距系统的光路里,经过反射镜,将接收的激光回波反射到白天光束监测系统。窄带滤光片是白天测距能否实现的关键器件,工作时将其放置在恒温槽内,保证透射过窄带滤光片的激光的中心波长保持恒定; 当调整好激光发射光束时,迅速将反射镜退出光路,由 C-SPAD 接收激光回波,实现白天测距。
根据以上光学设计,系统具备了激光测距和卫星跟踪的功能,并且兼顾了白天光束监测的需求,光学系统成像质量良好,满足技术指标要求。
4 机械结构设计
在进行接收光路机械结构设计时,首先要满足光学系统中光学元件的空气间隔和排布要求,并在此基础上保证机械结构具有足够的刚度和强度,保证光学系统在调试过程中的便捷性,与整机的协调性和美观性。
4. 1 主光学系统结构设计
在接收望远系统中,主光学系统是最重要的组成部分,其成像质量的好坏,直接影响第一像面后各光学系统的成像质量,而对主光学系统光学元件( 即主镜和次镜)的机械支撑,是至关重要的。为了减小温度梯度对主镜面形精度的影响,主镜选为了减小温度梯度对主镜面形精度的影响,主镜选的机械支撑,是至关重要的。
为了减小温度梯度对主镜面形精度的影响,主镜选用热膨胀系数较小的微晶玻璃,通光口径是 1 000 mm。如图 4 所示。在工作过程中,主镜需要围绕旋转轴 O 相对于重力场在俯仰角 α = - 90° ~ 90°范围内作相对运动。要设计合理的机械支撑结构,控制主镜上力的分布,当重力方向相对与主镜发生变化时,使光学表面变化最小,主镜面形精度最好。根据主镜的运动方式,通常设计成中心轴定位,轴向支撑和径向支撑组合的方式; 当 α = 0°时,只有轴向支撑起作用,当 α = 90° ( 或 - 90°) 时,只有径向支撑起作用,当 α 在其他角度时,两种支撑同时起作用。
对该主镜的轴向支撑采用 18 点支撑方案,当 α = 0°时,主镜的全部重量均由轴向的 18 个支撑点承担。径向支撑采用在主镜上下两个半圆周面上分别安装 3 个柔性的重锤式支撑方式。当 α = 90° ( 或 - 90°) 时,主镜的全部重量均由下圆周面径向的 3 个支撑点承担。18 个轴向支撑点和 6 个径向支撑位置通过有限元进行了分析优化。
次镜位于主镜前端,与主镜构成卡赛格林式光学系统,为了满足主光学系统视轴的稳定性和较小的遮拦比,其支撑结构不仅要保持足够的刚度,还要尽量减小对主光路的遮挡。经过有限元的优化分析,设计时采用了四叶架式支撑结构,次镜遮拦比为 6. 6% ,四叶架式支撑结构遮拦比大约 2% 。
4. 2 接收小系统结构设计
接收小系统结构比较简单,从图 1 可以看到,经过 2块 45°反射镜,将主系统接收的可见光和激光回波反射进入分光棱镜进行光谱分光,经分光后少量的激光回波和其余波段的可见光进入卫星跟踪系统; 大部分波长为532 nm 激光经过准直透镜后进入 C-SPAD 探测器进行激光测距; 当将白天光束监测系统中的反射镜、窄带滤光片和恒温槽切入光路时,完成白天光束监测,切出其中的反射镜,即完成白天的激光测距,此光路中反射镜和恒温槽、窄带滤光片均放置在移动平台上,通过驱动平台上的步进电机实现移动。
5 实际验证
5. 1 过程检验
采用放大率法检测光学系统的焦距。即将装调好的光学系统放置在大口径的平行光管前,在平行光管物镜的焦面上放置分划板,在光学系统的焦面上通过测微目镜测量像的尺寸,并根据已知的平行光管的焦距计算出光学系统的焦距。经过测量各光学系统焦距均满足指标要求。
5. 2 外场验证
激光发射光机结构与接收望远系统进行了整机集成,并与激光器系统对接调整完成后,在外场分别对中、高轨目标卫星进行测距,在稳定跟踪的同时,成功地完成了的测距任务,完全能够满足系统的指标要求。
6、结论
根据工程的技术指标和性能要求,重点对激光测距、卫星跟踪和白天光束监测的光学系统进行了较为详细的设计与分析。同时对主光学系统的机械结构做了详细的论述。该系统采用光谱分光的形式使得 3 个光学系统共用一个主光学系统,机械结构紧凑。不仅成功地保证了系统的指标要求,也为同类型的设备做了一点借鉴。
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