激光光斑特性测量方法研究

在卫星激光测距系统中,激光光斑特性的好坏关系到测距成功与否,而经望远镜出射后的真实激光光斑特性尤为重要。为了准确掌握经望远镜出射后的激光光斑特性,提出了一种精准测量激光光斑特性的方法。首先将激光照射在一定距离的漫反射屏上,利用CCD相机采集激光光斑的漫反射图像,同时利用安装在漫反射屏上的能量计实时记录光斑相应区域的激光能量,然后结合激光光斑的CCD图像以及光斑相应区域的能量分布,分析计算激光光斑的特性参数。详细给出了激光光斑的测量原理、实验方案以及数据处理方法,并通过实测数据精确计算出经望远镜出射后的激光光斑半径、发散角、平均能量密度分布等参数。实验结果表明,本测量方法具有测量精度高、响应速度快、操作简单、易于控制等优点,在激光光斑测量方面具有重要的应用前景。     

2013年上海天文台卫星激光测距观测报告

介绍了2013年度上海天文台卫星激光测距系统常规观测、系统改造及科研实验情况。应用多种高效率滤波技术、精确指向模型等手段,在国内同类型测距系统中首次实现了同步轨道卫星白天千赫兹重复率激光测距,测量能力达到国际先进水平。采用高稳定光子探测器及其温度控制等方法,提升了系统时延标定稳定性,测距资料质量得到改善。对使用多年的主副镜重新镀膜,提升了532 nm波长激光反射效率,同时兼顾了1064 nm工作波长,为开展1064 nm波长激光测距技术研究奠定了基础。基于已有基础,国内首次开展了高重复率空间碎片激光测量,实现了关键技术的突破,测量能力得到大幅提升。与1.56米天文望远镜建立了网络通信链路,实现了1.56米/60厘米双望远镜激光测距控制与数据传输,开展了多接收望远镜在提升空间目标激光测距能力方面的实验验证,促进了中国卫星激光测距技术发展与应用。     

实测中激光测距方程的完善

考虑望远镜存在跟踪随机抖动及大气湍流引起的光斑抖动等因素,推导出新的激光测距方程。采用数值模拟的计算方法,研究分析激光发散角、望远镜跟踪随机抖动和大气湍流引起的光斑抖动对回波强度的影响,得出望远镜跟踪抖动及激光发散角是影响测距系统性能的重要因素。     

激光测距系统回波光子分布特性研究

激光测距系统回波光子特性分析对激光测距理论研究、系统设计以及性能评估具有重要意义。结合激光测距原理并综合考虑影响激光测距的多种因素,如大气湍流、大气和卷云传输特性、目标距离等,从理论上推导了测距方程以分析研究回波光子的分布特性。同时,利用Matlab软件开发平台编制了相应的激光测距系统回波光子分布特性研究软件,通过设置测距系统中激光器、发射望远镜、接收望远镜以及探测器等相关参数可估算回波光子数,并同时显示相应的函数关系曲线。     

非合作目标分光路激光测距中距离值的确定方法

摘要：卫星激光测距是目前空间大地测量的主要手段之一,在地球动力学和大地测量学等领域有广泛的应用。云南天文台即将开展非合作目标分光路激光测距试验,即激光接收和发射光路系统分别由相邻较近的两台望远镜完成。针对分光路非合作目标激光测距系统,提出了一种非合作目标分光路激光测距中测距值的确定方法,并给出了相应的计算公式,为分光路激光测距数据处理提供参考。     

Guidetech GT668SLR-1事件计时器在卫星激光测距中的应用研究

高重频卫星激光测距系统中,激光脉冲飞行时间通过事件计时器分别测量主波和回波时刻获得。为了采用更高重频且高精度的事件计时器,将Guidetech公司的GT668SLR-1事件计时器应用于中国科学院云南天文台的1.2 m望远镜激光测距系统,对其结构原理进行分析,并利用其测量由信号发生器产生的固定信号、地靶测距和卫星测距等试验,采集数据的处理结果达到激光测距精度要求,由此判定GT668SLR-1事件计时器可用做卫星激光测距系统的时间测量单元。     

Golay3型光学稀疏孔径系统退化图像的频率信息提取及合成研究

利用组成星座的小卫星,分别携带分离的子望远镜和合光成像望远镜,构成Fizeau型光学综合孔径干涉系统,实现高分辨率的面源目标成像是当前的研究热点之一。这种光干涉成像系统,由于稀疏度较大,UV覆盖不全,即空间频率采样不连续,表现为系统光学传递函数有零值存在。要克服UV覆盖不全的影响,获得等效的大孔径望远镜成像效果,需要改变子孔径的空间排布,获得不同基线条件下的图像,进行空间频率信息的提取和合成,最后采用逆滤波的方法达到提高图像质量的目的。在分析单子孔径传递函数与系统传递函数关系的基础上,优化子孔径的排布方式,采用不同的频域滤波器将不同基线获得的图像中信噪比高的频率区域提取出来进行合成,再变换到空域并进行逆滤波处理,得到改善的合成图像。仿真结果显示,当得到的干涉图信噪比较低时,该方法可以有效地提高合成图像的质量。     

基于边缘检测的空间目标激光测距数据预处理方法

边缘检测是图像处理和计算机视觉中的基本问题,目的是标识数字图像中亮度变化明显的点。激光测距是测距领域精度最高的重要技术手段之一,测距数据能够应用于科学研究之前,需要对原始数据进行一系列的预处理。根据目标信号和噪声信号在图像上的分布特点,提出了一种基于边缘检测提取目标信号的方法,将原始数据转化成测距残差图像,对其进行边缘检测后识别信号位置。实测数据处理结果表明,本文提出的算法具有一定的可行性和通用性。     

大气对532nm激光影响在漫反射激光测距中的应用

激光光束在大气中的传输是与大气特征有关的,如大气湍流、大气散射与吸收,而且激光测距的回波除了与距离有关外,其回波数及精度也与大气特征相关。漫反射激光测距的目标是低轨空间碎片,在一定反射截面的条件下,应用一定功率的激光进行地面靶板漫反射测距试验,以确定多少功率的激光器可实现空间碎片的漫反射测距,这时地面靶的距离选取应该具有代表性,它代表了在一定斜程下穿过整个大气层的效应。通过对大气湍流和大气衰减对激光传输的影响进行分析,理论上计算出在低轨目标为400km时,漫反射激光测距试验地面靶的水平距离该取多远时才能代表在一定斜程下穿过400km大气层的效应,从而为漫反射激光测距试验地面靶距离的选取提供参考依据。     

SLR新星历及其在卫星预报中的应用

目前卫星激光测距(SLR)中所采用的IRV星历已经使用了近20年,近几年来随着对高轨卫星的测距和卫星白天测距的开展以及考虑到今后激光测距技术的发展,需要对SLR所采用的星历进行改进,以适应SLR发展的需求。从2006年8月起国际激光测距网(ILRS)将使用一种新的可用于多种目标测距的星历——CPF星历,该星历不仅可用于人造卫星的激光测距,而且还可用于月球及其转发器等目标的激光测距。该文介绍了这种SLR新星历和应用它进行卫星位置台站预报的情况,分析了其预报精度。     

上海天文台1．56米望远镜斑点干涉成像实验进展

斑点干涉成像技术是克服大气湍流影响,提高地面大口径望远镜分辨本领的有效途径之一。该技术利用斑点相机拍摄一系列的短曝光像,使得大气湍流冻结,再经过图像处理获得高分辨率重建像。该技术设备简单,易于实现,很快在观测天文学中得到了广泛的应用,尤其是对双星的研究。首先回顾了天文高分辨率重建技术的发展,并介绍了相关研究成果。描述了几种典型的斑点干涉成像处理方法及其优缺点。对图像噪声类型及滤波方法进行了分析。在上海天文台1．56m望远镜上开展了双星斑点干涉观测实验,目标星等4～7mag,双星目标星等差小于2。分别采用斑点干涉术和迭代位移叠加法成功实现了双星目标的高分辨率成像,初步证明了在1．56m望远镜上进行斑点干涉成像实验,能够达到接近望远镜衍射极限的分辨率水平。     

空间碎片激光测距探测能力分析

针对利用激光测距技术探测空间碎片这一新的发展趋势,基于国内外现状和未来探测的需求,首先对空间碎片激光测距的探测成功率进行了理论计算;其次计算分析了望远镜口径大小、激光器单脉冲能量及重复频率与可探测空间碎片大小及探测距离之间的关系。研究结果表明,采用大功率激光器与大口径望远镜可有效地提高空间碎片的探测能力。为满足探测微小空间碎片(尺寸在20 cm左右)的需要,建议采用能量在2 J~3 J之间、重复频率为100 Hz的激光器和口径1.2 m以上的望远镜。     

长春站非合作目标激光测距资料的定轨

精密解算了非合作目标的单站激光测距数据.观测数据少、数据弧段分布不好是对非合作目标进行精密定轨的难点.通过定轨过程中对动力学模型的选择及求解参数的选取,使得轨道计算收敛.解算多组圈数的非合作目标数据,将轨道重叠弧段对比作为评判定轨精度的指标;从多组圈数中提取出一圈的观测数据,对其余数据进行定轨处理,将定轨后的轨道结果与提取出的观测数据进行对比,得到在同一时刻的距离偏差,使其作为精密定轨的外符合.结果表明:对非合作目标(4814)进行精密定轨,平均测距残差为1.01 m,在测距方向上,测量数据外符合的平均轨道精度为14.35 m,预报1 d的测距精度为24.60 m.     

推广的卡尔曼滤波法在卫星精密预报中的应用

本文借用推广的卡尔曼(Kalman)滤波法实时处理几圈单站的激光测距资料来改进卫星的轨道,以达到精密预报此后近期内卫星位置的目的。在建立动力学模型中,计及了地球扁球形的摄动、大气阻力、太阳辐射压的效应以及日月引力摄动。在计算这些摄动过程中,地球重力位对带谐、扇谐和田谐项都展开到了第11次和第11阶;大气密度分布采用简化的“指数模型”;地影假定呈圆柱形;并以旋转的开普勒轨道求日月的地心坐标。在卫星的状态估计过程中应用推广的序列估计算法,借助数值积分方法积分状态向量和协方差矩阵。利用激光卫星LAGEOS的测距模拟资料和真实数据分别对本方法进行了检验。结果表明:应用本方法即使处理单站的少数几圈的观测数据,可相当精确地预报卫星在此后几圈的位置。如果处理更多圈数的数据,则卫星的预报可以达到更高的精度。并且由于按照本方法建立起来的计算程序可以在小型电子计算机,例如PDP11/60上实施,同时保持应有的精度,因此它颇具有实用的价值。     

多功能天文经纬仪图像采集系统

多功能天文经纬仪是云南天文台新近研制的一种基于通用CCD观测的天体测量望远镜。在这台新型望远镜中,用两个模拟相机分别测量仪器的水平差和高度轴的准直差。当望远镜工作时,望远镜控制系统发出两路触发信号．一路控制数字相机,另一路控制两个模拟相机。两个采集卡分别安装在不同的工作站上,工作在外触发模式。介绍了望远镜的转轴观测模式,主要包含转轴前和转轴后两个观测阶段,采集图像的时刻和数量是由外触发信号控制的。介绍了硬件结构图。说明了软件编写的流程和实现方法．并且对系统中涉及的主要程序算法进行了较为详细的说明。图像采集软件的编写采用VC＋＋和SaperaLT。给出了采集系统软件的工作界面及图像采集系统采集的图像．并对数字相机拍摄的恒星像进行了简单的分析。     

大天区望远镜中sCMOS相机的测光精度分析

与传统CCD (Charge Coupled Device)相机相比, s COMS (scientific Complementary Metal Oxide Semiconductor)相机被广泛装备于超大天区巡天设备,与传统CCD相机不同的是sCMOS相机采用卷帘式快门,因此对其进行测光精度的分析工作是很有意义的.首先,将s CMOS相机拍摄的图像与UCAC2 (The Second U.S. Naval Observatory CCD Astrograph Catalog)星表进行匹对,识别图像中的UCAC2标准星.接着对图中的标准星进行测光并提取测光数据进行最小二乘直线拟合,获得了相应的系统转换系数并得到仪器星等至标准星等的转换公式.然后,将转化后的仪器星等和标准星等做差并计算相应的均方根误差.最后,利用计算得到的均方根误差评估sCMOS相机的测光精度,并将标准星按星等划分后,分析了相应的测光误差.计算结果表明在标准测光夜测量亮度亮于14等的星时,测光精度优于0.15 mag.通过实测精度分析可知卷帘快门sCOMS相机具有较高的测光精度,基本满足空间碎片巡天观测的要求.     

小型锁模Nd：YAG激光振荡器卫星测距实验

介绍了一种仅用销模Nd:YAG振荡器进行的卫星激光测距实验。此类振荡器的倍频输出可达5－10mJ(532nm），脉宽50－100ps。整个振荡器仅采用一支氙灯和一支Nd：YAG棒，体积紧凑、小巧，重量仅32kg。接收望远镜口径为60cm，单光子雪崩二极管接收器。本系统对8000km远的Lageos-1,Lageos-2两颗卫星进行了成功的测距。     

丽江2.4米望远镜双视场终端的控制与图像采集

为充分利用丽江2.4 m望远镜有限的卡焦接口,提高观测效率,研制了一个双视场天文观测终端,在2.4 m望远镜上实现不同视场和图像比例尺等参数进行快速测光和高分辨成像等天文观测,以满足不同的观测需求。针对该终端对滤光片轮精度和大视场光路与小视场光路切换的精度要求,以及对电子倍增电荷耦合器件(Electron-Multiplying Charge-Coupled Device, EMCCD)相机图像采集的速度要求,采用三层电机闭环控制以及多线程并发执行等技术,实现了该终端中滤光片轮、大视场光路与小视场光路切换的精确控制,以及EMCCD相机图像的快速采集与存储。最后在实验室进行了详细测试,结果表明,所设计的控制与图像采集系统能满足各项性能指标的要求。     

卫星激光测距的电控系统设计与实现

给出的卫星激光测距的二轴系统实现了通过软件控制望远镜coude光路调整、接收系统SPAD和APD的自动切换、视场光阑大小的自动调节、以及发射光束指向的精确控制。该系统是基于MPC07运动控制卡,通过人机交互界面进行实时控制,旨在实现不同功能的调节,提高卫星激光测距的自动化程度。详细介绍了该系统的硬件组成、技术指标及软件工作方式。     

月球激光测距的新技术方法研究

月球激光测距是国内外所瞩目的宏伟目标 ,代表着单光子探测技术的高峰。本论文的目的是探索提高激光测月回波光子数的新方法 ,进而增加激光测月成功的几率。其思路是源于一个新的想法 :在激光测月过程中引入大气波前倾斜量实时补偿的技术。首先介绍激光测月的现状和其难度所在 :回波光子数太少 ,基本上属于亚光子探测范畴。在现有技术条件下 ,本文对影响激光测月回波光子数的因素逐一进行分析讨论 ,提出应该把激光束截面能量分布和大气湍流效应包括进去。为此分析讨论了大气湍流和大气中光场的基本统计性质、激光束在大气中传输时所受大气湍流的影响以及大气湍流对激光测距的影响 ,得出大气湍流特别对激光测月有着明显影响的结论。在此基础上对传统的激光测距方程进行了修正 ,使其应用到激光测月时更符合真实的情况 ,从而指导补偿的进行。涉及到在激光测月中对受大气湍流而畸变的激光束进行补偿 ,本文抓住重点 ,通过分析看出对大气倾斜量的实时补偿是提高激光测月回波光子数的重要因素。结合激光测月以及云南天文台现有测距系统的实际情况 ,本文独创性地提出利用激光测月目标近旁一定大小区域的扩展面源探测与计算大气倾斜量 ,然后对激光测月中的激光束进行大气倾斜量实时补偿的新技术方法。在分析比较