地基激光測距系統觀測空間碎片進展

張海峰, 鄧華榮, 吳志波, 湯 凱, 張忠萍

（1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2.中國科學院 空間目標與碎片觀測重點實驗室，南京210008）

地基激光測距系統觀測空間碎片進展

張海峰1,2, 鄧華榮1, 吳志波1,2, 湯 凱1, 張忠萍1,2

（1.中國科學院 上海天文臺，上海 200030；2.中國科學院 空間目標與碎片觀測重點實驗室，南京210008）

衛星激光測距作為地基光電望遠鏡系統重要技術應用，可直接精確測量空間碎片距離，提升碎片目標軌道監測精度。基于上海天文臺60 cm口徑激光測距望遠鏡，應用百赫茲重復率高功率激光器、高效率激光信號探測系統等，建立了空間碎片激光測距系統，實現了對距離500～2600 km、截面積0.3～20 m2的碎片目標觀測，測距精度優于1 m，具備了碎片目標常規測量與應用能力。此外，開展了空間目標白天監視技術研究，實現了亮于6星等恒星的白天觀測，并進行了望遠鏡局部指向誤差模型分析，分析結果可應用于空間碎片白天激光觀測的目標監視與引導。

空間碎片; 激光測距; 觀測系統; 白天恒星監視

0 引言

空間碎片因威脅到在軌工作航天器的安全，已成為國際關注的問題。實現對空間碎片碰撞的高精度預警的前提是碎片軌道的精確測定。世界各航天大國均在大力發展多種高精度空間碎片測定軌技術，并通過國際合作實現可靠的、高精度空間碎片碰撞規避預警技術[1-4]。

空間碎片測量技術中，激光測距是一種精度達分米級的實時測量技術，其精度高于微波雷達、光電望遠鏡1～2數量級，對提高碎片目標軌道測定精度、預報能力、編目精度、預警能力等具有重要作用[5-7]。美國、澳大利亞、奧地利和中國等均發展了非合作空間目標（包含空間碎片）高精度激光測距技術[8-10]，并加強多方技術交流協作，服務于航天活動中的空間碎片高精度監測、預警等，以增強空間目標的預警能力及空間態勢感知能力。

對于空間碎片目標，由于被測表面對入射激光束的漫反射，使得返回激光信號弱，導致測量難度大[11]。為此，提升地面站激光發射功率和弱信號激光探測能力是空間碎片激光測距技術的關鍵。近些年，中國科學院上海天文臺在高性能高功率激光器、弱回波信號探測技術等方面取得了突破，通過對空間碎片激光測距系統升級改造[10,12]，引進吸收國外先進技術，使得碎片測量能力得到了提升。在此基礎上，開展了白天激光觀測技術研究，以期推動我國高精度激光測距技術在空間碎片觀測領域的應用。

1 空間碎片激光測距系統

空間碎片激光測距系統主要包括高功率激光器，激光發射/接收子系統，望遠鏡跟蹤子系統，激光探測器，精密計時子系統和控制子系統[13]。對于空間碎片，由于其距離遠、尺寸小，對激光器和激光探測器性能要求較高，是空間碎片激光觀測系統中的關重部件。下面重點介紹激光器和激光探測器。

1.1 高功率激光器

提高激光器發射功率和激光信號準直性，可有效提升激光回波信號強度。在空間碎片激光測距技術研究初期，上海天文臺采用了低重復頻率（20 Hz及以下）、泵浦式高能激光器[12]。在高功率輸出狀態下，激光器內部光學器件易受損，不僅輸出功率難以有較大提升，而且光束質量難以保證。根據國外空間碎片激光測距技術及系統應用經驗[8-9]，為了提高功率和性能，可通過提高激光器工作頻率和降低單脈沖能量來改善光學器件工作性能。但激光器工作頻率增加，又會使得光子探測器暗噪聲數隨之增大[13]，不利于對激光回波光子的探測。

為了滿足空間碎片激光測距的指標要求，本文采用了主振蕩功率放大（Major Oscillation Power Amplification, MOPA）技術以實現短脈沖高光束質量的激光方案，研制了可應用于空間碎片激光測量的百赫茲重復頻率、高光束質量、高功率、半導體泵浦式激光器系統（如圖1所示）。該激光器系統的主要性能指標如下：

1）輸出功率：60 W；

2）激光波長：532 nm；

3）激光脈寬：≤8 ns；

4）光束質量（M2）：≤3。

圖1 200 Hz重復頻率高功率激光器光學系統原理Fig.1 The optical principle of high power laser system of 200 Hz

1.2 激光探測器

空間碎片激光測距中仍存在2個關鍵問題：碎片軌道預報精度低和高信噪比激光回波探測。

合作空間目標激光測距中，采用了高精度單光子雪崩二極管（SPAD），探測芯片尺寸 200 μm，探測效率約 20%[13]，但在高重復率工作模式下，其暗噪聲數在MHz水平，不利于像碎片這樣的非合作目標激光回波信號的高效探測。

采用如圖2所示的技術原理，國內首先研制了應用于漫反射激光信號高性能探測的低噪聲、高效率APD激光探測器，采用了時間濾波降噪技術，并設置了高速甄別比較電路，以加快響應速度和縮短探測盲區時間；選用了蓋格（Gaige）模式探測芯片，實現單光子探測的靈敏度；使用了恒溫制冷技術,最大程度降低探測暗噪聲數。

激光探測器的主要性能參數如下：

1）探測芯片尺寸：500 μm；

2）暗噪聲數：18 kHz@200Hz（“@”表示在200 Hz條件下，文章其他@表示意義皆同此）；

3）探測效率：＞40%@532 nm。

圖2 APD激光探測器工作原理Fig.2 The working principle of APD detector

對于來自空間背景和目標亮度的噪聲，尤其是亮度高于6星等的大尺寸目標，這將對激光回波信號探測產生很大干擾。APD探測器盡管實現了在高重復率工作模式下的低暗噪聲數和對回波信號高探測能力，但又面臨如何降低背景噪聲數的問題。

考慮激光接收子系統探測到的噪聲水平與濾波器帶寬成正比，激光探測器采用了窄帶光譜濾波技術（中心波長532 nm、帶寬2 nm、透過率大于90%），以降低背景噪聲數。

2 空間碎片高重復率激光觀測與分析

2.1 觀測結果

基于上海天文臺60 cm口徑激光測距望遠鏡，利用建立的空間碎片激光測距系統對碎片目標進行了測量，以驗證上述激光器、激光探測器、窄帶光譜濾波器等的應用效果。

所跟蹤和測量的碎片目標軌道高度范圍從500～2000 km，獲得了超過200個碎片目標、400圈次的激光觀測數據。圖3給出了2016年5月16日對美國 SCOUT A火箭體碎片目標（NORAD 02180, RCS 0.6 m2）實時測量距離殘差圖，其中有規律點為激光回波數據，彌散點為噪聲數據，測量距離1050～1230 km，測距精度約45 cm。

圖3 SCOUT A火箭體碎片激光測量距離殘差圖Fig.3 The residual data of laser-detected range for the debris separated from SCOUT A rocket

圖4給出了上海天文臺60 cm口徑望遠鏡系統碎片觀測結果統計，其中橫坐標為測量距離，縱坐標為觀測仰角，不同斜線代表不同目標截面積。所觀測的空間碎片，其測量距離 500～2600 km，截面積0.3～20 m2。測量結果表明，上海天文臺空間碎片激光測距系統在天氣條件良好情況下，可對碎片目標進行常規觀測，提供高精測量數據應用于空間碎片監測。

圖4 60 cm口徑望遠鏡系統空間碎片觀測結果統計Fig.4 The range statistics of space debris observed by the 60 cm telescope system

2.2 觀測精度分析

空間碎片激光觀測存在系統誤差和隨機誤差。其中系統誤差（包括系統時延標定、大氣傳輸等）可通過模型修正得到一定補償，而影響測距精度的主要為隨機誤差，包括激光信號脈寬、激光發射信號探測、激光回波信號探測、系統時間頻率基準以及探測目標形狀引起激光脈沖展寬和畸變等因素帶來的誤差。表1給出了上海天文臺空間碎片激光測距誤差分析。由表中的數據可知，激光器脈寬、探測器精度以及碎片尺寸對回波信號展寬等是影響空間碎片激光測距精度的主要因素。圖5給出了上海天文臺空間碎片激光測距系統所獲得目標測量精度與其截面積的關系。

表1 空間碎片激光測距數據誤差分析Table 1 The error analysis of laser ranging data for space debris

由圖5中的結果可以看出，隨著截面積增加，即目標尺寸變大，測距精度也趨于變差。當截面積小于5 m2時，測量精度約30～80 cm，平均值為50 cm左右；對于截面積5～10 m2，測量精度達到100～120 cm；對于更大截面碎片目標，測距精度超過1.5 m，甚至到2 m。通過將窄脈沖激光信號（百ps）、高精度探測器（ps）應用于漫反射激光測量，可進一步提升目標測距精度，對于小尺寸目標，預期精度可達10～30 cm。

圖5 空間碎片測量精度與其雷達截面積關系Fig.5 The relationship between laser measurement precision and the cross section of space debris

3 空間碎片白天觀測的望遠鏡指向誤差修正方法

開展空間碎片白天觀測，是激光觀測區別于光電望遠鏡觀測技術的重要特征。實現空間碎片全天時激光探測能力，對增加觀測弧段，提升碎片目標測定軌精度有重要作用，是激光測距系統開展碎片觀測的研究方向。

空間碎片的白天激光觀測受限因素較多[14]，其中目標精確指向和引導是關鍵。白天激光觀測時，由于受外界環境溫度變化影響，望遠鏡機架指向誤差時變形較大，影響了對目標的跟蹤和精確指向。

針對上述問題，考慮指向修正的快速性、實時性要求，滿足目標精確指向要求，提出通過在白天對過境天區內觀測適當數量恒星方式，建立局部指向模型，實現對望遠鏡指向誤差的快速修正。利用恒星與背景光譜差異，采用光譜濾波方法實現白天恒星觀測；選取目標過境天區附近恒星建立局部指向模型，進行白天指向偏差修正。

3.1 白天恒星監視的濾波技術

白天背景光來源于太陽，光譜峰值在 0.45～0.55 μm之間，長波段光譜的峰值迅速下降。對于恒星來說，以M、K、G三種恒星為主，其光譜分布的共同特點是峰值在0.8 μm左右，基本呈對稱分布。為了實現白天恒星觀測，需濾除短波天空背景光，保留長波部分。根據白天天空背景光與恒星光譜曲線對比分析結果[15]，選擇波段為600～700 nm的截止濾光器進行背景光濾波，以實現恒星監視。

3.2 白天恒星監視與局部指向模型

利用上海天文臺60 cm口徑望遠鏡激光測距系統開展了白天恒星監視試驗，采用了截止波長為700 nm的濾波器，即短于700 nm波長的光全部截止，以提高星光信號的信噪比。所采用的恒星監視CCD主要參數如表2所示。

表2 LucaS型EMCCD主要參數Table 2 Specifications of LucaS EMCCD

圖6給出了上海天文臺白天監視恒星（5.5～6.0星等）分布及所拍攝到的恒星圖像，圖中恒星亮度為5.7星等，觀測時間為下午4:00，恒星與太陽角約50°。

圖6 上海站5.5～6.0星等恒星分布及白天監測結果Fig.6 Distribution of 5.5～6.0 magnitude and the star image taken by CCD in the daytime

3.3 局部指向模型的誤差修正方法

在此基礎上，提出望遠鏡局部指向誤差快速修正方法，即對目標過境天區內指向偏差修正。由于區域范圍縮小，指向誤差模型所需要的恒星數也相應減少，這有利于提高指向模型計算效率，實現白天目標觀測指向快速修正。考慮到所選擇的恒星數不必過多，過境天區內選取 6～7顆恒星（如圖7所示），采用了經典的具有物理含義的七參數指向模型作為白天望遠鏡局部指向誤差模型，如下式所示：

式中：?A、?E為恒星方位和高度指向偏差值；A、E為恒星方位和高度值。通過對所選擇的恒星進行跟蹤獲取望遠鏡指向偏差和位置量，利用最小二乘法計算得到上述七參數指向模型系數。

通過將建立的望遠鏡局部指向模型應用于所跟蹤區域其他恒星，評估局部指向模型的修正誤差精度。圖8給出了過境天區內其他恒星的方位和高度偏差情況，方位和高度偏差量方均根（RMS）分別為5.87″和8.43″。所建立的望遠鏡局部指向模型的指向修正誤差精度在10″以內，可滿足空間碎片白天激光觀測中望遠鏡指向偏差修正要求。

圖7 目標過境天區的望遠鏡指向誤差修正Fig.7 Telescope pointing error correction based on satellite passing region

圖8 過境天區望遠鏡局部指向誤差模型修正Fig.8 Verification of the pointing error model for telescope passing region

3.4 小結

提升低亮度恒星目標的監視能力，可增加參與望遠鏡指向模型計算的恒星觀測數，有利于提高望遠鏡指向修正精度。另外，通過采用實時背景噪聲剔除及圖像疊加方法，還可進一步提升較暗恒星目標監視能力。后續將開展實時背景噪聲剔除和圖像實時疊加處理方法的研究，以期在白天情況下可實現7～8星等的目標監視，將為空間碎片白天激光測距、目標精確跟蹤和引導打下良好技術基礎。

4 總結與展望

基于上海天文臺60 cm口徑空間碎片激光測距望遠鏡系統，瞄準國際相關技術發展，通過解決高性能激光器和激光回波探測的關鍵問題，實現了碎片目標測量距離500～2600 km，截面積0.3～20 m2，具備了空間碎片夜間光學常規測量能力，可應用于空間碎片高精度激光監測。

上海天文臺空間碎片激光測距系統由于在激光功率、探測效率、望遠鏡接收口徑等方面的限制，對遠距離（中高軌）、小尺寸（10 cm以下）目標探測能力不足。為了滿足碎片目標的精密測軌需求，需發展具備對小尺寸目標微弱信號探測能力的激光測距系統，開展激光脈沖群高功率皮秒激光模式的研究，以統籌解決激光功率、重復頻率和脈沖寬度問題；發展空間碎片近紅外波長激光觀測技術研究，提高激光輸出功率和大氣傳輸效率；發展超導納米線單光子探測器在空間碎片激光探測的應用研究，實現極低暗噪聲、高效率激光信號探測；開展多望遠鏡的激光接收測量技術研究，實現大口徑望遠鏡接收能力，并兼顧系統測量能力和效率。以此構建空間碎片全天時激光監測系統，應用于我國未來航天空間探測。

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（編輯：肖福根）

Observations of space debris by ground-based laser ranging system

ZHANG Haifeng1,2, DENG Huarong1, WU Zhibo1,2, TANG Kai1, ZHANG Zhongping1,2
(1.Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China; 2.Key Laboratory of Space Object and Debris Observation, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)

The satellite laser ranging is one of the important application technologies for the ground-based optical-electronic telescope system, and the distance of the space debris is directly measured to improve the orbit accuracy.Based on the laser ranging telescope with the aperture of 60cm at the Shanghai Astronomical Observatory, the space debris laser ranging system is set up with the development of a high power laser system of hundreds hertz repetition rate and a laser signal detection system of high efficiency.The routine laser observation of space debris may be realized with the measured distance from 500 km to 2600 km, the cross section from 0.3 m2to 20 m2, the ranging precision of better than 1 m, for accurately measuring the space debris.In addition, the method of monitoring the space targets in the daytime is also studied preliminarily, and the stars brighter than six magnitude of brightness are observed to make the regional pointing error correction model.The method can be applied in the monitoring and guiding for the daylight space debris laser ranging.

space debris; laser ranging; observing system; daylight star guiding

TN216

：A

：1673-1379(2016)05-0457-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.001

張海峰（1981—），男，高級工程師，主要從事空間目標激光測距技術及應用研究；E-mail: hfzhang@shao.ac.cn。通信作者：張忠萍（1960—），男，研究員，從事空間目標激光測距技術及應用研究；E-mail: zzp@shao.ac.cn。

2016-07-29；

：2016-08-29

國家自然科學基金項目（編號：11303074, 11503068）；中國科學院國防創新基金項目（編號：CXJJ-14-S108）；中國科學院重大裝備項目（編號：2920100701）；國家國防科工局空間碎片“十二五”預先研究項目（編號：K0103110）