基于1.06 μm波長的空間合作目標及碎片高精度激光測距試驗*

孟文東 張海峰 鄧華榮 湯凱 吳志波 王煜蓉 吳光 ? 張忠萍 ? 陳欣揚

1) (華東師范大學精密光譜科學與技術國家重點實驗室, 上海 200062)

2) (中國科學院上海天文臺, 上海 200030)

3) (中國科學院空間目標與碎片觀測重點實驗室, 南京 210008)

常規衛星激光測距大多數采用532 nm波長激光, 但受激光能量和大氣透過率低等瓶頸制約, 在微弱目標探測如碎片激光測距、月球激光測距中使用難度較大.本文介紹了基于1.06 μm波長的激光測距技術, 分析了1.06 μm測距技術在激光能量、大氣傳輸、背景噪聲、單光子探測等方面相對于532 nm激光測距的優勢, 分析了其應用于微弱目標激光測距的前景, 提出了針對1.06 μm激光測距系統的改造方案, 在上海天文臺532 nm衛星激光測距系統的基礎上, 完成了系統改造, 國內首次利用1.06 μm增強的InGaAs探測器實現對合作目標的高精度厘米級激光測距, 證明了1.06 μm波長激光測距技術在系統噪聲和測量效率等方面的優勢, 并且實現了該波長對1500 km空間碎片目標的高精度激光測距, 為未來遠距離微弱目標高精度近紅外波段激光測距提供了緊湊、低成本、易操作的測量技術方案.

1 引 言

衛星激光測距 (satellite laser ranging, SLR)是目前衛星單點測距精度最高的一種技術[1], 目前單次測量精度已經達到亞厘米量級, 可對雷達進行精確的校驗、分析設備長期穩定度特性等, 廣泛應用在衛星精密定軌[2]、確定地球自轉參數[3,4]、建立和維護全球地球參考框架[5,6]以及實現全球范圍的高精度時間傳遞[7]等方面.近年來, 隨著航天活動的增加, 空間碎片的監測和預警已經受到各航天大國的高度重視[8], 高精度遠距離小尺寸的空間碎片測距需求迫切.鑒于激光測距高精度低誤差的特性, 空間碎片激光測距已經成為高精度碎片測量的一項重要手段.由于空間碎片為漫反射目標, 地面能夠接收到的回波信號非常微弱, 測距難度很大.為了提高探測能力, 空間碎片激光測距多采用大口徑望遠鏡、高效率低噪聲的單光子探測器及高功率激光器.

目前, 中國科學院上海天文臺、云南天文臺、長春人造衛星觀測站在原有衛星激光測距系統基礎上, 使用高功率激光器, 已實現對近距離(500—2600 km)、截面積 0.3—20 m2的空間非合作目標激光測距[9?11].而對于遠距離 (> 2600 km)、小尺寸(直徑 < 10 cm)的空間碎片測距需采用更大能量、更高質量的激光源以及更大口徑望遠鏡.常規衛星激光測距采用532 nm波長, 由于衛星端激光反射器的反射效率達到90%以上, 因此地面接收到的光子數較多, 激光處于可見光波段, 光路調試相對容易, 可見光波段的單光子探測技術成熟且效率高, 且 532 nm 波長激光器技術成熟, 因此大部分衛星激光測距采用 532 nm波長.532 nm 激光由 1.06 μm 激光倍頻產生, 由于加入了倍頻器件, 其單脈沖能量、功率及穩定度、壽命等均受倍頻器件制約, 難以實現較大功率的發射.相比較而言, 1.06 μm激光器能夠獲得較大單脈沖能量、功率、穩定度, 該波長的空間背景噪聲小于可見光, 且大氣透過率也優于 532 nm 波長, 因此對于傳統激光測距臺站, 利用1.06 μm波長激光測量是提升系統測量能力的一種經濟簡單易行且有效的途徑.

國際上, 1991年德國Wettzell天文臺激光測距站為開展大氣折射改正研究, 曾開展過基于1.06 μm和532 nm的雙波長激光測距[12], 并成功獲得了對LAGEOS衛星的1.06 μm波長激光測距數據.法國Grasse天文臺于2016年對激光器進行了升級改造, 實現了激光測月, 證明了 1.06 μm 激光測距背景噪聲小的巨大優勢[13].空間碎片激光測距方面, 澳大利亞 Mt Stromlo激光測距站采用1.8 m 口徑望遠鏡, 使用 50 Hz, 100 W 的 1.06 μm波長激光器成功實現了對尺寸小于10 cm空間碎片目標的測距, 測距精度優于1 m, 獲得了良好測量效果[14].

國內研究方面, 2016年云南天文臺利用兩個完全獨立的望遠鏡分別進行1.06 μm激光發射和接收, 利用40 W激光器和超導納米線單光子探測器實現了對合作目標的探測, 測距精度約為7 cm[15], 然而其系統較為復雜, 整體效率很低.

本文分析了532 nm和1.06 μm激光測距在激光功率、大氣透過率、目標反射效率等方面的差異, 論述了1.06 μm激光用于微弱目標測距的優勢;針對1.06 μm測距系統的難點給出了解決方案, 并對上海天文臺532 nm常規激光測距系統進行了改造, 建立了基于InGaAs (Indium-Gallium-Arsenide)探測器的緊湊型收發分離的1.06 μm激光測距系統, 實現了多圈次1.06 μm合作目標及空間碎片激光測距, 這也是國內首次利用InGaAs近紅外波段探測器開展的厘米級的1.06 μm高精度高效率激光測距試驗.

2 1.06 μm波長激光測距優勢分析

出射光子數優勢 : Nd:YAG (Neodymiumdoped Yttrium Aluminum Garnet)激光器以其增益高、閾值低、量子效率高、熱效應小、機械性能良好、適合各種工作模式(連續、脈沖) 等特點, 是常規衛星激光測距使用最多的激光器.其中, 532 nm激光就是由Nd:YAG激光器的基頻1.06 μm激光經過倍頻后得到的.由于大部分倍頻晶體的效率在50%—70%, 因此在產生532 nm激光的過程中,一半左右的能量會損失掉.而且, 倍頻晶體難以承受大功率的激光輸出, 其穩定性、壽命、光束質量等均會受到影響.如能采用 1.06 μm 激光, 則擺脫了倍頻晶體對激光器性能的限制和影響.一方面激光功率可以增加一倍左右; 另一方面, 相同功率激光, 1.06 μm 波長光子數可以增加一倍.這樣同一臺激光器, 采用 1.06 μm 波長, 其產生的光子數是532 nm的4倍左右.

大氣透過率優勢: 在激光測距過程中, 大氣透過率損耗是一個較大的損耗.測距觀測仰角不同導致的大氣厚度差異使得大氣損耗產生差異.大氣單程透過率和觀測仰角滿足如下公式[16]:

其中t為大氣單程透過率,l為光的波長,q為觀測仰角,qzen為天頂角.根據 (1)式進行計算, 圖1(a)為根據不同仰角情況下1.06 μm和532 nm的單程大氣透過率情況, 圖1(b)為兩者單雙程大氣透過率比例曲線, 可見, 從模型公式上, 雙程大氣透過率比例在仰角20°情況下可達3倍多, 使用1.06 μm波長對提高系統效率作用顯著.

Degnan[17]于1993年發表的文章中也說明了不同波長的光在觀測仰角不同的條件下的大氣透過率情況, 1.06 μm波長光在垂直高度上的透過率約為 0.991, 532 nm波長光的透過率約為0.815;在天頂角為 70° (對應觀測仰角 20°)時, 1.06 μm的大氣單程透過率為532 nm的1.87倍, 雙程透過率為3.5倍, 和公式計算結果基本相符.

圖1 (a) 1.06 μm 和 532 nm 單程大氣透過率隨不同仰角變化模型曲線; (b) 1.06 μm 和 532 nm 單雙程大氣透過率比隨不同仰角變化的比例曲線Fig.1.(a) The curve of one-way atmospheric transmissivity at 1.06 μm and 532 nm with different elevation angles;(b) the scale curve of one-way and two-way atmospheric transmissivity at 1.06 μm and 532 nm with different elevation angles.

單光子探測器: 532 nm 波長對應的 Si APD(Silicon Avalanche Photodiode)單光子探測器發展成熟, 探測效率超過50%, 并且暗計數和后脈沖噪聲低, 但對于 1.06 μm 波長, Si APD 的探測效率僅有3%左右; 而近紅外增強型InGaAs APD(Indium-Gallium-Arsenide Avalanche Photodiode)單光子探測器在該波段能獲得20%的探測效率[18],但是由于材料特性和工藝問題, 探測器的暗噪聲和后脈沖較大, 為了抑制暗噪聲對測量的影響, 探測靶面直徑通常小于100 μm, 但仍然適用于單光子激光測距.超導納米線單光子探測器在近紅外波段探測效率可超過50%[19], 暗計數低, 沒有后脈沖影響, 但由于其光纖耦合的特性, 應用于衛星激光測距有一定難度, 上海天文臺和云南天文臺等單位正在發展基于超導納米線單光子探測器的衛星激光測距技術[15,20], 已實現對衛星的激光測距, 但其系統龐大, 耦合效率較低, 測距所需成本較高, 目前尚無法大規模開展應用.

目標反射率: 對于大部分常規激光測距角反射器, 其設計波長為 532 nm, 對 1.06 μm 波長的反射效率不做設計, 因此合作目標對1.06 μm波長的反射率通常不如532 nm; 且由于角錐的衍射發散角和波長成正比, 因此合作目標對1.06 μm光反射的面積大, 單位回波強度弱.但有研究表明對于大部分的空間碎片目標, 其漫反射效率1.06 μm波長反而強度較大[21], 在碎片測距中也可以近似認為和532 nm漫反射效率一致.

太陽光譜強度: 1.06 μm波長的太陽輻照的強度較小, 在地基激光測距中, 海平面高度的太陽輻射強度在 532 nm 波長為 1.37 W·m–2·nm–1, 而在1.06 μm 波長則僅有 0.62 W·m–2·nm–1[22], 其噪聲強度僅為532 nm的45%, 有利于白天測量.

回波光子數和探測概率分析: 根據碎片激光測距的回波光子數公式[17],

式中n0為測距系統可接收到的平均光電子數,l為發射激光的波長,hq為回波光子探測器探測效率,h為普朗克常數,c為光速,Et為激光單脈沖能量,Ar為接收系統有效接收面積,s為空間目標反射橫截面積,qt為發射激光束發散角,R為目標徑向距離,T為光束單程大氣透過率,Kt和Kr分別為發射和接受系統效率,a為系統衰減因子(包括大氣抖動、湍流等).

(2)式中, 1.06 μm 和 532 nm 波長兩者雙程大氣透過率比值在仰角20°—70°內約為1.52—3.14倍, 假設 1.06 μm 和 532 nm 測距系統的光學系統性能相同, 探測器效率相同, 空間目標反射橫截面積相同, 采用同一激光器產品, 1.06 μm 激光單脈沖能量為532 nm的2倍以上, 則理論上碎片探測時, 1.06 μm 回波光子數將達到 532 nm 回波光子數的6.06—12.55倍.

對于有角反射器合作目標的衛星激光測距, 其光子回波數方程公式[23]為

“小時候，有個家伙欺負我，看到我的連環畫就想搶走，我打不過他不知怎么辦，就觀察別的小孩，發現當一個小孩被人欺負的時候，就說我有一個哥哥，或者我有一個誰誰很厲害。當時我正好看了鄭淵潔寫的皮皮魯的故事，于是我靈機一動對那個小孩說我有一個哥哥，名字叫皮皮魯，可厲害了，你知不知道？他瞪著眼睛想了半天不知道皮皮魯是誰，但被這個怪異的名字嚇住了，居然放過了我。”

式中Ns為衛星回波在測距系統接收光敏面上產生的平均光電子數;Et為激光單脈沖能量;S為每焦耳能量的光子數, 進而可用發射激光的波長l, 普朗克常數h, 光速c來表示;As為衛星上反射器的有效面積;Kt為發射系統的效率;T為單程大氣透過率;hq為回波光子探測器探測效率;a為衰減因子 (包括衛星反射器效率、大氣抖動、湍流等影響);R為衛星距離;qt為激光光束發散角;qs為衛星反射器的發散角.

相比較于碎片回波光子數方程(2)式, (3)式中增加了qs即衛星角反射器發散角的影響, 由于目前大部分激光反射器針對532 nm波長設計, 如采用 1.06 μm波長測距, 其發射角將變為 532 nm波長的 1.3 倍, 因此對于合作目標激光測距, 1.06 μm回波光子數是532 nm回波光子數的3.59—7.42倍.

3 衛星激光測距系統

上海天文臺當前的激光測距系統如圖2所示,我們對激光發射系統、激光接收系統、激光器、導星和光束監視系統、單光子探測系統均進行了研究和改造, 使之能夠適應常規和碎片的1.06 μm的衛星激光測距.

其中, 發射和接收系統均鍍1.06 μm及532 nm高反或增透膜, 激光器通過移除倍頻晶體或將輸出激光分束輸出的方式實現.由于針對可見光的單光子探測器在近紅外波段效率不高, 我們采用了由蓋格模式InGaAs APD器件研制的1.06 μm波段增強的單光子探測器, 該探測器探測效率和時間抖動分別大約為20%和70 ps.對于導星和光束監視,由于1.06 μm波長的大氣后向散射十分微弱, 因此對低功率激光發射的合作目標激光測距, 我們利用全反射鏡將望遠鏡接收的全部1.06 μm光送入近紅外CCD來進行光束成像, 并通過全反鏡的平移使得回波在光束監視和光子探測兩種模式間切換,完成測距操作, 其中光束平移鏡實現了優于1"的平移精度; 對于高功率激光發射的碎片測距, 則采用分光鏡將部分接收光送入CCD用于監視, 大部分光進入光子探測器進行測距, 此時激光的光束監視和回波接收可以同時完成.

4 實驗結果與討論

系統改造完成后, 針對合作目標開展了1.06 μm激光測距試驗.其中上海天文臺常規測試用的激光器在 532 nm 的功率為 0.8—1 W, 移除倍頻晶體后, 1.06 μm 波長功率約為 1.6—1.8 W, 脈寬 40 ps;星象和激光光束監視采用近紅外波長的CCD完成, 在望遠鏡所有接收的1.06 μm波長光送入CCD的情況下, 實現了對光尖和星象的同步監視,如圖3所示, 可以較為清晰地呈現激光光束指向,并對其進行精準控制.

在合作目標衛星激光測距中, 532 nm波長的Si APD單光子探測器的探測效率約為20%, 時間抖 動 約 為 25 ps; 1.06 μm 波 長 的 InGaAs APD單光子探測器探測效率也約為20%, 時間抖動約為 70 ps.我們在 2016年7月前后采用 InGaAs APD單光子探測器, 利用1.06 μm波長對軌道高度400—36000 km合作目標成功開展了高精度測距, 這也是國內首個利用近紅外InGaAs探測器實現的高精度高效率的1.06 μm合作目標激光測距試驗.

圖3 1.06 μm 激光測距系統光尖監視圖Fig.3.Monitoring picture of the light-cone in 1.06 μm laser ranging system.

1.06 μm合作目標激光測距的結果如表1所列, 同時我們也將觀測仰角類似的同類型衛星的532 nm常規觀測數據進行比對.對于大部分相同類型的衛星, 1.06 μm 的測量效率均比 532 nm 有較大程度的提高; 而由于激光器倍頻晶體、角反射器綜合發散角、以及較為主要的單光子探測器精度的影響, 1.06 μm測距精度略差.在系統噪聲方面,1.06 μm則表現出了明顯的測距優勢.

對于碎片目標而言, 由于回波信號較弱, 通常采用大功率激光器進行測距, 激光后向散射強度很大, 僅利用望遠鏡采集的部分光即可實現對光尖的監視; 利用上述系統, 通過光路中鏡片的更換, 我們實現了同時對空間碎片測距的光尖監視和回波測量功能, 使得碎片測距更直觀易行.利用這套系統于2016年8月進行了針對空間碎片目標的觀測, 測距界面如圖4所示.測距目標為距離1500 km左右的火箭殘骸, 目標大小為 13.2 m2; 激光器輸出波長為 1.06 μm, 重復頻率為 200 Hz, 激光功率為 40 W, 脈沖寬度為 5.5 ns.本次空間碎片測距的測量效率為3.7%, 測距精度約為1.6 m.

由于空間碎片測距過程中后向散射較為強烈,而InGaAs APD單光子探測器光損傷閾值小, 此次空間碎片測量完成后, InGaAs APD器件損壞.隨后, 開展了對探測器的修復工作, 同時設計了一套新的后向散射規避系統, 進行了測量終端箱及激光發射系統的改造.

2019年1月, 利用 1.06 μm波長開展激光測距的試驗再次開展, 此次測量中系統激光功率為532 nm 波長 0.7 W, 1.06 μm 波長 1.2 W; 系統收發效率分別為 532 nm 波長 55% 和 60%, 1.06 μm波長47.7%和57.2%, 兩個波長的收發效率基本相同.這次試驗重點開展的是同樣條件下對相同目標的比對測距, 主要目標為遠距離的地球中高軌道合作目標.選取了多顆我國北斗 (BDS, Beidou Navigation Satellite System)及俄羅斯格洛納斯(GLONASS)導航衛星進行了兩種波長的比對性測距, 試驗情況如表2所示.

本次測距采用修復后的InGaAs單光子探測器, 其探測效率和532 nm單光子探測器效率相當,測距系統對兩個波長的收發效率類似; 試驗在同一臺激光測距望遠鏡上利用不同波長先后對同一顆衛星目標進行了測距, 在觀測環境和系統情況相似的條件下, 1.06 μm 波長測距相對于 532 nm 波長測距, 三圈不同的中高軌衛星觀測時天空的背景噪聲比值分別為 1/5.02, 1/6.40 及 1/6.12, 天空背景噪聲強度顯著降低; 測距回波效率倍率分別為7.1,2.0和3.5, 測距回波效率增強明顯.

表1 2016年合作目標激光測距 1.06 μm 和 532 nm 波長測距結果和比對表Table 1.The comparison table of cooperative target laser ranging at 1.06 μm and 532 nm.

圖4 1.06 μm 開展碎片激光測距實時測量界面截圖Fig.4.Screenshot of real time 1.06 μm debris laser ranging measurement interface.

表2 2019年合作目標導航衛星激光測距1.06 μm和532 nm波長測距結果和比對表Table 2.The comparison table of navigation satellites laser ranging at 1.06 μm and 532 nm in 2019.

此次對合作目標的比對測試利用1.2 W的1.06 μm激光器實現了對地球同步軌道衛星的近紅外波長測距, 比532 nm波長回波效率最高提升至7倍, 而天空背景及暗噪聲的綜合影響僅為532 nm 波長的 1/5, 進一步明確了 1.06 μm 波長在遠距離微弱目標探測中的優勢.

在測距精度方面, 此次1.06 μm波長的表現略差, 主要影響因素有如下方面: 同一臺激光器倍頻前后激光脈沖展寬差異, 這方面的差距可以在今后使用的激光器研制過程中予以要求和控制; 目前測距的合作目標均為按532 nm波長測距設計, 其中二面角特性對于1.06 μm波長展寬較多, 在一定程度上影響1.06 μm測量精度, 今后對于高精度需求的遠距離微弱目標, 可針對1.06 μm波長進行合作目標設計, 可以將此方面影響降到最小; 目前采用的InGaAs單光子探測器測量精度約為70 ps, 相對于532 nm常規使用的Si APD探測器的25 ps有差異.

未來通過對上述問題的研究和解決, 利用本文目前經典的緊湊型收發分離的單臺激光測距望遠鏡, 可以更便捷、低成本地實現對遠距離微弱目標的近紅外波長高精度測量, 獲得測量能力的較大幅度提升, 同時幾乎不增加測量系統的觀測復雜度和難度.

5 結 論

在上海天文臺原有的532 nm衛星激光測距系統基礎上, 針對 1.06 μm 波長實施系統改造, 包括重新鍍膜望遠鏡收發系統、發展1.06 μm激光監視方法、采用InGaAs APD高精度近紅外單光子探測器, 實現了常規合作目標高精度測距及空間碎片激光測距.實驗表明, 利用 InGaAs APD 為探測終端的1.06 μm波長激光測距系統在系統噪聲、測量效率方面均比532 nm波長有較大優勢, 而目前主要影響其測量精度的單光子探測器, 也有望在近期實現測量精度的提升.

對于空間碎片測距而言, 1.06 μm波長可以更容易實現激光發射能量和功率的提升, 系統性能更加穩定, 非常有助于提高碎片測量能力; 1.06 μm波長回波光子數多的特性有利于開展對更遠、更小碎片目標的探測; 而整個測量系統低噪聲的特點則有利于預報精度較差的空間碎片目標的搜索, 也更有利于未來開展白天空間碎片激光測距的技術研究; 本文實現的基于InGaAs APD單光子探測器的1.06 μm空間碎片激光測距系統還具有系統緊湊、小改動、易操作、低成本等特點, 更有利于系統新建或對現有激光測距望遠鏡的改造, 進而建立較大規模的碎片激光測距網, 開展針對距離更遠或尺寸更小的空間碎片目標的聯合觀測; 而未來1.06 μm探測器測量精度的提升則為開展厘米尺度空間碎片激光測距提供了可能, 對小尺寸碎片目標的高精度測距定軌, 和空間碎片目標的高精度態勢分析和研究具有重要意義.

感謝國防科工局項目為本文工作的開展提供指導和支持.