高精度卫星激光测距仪

一 ； 高精度卫星激光测距仪 沈人 骥’ ／ ． ． ．．一 梅遂生 了 7 『I z ， ， _ _ ， 一 摘 要 本文介绍高精度 卫星激光测距仪的概况和研制过程。激光测卫是研 究地球动力学和大地测量基本问的一种重要手段。文中叙述 了该设备总体 的 制订、系统的组成和性能、技术关键 问题 及外场安装调试和测卫X-作。 关键词 卫星激光测距戗 弓 卫 Development of a High Precision Satellite Ls$er Ranging System 8枷 Ren 霄口 Ah~tra~t Satellite laser ranging讧 an important mq~sure for gc~xiss and geodynami~ research—This pa- per reports the development of a high pree~ n sateJlit~laser ra九ging system．The general 0cbeme，compo- nenb andtheir specitLcation。technical key points，the e~tablishment and alignment ofthe system ，and satcl- lite ranging testing a托 stated． Keywmxl satellite laser他ngmB 一 、 前 言 随着激光测卫测月的发展，测量技术和 相应的观测仪器都有了很大 的提高和改进。 观测仪器的技术性能已从最初的米级测距精 度、二～三千公里测程(第一代卫星激光测距 仪)提高到厘米级测距精度 、八千多公里测程 (第三代卫星激光测距仪 )。高精度卫星激光 测距仪(ep三代人卫激光测距仪 )的研制就是 在这种迅速发展的形势下 ，为了赶上国际激 光测卫技术的发展和实测的需要而提出并立 项的。 二 、测距仪的研制 三代人卫激光测距仪是一个技术先进而 又复杂的系统。其组成部分多、技术指标要求 高、技术难度大 它的主要任务是测量带后 向 角反射器 的人造地球卫星的斜距 ，为大地测 量 、地球动力学研究等提供数据。 1976年美国发射的 Lageos卫星面布 32 满 426块后 向角反射器 ，轨道地 面高度约 5900km，偏心率很小，轨道稳定受地球重力 场摄动影响小，可以获得极高的定轨精度和 测量精度。它是本测距仪 的主要测量对象 (1992年美国又发射了第二颗 Ia eo8卫星)。 由于本测距仪要测量八千多公里甚至= 万公里以上 的人造卫星，测距精度要达到厘 米级，而且要能昼夜工作 ，所以几项主要技术 指标要 求均很高 。如：激 光器输 出能量 ≥ I50mJ(绿光)，脉宽 10O～200p~，激光束最小 发散角(经扩束后)≤0．1mrad}接收光学系统 口径 600ram{测距计数器分辨率 lem(相当于 时间分辨率 为 67ps)，精度士0．33n ；跟踪架 跟踪定向精度优于 10角秒，并能平稳跟踪 一 次连续工作时间≥40rain。 测距仪的总体技术方案是在收集国内外 斌人辅 男，J932年生．1952年毕业于南开大学，教 授级高级工程师 ．长期从事激光测距技术研究．在华北光电 技术研究所曾任研 究室主任，参加和主持过多扶重大工程 谭题． ’ 维普资讯 http://www.cqvip.com 大量资料和进行调研的基础上制订的 最初 在调研国外情况中了解到美国 GTE Sylvania 公司生产的三代人卫激光测距仪系统较 完整，指标较先进，并已在西德 Wettzel／人卫 站等安装使用，效果很好 。于是参照该系统的 方案，考虑国内的实际条件，拟订了一个初步 方案。随后国家科委派出“卫星大地测量考察 团 于 1981年 3月 7日～4月 11日访 问了 西德和美国的二十多个单位(我所有四人参 加) 考察后我们对原方案进行了多次修改， 使其更切合实际。例如 ：(1)将原接收与发射 共轴方案改为接收光路与发射光路分开，以 减少光路的复杂性和减少光能的损失}(2)由 于关键器件 VPM一154型静态交叉场光电倍 增管被美国禁运 ，接收器件只好用 RCA 8850 光 电倍增管 (阴极光照灵敏 度为 731JA／Lm， 响应时间 2．fins)代替。为此不得不增大接受 望远镜的 口径 ，以弥补测程的不足1(3)增设 微光电视 ，用作跟蹿卫星时的辅助手段。以便 直观地跟踪和瞄准卫星，也便于辅助调整激 光束的轴线和方 向}( )激光器原先采用声光 锁模连续激光器 当时国内外已出现了更先 进的主被动双锁模技术，于是便将激光器振 荡级改为主被动双锁模 }(5)标校平台调整激 光光轴的基准参考光轴，原方案用氩离子激 光器，后改用氦氖激光器t同时为了易于对接 和调整激光发射光轴，在激光器净化间内增 设了一套调整反射镜组(安置在一个小平台 上)。根据总体方案设计的测距系统由下列各 部分组成 ： 1_激 光器 系统 为了获得大功率超短脉冲 Nd：YAG倍 额激光 ，激光器需要多级组成 ，是一个复杂的 系统。它包括一个主被动双锬 Nd：YAG振 荡器 (用殷钢管保证其腔长稳定)、一个单脉 冲选择器、三级激光放大器和一个倍额器组 成的激光器本体、一台五路电源、一台热交换 器。整个器件装在一个铸件底盘上 以保证机 械稳定性 ，且结构紧凑。要达到的指标是脉宽 200ps，输 出能量 150mJ，重复额 率 l～4pps， 基本上没有双脉冲输出或漏闪，一次可连续 工作 40rain 由于功率密度大 ，这台激光器必 须在 100级的超净间内工作，以防止光学元 件的激光损伤●。 2．跟 踪 架 跟踪架为地平式结构 ，分底部和头部两 大部分 底部包括可精密调平的底座 、精密的 垂直轴系、方位力矩机和测速机组、方位码 盘、扁电缆装置等 。头部包括龙门架、精密的 水平轴系、接收主镜筒、俯仰力矩机和测速机 组 ，俯仰码盘、手摇机构等。 接收主镜筒主镜的通光 口径为 600mm， 主镜为微晶玻璃，镜面为抛物面，镀有高 反射膜，采用浮动支承方式固定，以防止镜面 变形。次镜用三根殷钢管与主镜底板相连 ．以 减小温度变化所引起的镜筒伸缩。镜筒前靖 用保护玻璃密封 ，以防止灰尘和潮气侵袭。保 护玻璃表面镀有增透膜 。 主镜筒上方背负一个接收小系统盒 ，其 中装有可变视场角的光栏盘 (从 0．15mrad~ 2mrad分档可调)、干 涉滤光片、准直和聚焦 光学 系统、光 电倍增管 (RCA88fi0型 )、太阳 保护快门，以及一套瞄准、观测 用的 目视系 统。激光 回波经接收主镜接收后进入接收盒， 由光电倍增管转换成电信号后送到测距控制 机柜 。 主镜筒左下侧装有可变发散角的激光发 射望远镜 ，其发散角从 0．1～1_5mrad连续可 调。一套曲折光路反射镜组(跟踪架上共有六 块反射镜)将激光引入跟踪架底部，再通过垂 直轴 、水平轴，最后进入发射望远镜。 主镜筒下方装有微光电视望远镜 (口径 180ram、焦距 1fi00mm、视场约 1。、摄象机灵 敏度 5x10 sLx)。此种微光 电视在夜晚大气 能见度好时 ，能看到 l3～1 d等星 (Laseos卫 。 在本测距但整机 研翩 完成 以前 -这种激 光器干 1 986年先提供给长春人卫站配套使用，于 1987年测到 _r 1．a~eos卫星的数据 工作稳定可靠 19fl8年 儿 月谈撤光器 单独进行了鉴定 ，井于 1 9B9年获电子部科技进步一等奖- lgg0年获国家科技进步二等奖。 33 维普资讯 http://www.cqvip.com 星亮度一般情况下与此星等相当)。 在水平轴右轴头上装有瞄准望远镜。此 望远镜口径为 120ram，倍率 24 ，用于瞄准地 面靶标和恒星等。 跟踪架的主要功能是保证精确指向和跟 踪被测量的卫星，其指向精度优于 l0角秒 。 为了跟踪像 Lageos这样的远地星或利用恒 星进行转台校准 ，转台应低速且跟踪平稳，最 低速度<0．008。／s。 3．标 校平 台 标校平台是激光器和跟踪架之间的结合 部，分成大小两个平台。小平台安置在激光器 超净间内，位于激光器和超净闻激光出 口之 间，它包括一个氦氖激光器 ，三块反射镜和一 块分光镜 。利用它可将工作激光束(YAG倍 频激光)与基准激光束(He—Ne激光)调重合， 然后一起送向跟踪架。大平台安置在跟踪架 激光入 口处，它包括一个 2 扩束镜、一套调 整反射镜和聚焦镜系统 以及一个 目视观测 组。利用一块插拔反射镜，可将经小平台调整 好的两路激光束转入大平 台的 目视观测系 统 ，作进一步更精确的检查和调整 。 4．电子机柜 本系统有三个电子机柜 测距控制机柜、 随动控制机柜和轴角编码机柜 。 测距控制机柜：它是系统操作人员控制 和监视全 系统的操作台，可控制和监视激光 器的发射与停止、激光发散角、接收枧场角、 跟踪架驱动方式(单杆或计算机驱动)、跟踪 架的工作状态、窄带干涉滤光片的恒温、主波 及回波阈值、光 电倍增管过流保护快门(兼作 太阳快 门)等。在这个机柜上还有距离计数 器、距离选通门、恒比定时器、数字钟、计算机 接 口电路等。距离选通门的门宽可变 ，可进一 步滤除接收系统的噪声。恒比定时器是将输 入的激光主回波信号按一定比例产生一个输 出脉冲 ，其前沿出现的时刻是不随输入信号 的幅度而变化的。用它来作为计数器的开门 和关门信号 ，能减小测距误差。 随动控制机柜 ：它包括随动控制电路、弱 34 电电源、力矩机功率放大电路和电源、微光电 视控制电路等。随动控制电路采用准二阶调 速系统。在跟踪卫星时 ，其跟踪精度优于 1O 角秒(均方根值)。位置控制以每秒 20次频率 采集轴角编码器瞬时的位置数据 。 轴角编码机柜：它包括轴角编码系统 的 锁相环电路、逻辑电路和弱电电源。轴角编码 系统可按绝对式和增量式两种方式工作。用 绝对式能实时显示和送出转台的绝对角度。 跟踪架的方位俯仰角位置，以二进制码 实时输送到计算机接 口。机柜面板上则以度 分秒和二进制双重显示跟踪架的方位角和俯 仰角 。 主要技术指标为： 角分辨率 绝对式(20位)1．24角秒 增量式(21位)0．62角秒 j劁角精度 ：静态测 角精度优于 2．5角秒 (均方根 值) 5．电子计 算机 及软件 考虑到本系统要求较强的实时控制能力 和一定的数据处理和计算能力 ，井参考西德 Wettzell站的经验 ，我们选用了当时相 当先进 的美国 DEC公司 PDPll／44计算机。选配了 相应的硬件。软件选用RSX一11M 实时事件驱 动多道程序操作系统。根据测卫要求编写和 调试了以下程序：(1)恒星预报及 自动选星程 序 ；(2)恒星跟踪及跟踪架校准程序；(3)卫星 轨道预报 ；(4)卫星跟踪及实时测距程序}(5) 对靶标测距程序；(6)系统检测程序}(7)数据 预处理程序。 三代人卫激 光测距仪是包含精密光学、 精密机械、电子学和计算机的一个复杂系统。 技术难 度很大，要求很高 ，再加上 一部分 加 工、检测、元器件等受条件的限制 ，这也转化 成技术问题。在整个研制过程中，从设计、加 工到最后联试和检测 ，都有许多要攻克的技 术关。在研制过程中我们逐步解决了激光器 振荡级的稳定性 、单脉i中选择器的稳定性、倍 频器的效率、多路电源的可靠性 ，以及有效的 热交换等技术问题；解决了接 收系统 中大 口 维普资讯 http://www.cqvip.com 径主镜的结构设计和装调同题 ；改进了高分 辨率距离计数器和大动态范围的高精度恒 比 定时器，以适用于三代人卫激光测距仪；解决 了精度要求较高、加工难度较大的一些零件， 如 ：转台垂直轴的轴承环、水平轴轴头、四通 体等零件的精加工和检测同题 ；研制了一些 特殊光学元件和解决了光学薄膜技术 ，如 ：窄 带 (带宽 lnm)干涉滤光片、抗激光损伤的高 反射率反射镜、介质膜偏振片、旋光器、声光 锁模调制器、双 KD P电光开关等；自行设计 了全部计算机软件。通过室内和外场测卫的 联试，这些软件已达到预期要求。 三 、测距仪的外场装调和测量 按合同规定 ，第一套测距仪提供给国家 测绘局测绘科学研究所使用 ，安装于北京房 山人卫站。外场安装调试是研制工作的重要 环节，可划分为三个阶段 ：(1)设备安装，各分 系统调整(恢复到出所时状况)，安装地靶(用 作仪器调试和测距){(2)整机联试 ，对地靶测 距 (要求测距精度达到合同规定的 5～7cm)； (3)计算机软件调试 ，跟踪和测量卫星(以测 Lageos卫星为主)。三个阶段的工作实际上是 穿插进 行的 。 对地靶测距时所用的地靶 ，安置在一个 离测站 2．3kin的小山坡上 ，在地靶 的水泥柱 上安放一块后向角反射器 进行地靶测距时， 在测距仪的接收主镜筒前要加一镜盖，其上 有 一系列可变换的小孔 ，变换相邻两孔相当 于能量变化一倍。对地靶测距的一套完整的 数据 ，应是依次变换五个孔(相当于能量变化 32倍)后获得的五组数据。每组数据的回波 率应略低于 100％使其尽量接近测量卫星时 的回波率。然后进行测距精度处理。我们最 后完成对地靶测距的精度为 2～3．2cm，用单 孔时可达 1．7cm。为了保护计算机 ，专门配备 了一套不间断电源。第(3)阶段中先后进行了 选星程序、对恒星跟踪和校正程序、卫星预报 程序、对卫星实时跟踪程序和对地靶测距程 序等计算机软件的调试。 参 照对 比国内各人卫站的系统 ，房山人 卫站对计算机等分系统先后作了若干更改 ： 采用 AST386微机代替PDP11／44计算机 ，并 统一采用武汉地震所设计的跟踪卫星软件； 增加了从接收主镜光路分光的微光电视系统 (等效焦距约 4m)；扩展了距离计数器的位 数 ，以增大测程到几万公里；用上海定型的数 显表代替原有的轴角编码 电路系统 }激光器 单选增设雪崩三极管串系统。除计算机的更 改外，上述各系统的更改仍由我所进行 。这些 更改在一定程度上改善和提高了测卫性能。 在我所与武汉地震所协调和弄清了微机 与距离计数器等 系统之间的接 口关系以后， 此测距仪基本上可以正常使用和测卫。最近 一 年半左右 ，已连续测得 Ajisai、Topex、Star— lett、Lageos A、Lageos B五种卫星数据。有时一 晚上可测得 7圈有效数据 ，较高的有效数据 每圈约 2000个点。 四、结 柬 语 激光测卫在今后还会有更大发展，现在 用于激光测卫的卫星就有八、九颗之多，随着 科学技术的进步对测卫设备和手段必然也会 有更高要求。如流动站、单光电子接收技术、 毫米级测距精度 ，以及更 自动化和快速高质 量处理信息、数据等，都是要实现的。我们期 待着我国人卫激光测距事业的更大进步。 维普资讯 http://www.cqvip.com