一种多望远镜激光测距系统及其方法
【专利摘要】本发明提供一种多望远镜激光测距系统及方法，用于测量空间目标的距离，其特征在于，该系统包括：一激光发射器，用于向空间目标发射激光；多个望远镜，用于接收从空间目标反射回的激光回波；多个与望远镜一一对应连接的接收控制装置，用于控制相应望远镜接收激光回波，并输出激光回波的相应数据信息；以及一主控制装置，其一方面控制激光发射器发射激光，并控制各接收控制装置以使它们控制相应望远镜接收激光回波；另一方面，其接收各接收控制装置输出的激光回波的相应数据信息，并根据所述数据信息计算所述空间目标的距离。本发明能够以较低的技术难度和研制成本完成单台大口径望远镜接收激光回波的等效接收效果。
【专利说明】一种多望远镜激光测距系统及其方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及空间目标激光测距技术，尤其涉及一种多望远镜激光测距系统及其方法。
【背景技术】
[0002]卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)是指地面站向空间目标发射激光脉冲信号，并采用一定口径的望远镜接收激光回波，从而通过记录该激光信号从地面站到空间目标的往返飞行时间，获得空间目标的精确距离。由于激光具有单色性好、方向性强、抗干扰及高亮度等特点，SLR技术已成为空间目标测量中精度最高的技术，广泛应用在航天器精密定轨、地球自转参数确定、全球地球参考框架建立维护等领域。随着该技术应用领域的扩展，测量范围从数百公里到数万公里的卫星，最远达到月球甚至行星际，测量目标类型也从带有角反射器的合作目标卫星发展到表面漫反射的非合作空间目标，然而，由于激光回波强度随距离四次方衰减，因此对望远镜的口径大小提出了要求。
[0003]众所周知，单台望远镜口径的增大，不仅需要面临大规模的支承结构以及大口径镜片的研制问题，还需承担随口径2.5?2.7次方指数增加的研制成本负担。常用的空间目标激光测距方法普遍采用单台望远镜接收的模式，受限于技术水平和研制成本，所使用的望远镜接收口径不可能太大，因此这种模式的激光测距方法探测能力有限。目前，这种模式的激光测距对于合作目标的最远探测距离为月球，即激光测月，由于单台望远镜接收的回波微弱，目前国际上50多个激光测距站仅3个可开展激光测月，均使用1.5m以上口径的望远镜，以美国阿帕奇天文台的3.5m 口径为最大，且全部位于望远镜研制技术先进、经济发达的欧美国家。可以预期，对于更远的探测距离或更微弱的回波强度，采用这种单台望远镜接收模式的激光测距方法将很难得到推广和应用。
【发明内容】
[0004]针对上述现有技术的不足，本发明一方面提供一种多望远镜激光测距系统，该系统能够以较低的技术难度和研制成本完成单台大口径望远镜接收激光回波的等效接收效果，实现单台望远镜对空间目标激光测距探测能力的突破。
[0005]为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案:
[0006]一种多望远镜激光测距系统，用于测量空间目标的距离，其特征在于，该系统包括:
[0007]—激光发射器，用于向所述空间目标发射激光；
[0008]多台望远镜，用于接收从所述空间目标反射回的激光回波；
[0009]多个与所述望远镜一一对应连接的接收控制装置，用于控制相应所述望远镜接收所述激光回波，并输出所述激光回波的相应数据信息；以及
[0010]一主控制装置，其一方面控制所述激光发射器发射激光，并控制各所述接收控制装置以使它们控制相应望远镜接收所述激光回波；另一方面，其接收所述接收控制装置输出的所述激光回波的相应数据信息，并根据所述数据信息计算所述空间目标的距离。
[0011]进一步地，其中一个所述接收控制装置集成在所述主控制装置中，其余所述接收控制装置与所述主控制装置相连。
[0012]前述一种多望远镜激光测距系统，各所述接收控制装置与相应所述望远镜之间连接有一距离门控信号产生器。
[0013]进一步地，所述距离门控信号产生器的控制精度为纳秒级。
[0014]进一步地，所述望远镜的跟瞄精度小于I角秒。
[0015]优选地，所述激光发射器的指向精度为角秒级。
[0016]本发明另一方面提供一种利用前述多望远镜激光测距系统进行测距的方法，该方法包括以下步骤:
[0017]步骤1，通过所述主控制装置控制所述激光发射器向所述空间目标发射激光；
[0018]步骤2，通过所述主控制装置控制各接收控制装置，以使它们分别控制相应望远镜接收激光回波；
[0019]步骤3，在接收到所述激光回波之后，通过各所述接收控制装置将相应所述望远镜接收到的所述激光回波的相应数据信息传输至所述主控制装置；
[0020]步骤4，所述主控制装置根据所述数据信息计算所述空间目标的距离。
[0021 ] 优选地,所述步骤2包括:
[0022]步骤21，通过所述主控制装置计算所述激光回波预计到达各望远镜的时间并将该时间输出至相应所述接收控制装置；
[0023]步骤22，通过所述接收控制装置分别控制各望远镜在对应的所述时间接收所述激光回波。
[0024]本发明的激光测距系统通过利用多台望远镜并行接收激光回波，增大了激光回波的有效接收面积，达到了提升对空间目标激光测距探测能力的目的，在微弱激光回波信号的远距离激光测距、漫反射激光测距等领域中将具有良好应用效果。可见，本发明可以较低的技术难度和研制成本，实现相当于单台大口径望远镜对空间目标的等效激光探测能力，并具有易于推广和应用的技术优势。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1为本发明一个实施例的多望远镜激光测距系统的工作原理示意图；
[0026]图2为本发明一个实施例的多望远镜激光测距系统的电路连接图；
[0027]图3为本发明采用的等效距离门控值计算方法的原理示意图；
[0028]图4为事件模式距离门控信号产生器的电路框图；
[0029]图5为本发明采用的数据融合处理的原理图；
[0030]图6A为使用单台望远镜对Ajisai (阿吉沙)卫星激光测量的距离残差图；
[0031]图6B为使用双望远镜对Ajisai卫星激光测量的距离残差图；
[0032]图6C为单台望远镜与双望远镜在同时段内所接收到的激光回波数统计对比图。
【具体实施方式】
[0033]下面结合附图，给出本发明的较佳实施例，并予以详细描述。[0034]1、实现原理
[0035]空间目标激光测距雷达方程是研究空间目标激光探测能力的基本理论依据。根据激光测距雷达方程、测距系统参数和所测量空间目标截面大小等，可计算一测距系统所获得的平均激光回波光子数。其中，空间目标激光测距雷达方程(漫反射激光测距)如下:
[0036]
【权利要求】
1.一种多望远镜激光测距系统，用于测量空间目标的距离，其特征在于，该系统包括: 一激光发射器，用于向所述空间目标发射激光； 多台望远镜，用于接收从所述空间目标反射回的激光回波； 多个与所述望远镜一一对应连接的接收控制装置，用于控制相应所述望远镜接收所述激光回波，并输出所述激光回波的相应数据信息；以及 一主控制装置，其一方面控制所述激光发射器发射激光，并控制各所述接收控制装置以使它们控制相应望远镜接收所述激光回波；另一方面，其接收所述接收控制装置输出的所述激光回波的相应数据信息，并根据所述数据信息计算所述空间目标的距离。
2.根据权利要求1所述的多望远镜激光测距系统，其特征在于，其中一个所述接收控制装置集成在所述主控制装置中，其余所述接收控制装置与所述主控制装置相连。
3.根据权利要求1所述的多望远镜激光测距系统，其特征在于，各所述接收控制装置与相应所述望远镜之间连接有一距离门控信号产生器。
4.根据权利要求2所述的多望远镜激光测距系统，其特征在于，所述距离门控信号产生器的控制精度为纳秒级。
5.根据权利要求1-3中任何一项所述的多望远镜激光测距系统，其特征在于，所述望远镜的跟瞄精度小于I角秒。
6.根据权利要求1-3中任何一项所述的多望远镜激光测距系统，其特征在于，所述激光发射器的指向精度为角秒级。
7.一种利用权利要求1所述的多望远镜激光测距系统进行测距的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 步骤1，通过所述主控制装置控制所述激光发射器向所述空间目标发射激光； 步骤2，通过所述主控制装置控制各接收控制装置，以使它们分别控制相应望远镜接收激光回波； 步骤3，在接收到所述激光回波之后，通过各所述接收控制装置将相应所述望远镜接收到的所述激光回波的相应数据信息传输至所述主控制装置； 步骤4，所述主控制装置根据所述数据信息计算所述空间目标的距离。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述步骤2包括: 步骤21，通过所述主控制装置计算所述激光回波预计到达各望远镜的时间并将该时间输出至相应所述接收控制装置； 步骤22，通过所述接收控制装置分别控制各望远镜在对应的所述时间接收所述激光回波。
【文档编号】G01S17/08GK103529454SQ201310548642
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2013年11月6日 优先权日:2013年11月6日
【发明者】张忠萍, 吴志波, 张海峰, 李朴, 孟文东, 陈菊平 申请人:中国科学院上海天文台