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1、中国航天2 0 0 8年第5期!“!“!“!“随着空间技术和航天工业的发展,空间距离测量已成为空间领域的重要研究内容。传统雷达测距在太空中极易受到高能粒子和电磁波的干扰,测量精度低,无法满足高精度测量的要求。宇宙空间空气稀薄、温度变化剧烈,无法进行超声波测距。因此,测量空间距离需要一种适合空间环境、抗干扰能力强和测量精度高的测距方法。激光测距技术是一种自动非接触测量方法,对电磁干扰不敏感,抗干扰能力强,测量精度高。与一般光学测距技术相比,它具有操作方便、系统简单及白天和夜晚都可以工作的优点。与雷达测距相比,激光测距具有良好的抗干扰性和很高的精度。在重复测距的同时,以细激光束对空间扫描,同时获得
2、目标的距离、角度和速度等信息,这就是激光雷达。激光雷达能实现很多传统雷达达不到的性能要求。激光的发散角小、能量集中,能够实现极高的探测灵敏度和分辨率;其极短的波长使得天线和系统尺寸可以很小,这些都是传统雷达所不可比拟的。与微波雷达相比,激光测距仪方向性好、体积小、重量轻,非常适用于搭载在航天器上进行空间目标距离测量。激光测距技术综合了激光器技术、光子探测技术、信号处理技术等多项技术,测距精度高,测程大,可靠性高,能够满足空间目标高精度、大测程测距的要求,在空间测量领域获得了广泛应用。一、激光测距技术的基本原理激光测距技术按照测程可以分为绝对距离测量法和微位移测量法。按照测距方法细分,绝对距离测
3、距法主要有脉冲式激光测距和相位式激光测距,微位移测量法主要有三角法激光测距和干涉法激光测距。脉冲激光测距的原理是:由脉冲激光器发出一持续时间极短的脉冲激光 ( 主波) ,经过待测距离L后射到被测目标,有一部分能量会被反射回来,被反射回来的脉冲激光称为回波。回波返回测距仪,由光电探测器接收。根据主波信号和回波信号之间的间隔,即激光脉冲从激光器到被测目标之间的往返时间t,就可以算出待测目标的距离。D =12c t式中c为光速。脉冲法精度一般在米量级。相位激光测距的原理是:对发射的激光进行光强调制,利用激光空间传播时调制信号的相位变化量,根据调制波的波长,计算出该相位延迟所代表的距离。即用相位延迟测
4、量的间接方法代替直接测量激光往返所需的时间,实现距离的测量。这种方法精度可达到毫米级。三角法激光测距是由激光器发出的光线,经过会聚透镜聚焦后入射到被测物体表面上,接收透镜接收来自入射光点处的散射光,并将其成像在光电位置探测器敏感面上。当物体移动时,通过光点在成像面上的位移来计算出物体移动的相对距离。三角法激光测距的分辨率很高,可以达到微米数量级。干涉法激光测距是通过移动被测目标并对相干光进行测量,经计数完成距离增量的测量,因此干涉法测量的灵敏度非常高,可以达到纳米级。固体激光器和半导体激光器技术的发展以及高功率、高亮度、高效率半导体激光二极管的出现,使得激光测距装置具有结构紧凑、质量轻、寿命长
5、、效率高等特点,非常适合空间环境的应用。从2 0世纪8 0年代后期开始,除了美国之外,欧洲和日本也开始研究开发空间用激光测距装置。激光测距装置在空间任务齐炜胤尤政张高飞孙剑张弛激光测距技术在空间的应用$3 8M a y2 0 0 8A e r o s p a c e C h i n a中的运用越来越广泛。二、激光测距在空间技术中的应用简况1 .空间碎片探测空间碎片俗称太空垃圾,是指宇宙空间中除正常工作的飞行器外的所有人造物体,大到废弃的卫星、运载火箭末级,小到固体火箭发动机燃烧后的三氧化二铝小颗粒或从航天器上剥落下来的漆片。空间碎片的存在严重威胁着在轨运行航天器的安全。空间碎片的不断产生对有限
6、的轨道资源也构成了严重威胁,尤其是当某一轨道高度的空间碎片密度达到一个临界密度时,碎片之间的链式碰撞过程将会造成轨道资源的永久破坏。为了安全、持续地开发和利用空间资源,必须不断提高对空间碎片的跟踪监视技术,增强对空间碎片环境的分析预测能力,同时寻求控制空间碎片的有效措施。空间碎片监测可以通过地基监测和天基监测两种方式。一般来说,大尺度空间碎片主要依靠地基手段;中小尺度空间碎片探测可以依靠天基手段。而基于激光测距技术的激光雷达探测系统在空间碎片探测方面具有独特的优点。它采用主动探测方式,不受光照条件限制,波束窄,探测距离远,空间分辨率高,测量精度高,并且可以同时进行测距和测速。如毛伊岛光学站基于
7、激光雷达的美国空军地基光电深空监视系统就采用了激光测距技术。该系统由光学分系统 (A M O S)和跟踪识别分系统 (M O T I F)组成,前者包括一台1 . 5 8 m卡塞格林望远镜、一台激光发射器和一台A M O S获取设备,主要用于测量、跟踪、红外目标识别和补偿成像;后者由两台并联安装的1 . 2 2 m卡塞格林望远镜组成,主要用于测量轨道高度在4 8 0 0 k m以下的卫星的反射特性、热辐射特性并对其成像。美国弹道导弹防御局在2 0世纪9 0年代初开始研制 “ 快速光束操纵系统” (R O B S) 。它是一种基于激光雷达的天基探测系统。R O B S在结构上包括目标识别捕获分系
8、统、跟踪成像分系统和激光雷达分系统三部分,其中激光雷达分系统用来测量目标距空间站的距离和目标的多普勒频移,进而确定目标的运动速度和轨迹。另外,V i s d y n e公司和菲利浦斯实验室还联合提出了一种用于监测尺寸小于1 0 c m的空间碎片的监测系统。该系统由成像分系统、信号处理分系统和激光雷达分系统三部分组成。2 .空间交会对接航天器空间交会对接技术是发展空间技术的关键途径。它包括两部分相互衔接的空间操作:空间交会和空间对接。所谓交会是指航天器之间在轨道上按预定要求相互接近的过程,即两个或两个以上航天器通过轨道参数的协调在同一时间到达同一空间位置的过程。而对接则是在交会的基础上,通过专门
9、的对接装置将其在结构上连成一个整体。由上表可以看出,基于激光测距技术的激光雷达在整个交会对接过程中起着很关键的作用,特别是在几十公里到几米这一范围内起着主要导航作用。这是由交会对接的实际要求和激光雷达的性能所决定的。因为在这个阶段,交会对接的精度要求很高,很短的距离对于微波雷达来说是测量盲区,而且其精度也远远不能满足要求。激光雷达由于自身的优点,如动态范围很宽、精度极高等,最适合于交会对接。由于在太空中不存在大气的影响,加上激光雷达自身的巨大优势,使得激光雷达在空间交会对接中获得了广泛的应用。表2为在各国空间交会对接中激光雷达的使用情况。目前美、俄所实现的空间交会对接都需要宇航员手动介入,而在
10、未来的许多太空任务如卫星服务计划、空间站自动补给、深空探索、无人飞船等,则需要无人自主交会对接。因此,美、俄、日及欧洲空间局等都在发展自主自动交会对接测量系统,特别是复合式激光雷达测量系统。3 .对地观测及深空探测利用卫星或航天飞机等航天器搭载激光测距装置在空间轨道上对地球或其他星球表面进行观测,这种激光测距装置通常称激光高度计。它测量航天器到表面的距离,再根据航天器的位置和飞行姿态,计算出表面点的坐标。与地面及机载激光测距设备相比,星载激光器具有不少优势:首先,可在卫星上采集和处理数据,具有观察整个天体的能力,有助于制作天体的综合地形图,所以月球和火星等探测计划都包含了激光高度计;其次,在北
11、极等不能用飞机执行观测任务的地方,可用星载激光高度计观!3 9中国航天2 0 0 8年第5期察北极地区冰层和海洋冰川的变化。因此,星载激光高度计在天体特征研究、陆地表面冰川海平面高度变化和植被分布状况研究、云层和气溶胶的垂直分布和光学密度研究以及特殊气候现象监测等方面可发挥重要作用。早在2 0世纪7 0年代,激光测距装置就在阿波罗登月工程中得到应用。1 9 7 1 1 9 7 2年间发射的阿波罗1 5、1 6和1 7号飞船上,均搭载了闪光灯泵浦的红宝石激光高度计。不过,闪光灯泵浦器件的寿命和效率问题极大地限制了它在空间环境中的应用。据报道,阿波罗上的激光高度计寿命仅为1 04个脉冲。2 0世纪
12、9 0年代美国航空航天局 (N A S A)先后发射了装有火星轨道器激光高度计 (M O L A和M O L A - 2)的探测器对火星进行探测;于1 9 9 6和1 9 9 7年分别发射了返回式激光测高卫星S L A - 0 1和S L A - 0 2,用于观测地表植被和其它自然特性。后来,载有“ 地学激光测高系统” (G L A S)的 “ 冰卫星” (I C E S a t)于2 0 0 3年1月1 3日发射升空,其使命是监测冰川,观测云层中悬浮微粒的垂直分布密度和光学密度,并测量植被分布和地面地形。1 9 9 6年美国的 “ 近地小行星交会探测器” (N E A R)发射升空,于2 0
13、 0 0年成功进入爱神小行星的运行轨道,进行为期1年的近距离小行星观测计划。激光测距仪作为其装载的5套精密观测系统之一,用以观测计算爱神星的体积大小和了解其密度。N E A R系统中的激光测距仪主要由5个部分组成:带光纤延迟的激光发射和激光电源部分、光学接收部分、带探测器件的模拟电路及处理器、数字处理电路和低电压供电电源。这是世界上第一个进入小行星轨道的激光测距仪,在绕小行星轨道工作的1年时间中一直持续工作。我国最近发射的嫦娥一号探月卫星的重要有效载荷月球轨道激光高度计是我国第一套进入太空的激光应用系统。通过激光高度计与C C D立体相机相结合,可以获取月球表面的三维影像和地形高度数据。嫦娥一
14、号上的激光高度计开机两个多月来,至今已随星围绕月球转了7 2 0圈以上,差不多把月球覆盖了两遍 ( 包括南北极) 。它几乎每隔一秒就向月面发射一束激光并接收反射光,使得月球上间隔十几公里就可以 “ 有”一个点,而且分辨率精确到5米。目前 “ 激光足印”的密度已达每平方公里0 . 8 7个点,收发之间的成功采集率达9 9 %左右。 4 .卫星星座与编队飞行卫星编队飞行是近年来国内外航天技术研究的重点问题之一。其目的是采用多颗小卫星编队飞行组成星座来实现传统单颗大卫星所不具备的强大功能。随着微型航天器技术的不断发展,表1交会对接过程与导航方式阶段地面导引自动寻的最终逼近对接锁撞距离范围大于1 0
15、0 k m1 0 0 1 k m1 k m 1 0 0 m1 0 0 1 0 m导航方式地面引导,G P S微波雷达,激光雷达,G P S激光雷达激光雷达,光学敏感器表2各国的空间交会激光雷达系统名称消息来源作用距离工作方式激光对接系统美国约翰逊空间中心,1 9 8 6年远距离:2 2 1 0 0 k m,近距离:1 0 0 0 m连续波半导体激光器光源;光电二极管接收,检流计式扫描,位置敏感探测器和沃拉斯顿棱镜姿态测量多目标和单目标定向敏感器美 国 航 空 航 天 局(N A S A) ,1 9 8 6年多目标:1 0 0 6 m,单目标:6 0 m析像管接收,相位式测距,远距离为析像管测角
16、空间交会对接用扫描激光雷达日本宇宙航空研究所,1 9 8 7年远距离:2 0 k m 2 0 0 m近距离:2 0 0 0 m连 续 波-镓 铝 砷 激 光 二 极管 , 雪 崩 光 电 二 级 管(A P D) 接 收 , 相 位 法 测距,检流计式扫描自主交会对接光电敏感器德 国M B B公 司 ,1 9 8 3年2 0 k m接近连续波-镓铝砷激光二极管光源,A P D接收,检流计式扫描,姿态测量用C C D交会对接跟踪激光雷达日本电气、三菱电机公司,1 9 8 9年3 0 k m 0 . 2 m砷 化 镓 激 光 二 级 管 光 源 ,四象限检测和C C D成像,音频测距交会对接光学敏感器系统日本宇宙开发事业团(N A S D A) ,1 9 9 5年6 0 0 0 . 3 m半
