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激光测距讲解

激光测距技术在空间的应用

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。

1.1研究背景及意义

激光是一种自然界原本不存在的,因受激而发出的具有方向性好、亮度高、单

色性好和相干性好等特性的光,激光的特点有:

1.方向性好——普通光源(太阳、白炽灯或荧光灯)向四面八方发光,而激光的发光方向可以限制在小于几个毫弧度立体角内,这就使得在照射方向上的照度提高千万倍。激光准直、导向和测距就是利用方向性好这一特性。

2.亮度高——激光是当代最亮的光源,只有氢弹爆炸瞬间强烈的闪光才能与它相比拟。太阳光亮度大约是103瓦/(厘米2·球面度),而一台大功率激光器的输出光亮度经太阳光高出7~14个数量级。这样,尽管激光的总能量并不一定很大,但由于能量高度集中,很容易在某一微小点处产生高压和几万摄氏度甚至几百万摄氏度高温。激光打孔、切割、焊接和激光外科手术就是利用了这一特性。

3.单色性好——光是一种电磁波。光的颜色取决于它的波长。普通光源发出的光通常包含着各种波长,是各种颜色光的混合。太阳光包含红、登、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色的可见光及红外光、紫外光等不可见光。而某种激光的波长,只集中在十分窄的光谱波段或频率范围内。如氦氖激光的波长为632.8纳米,其波长变化范围不到万分之一纳米。由于激光的单色性好,为精密度仪器测量和激励某些化学反应等科学实验提供了极为有利的手段。4.相干性好——干涉是波动现象的一种属性。基于激光具有高方向性和高单色性的特性,它必然相干性极好。上世纪九十年代初,欧美等几大公司相继生产出可供商用的半导体激光二极管,使激光的实际应用价值发生了革命性的进步。其他种类的激光器由于产生激光的机理过于复杂,使其体积,重量

特别大,功耗高等原因,大大限制了激光的应用。而半导体激光器的出现使这些问题迎刃而解。随着半导体激光器的技术进一步成熟,价格逐步降低,其应用批量和应用领域不断扩大,就目前的发展速度来看,应用前景十分看好。半导体激光器体积小、重量轻、可靠性高、转换效率高、功耗低、驱动电源简单、能直接调制、结构简单、价格低廉、使用安全、其应用领域非常广泛。如光存储、激光打印、激光照排、激光测距、条码扫描、工业探测、测试测量仪器、激光显示、舞台灯光及激光表演、激光水平尺及各种标线定位等。半导体激光器的一些独特优点使之非常适合于军事上的应用,如野外测距、枪炮等的瞄准、射击模拟系统、致盲、对潜通信制导、引信、安防等。由于可用普通电泡驱动,使一些便携式武器设备配置成为可能。目前已开发出并投放市场的半导体激光器的波段有370nto、390r珊、405r珊、430nto、480hm、635r皿、650hm、670hm、780hm、808nm、850hm、980rm、1310hm、1550hm等,其中1310hm、1550hm主要用于光纤通讯领域。405nm一670n,.为可见光波段,780nm一1550hm为红外光波段,390rm一370hm为紫外光波段。激光器是强度很高的光源辐射器件,大功率的激光器可以用于切割焊接金属材料,所以激光对人体,特别是人眼有严重伤害,使用时需特别小心。国际上对激光有统一的分类和统一的安全警示标志,激光器分为四类(Classl~Class4),一类激光器对人是安全的,二类激光器对人有较轻的伤害,三类以上的激光器对人有严重伤害,使用时需特别注意,避免对人眼直射。

一、激光测距技术的基本原理

激光测距是利用激光的单色性和相干性好、方向性强等特点瞪】,以实现高精度的计量和检测,如测量长度、距离、速度、角度等等。激光测距在技术途径上可分为脉冲式激光测距和连续波相位式激光测距。脉冲式激光测距原理与雷达测距相似,测距仪向目标发射激光信号,碰到目标就要被反射回来,由于光的传播速度是已知的,所以只要记录下光信号的往返时间,用光速(30万千米/秒)乘以往返时间的二分之一,就是所要测量的距离。现在广泛使用的手持式和便携式测距仪,作用距离为数百米至数十千米,测量精度为五米左右。我国研制的对卫星测距的高精度测距仪,测量精度可达到几厘米。连续波相位式激光测距是用连续调制的激光波束照射被测目标,从测量光束往返中造成的相位变化,可换算出被测目标的距离。为了确保测量精度,一般要在被测目标上安装激光反射器。它测量的相对误差为百万分之一。激光测距仪与微波雷达结合,还可以发挥激光波速窄的特长,弥补微波雷达低仰角工作时受地面干扰的不足。激光测距与光学经纬仪、红外及电视跟踪系统相结合,组成光电跟踪测量系统,既可作为靶场试验的测量设备,又常用作武器的光电火力控制系统。这种激光测距仪已广泛用于地面火炮、坦克炮的火控系统,大大提高了命中率。

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=1/2ct

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、效率高等特点,非常适合空间环境的应用。从20世纪80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。

激光测距讲解

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(AMOS)和跟踪识别分系统(MOTIF)组成。前者包括一台1.58m卡塞格林望远镜、一台激光发射器和一台AMOS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1.22m卡塞格林望远镜组成,主要用于测量轨道高度在4800kin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20世纪90年代初开始研制“快速光束操纵系统”(ROBS)。它是一种基于激光雷达的天基探测系统。ROBS在结构上包括目标识别捕获分系统、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,Visdyne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10cm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。

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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20世纪70年代,激光测距装置就在阿波罗登月工程中得到应用。1971-1972年间发射的阿波罗15、16和17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10个脉冲。

20世纪90年代美国航空航天局(NASA)先后发射了装有火星轨道器激光高度计(MOLA和MOLA-2)的探测器对火星进行探测:于1996和1997年分别发射了返回式激光测高卫星SLA-01和SLA-02,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”(GLAS)的“冰卫星” (ICESat)于2003年1月13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。

1996年美国的“近地小行星交会探测器”(NEAR)发射升空,于2000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。

NEAR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CCD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720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0.87个点,收发之间的成功采集率达99%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,由几颗甚至十几颗低成本微型航天器构成的编队星座受到广泛重视。它能在同一时刻对同一目标实现立体探测,并能提供大孔径和长测量基线,在通信、遥感、导航、电子侦察、立体成像、精确定位以及大气、天文和地球物理观测等领域都有着非常重要的意义。星间实时、高精度的距离自主测量是编队飞行卫星进行队形保持、协同控制的重要保障。利用激光相干性好和方向性强的特点,可以通过激光相位实现高精度的星间测量,并通过激光的干涉来实现距离相对固定的两星间距离变化测量。美国和日本都在这方面进行了很多研究和实验。

(1)“激光干涉仪空间天线”(LISA)计划

由欧空局和NASA共同实施、预计在201 1年左右发射的LISA计划用于探测空间由双星系统产生的重力波,对拥有强大能量的黑洞进行研究以验证爱因斯坦的广义相对论,以及对早期宇宙进行探测等。LISA任务由3个航天器组成。它们运行在以太阳为中心的轨道上,每个航天器之间的相对距离为500万公里。LISA相当于一个天基迈克尔逊干涉仪,通过激光干涉技术来测量相对距离的变化。

(2)“微扫描激光测距仪”(MS-LRF)

MS-LRF是日本宇宙科学研究本部(ISAS)计划用于微卫星编队中星间状态测量的激光测量系统。由于激光波束窄,采用传统的激光雷达无法同时观测多颗卫星,因此对于编队卫星而言。需要采用扫描型的激光探测设备,通过扫描装置的旋转实现多个目标的搜索与测量。

MS-LRF是基于微机械技术的双轴扫描测量系统(如图4所示)。该系统主要由光学扫描装置、微透镜、分光镜、激光二极管、雪崩式光电二极管、用于驱动扫描器的压电传动装置、驱动电路和信号处理环路组成。MS-LRF的测量原理为:激光二极管产生的激光分别经分光镜和微扫描平面镜的反射后射向目标。被目标接收到的激光一部分通过角反射器发射。沿原路径返回。并最终被敏感雪崩式光电二极管探测到。应用于编队卫星的MS—LRF要求有非常高的测量精度和帧频,所以采用的是连续波激光相位式测距。对于0.1>10km的星间距离,半导体激光器分别采用5kHz和1MHz两种频率进行调制。测量精度为1m。

三、结束语

综上所述,激光测距技术在空间的应用日益广泛。由于其全天候、高精度、抗干扰、小型化等得天独厚的优势,激光测距越来越受到关注,已成为空间探测领域—个重要技术手段,在军事和工业方面有着极高的应用价值。

由于工程应用特别是航天应用的需要,激光测距技术也在不断发展进步。激光测距装置目前正向着小(体积小、质量小、功耗低)、精(精度高)、远(测程远)、快(测量时间短、重复频率高)等方向发展。激光测距技术极易和其他探测技术相融合,从而得到功能更强大的复合式探测系统。

近年来,我国对激光测距技术的研究非常重视,国内许多大学和研究所都在进行这方面的研究及工程应用工作。但空间激光测距是一项很复杂的技术,仍有许多关键技术需要解决,因此针对空间探测领域的应用研究并不多,在航天领域的真正实际应用则更少。嫦娥一号探月卫星所使用的激光高度计是我国第一套也是目前唯一一套进入太空的激光测距设备。作为空间探测领域的一项重要技术,加快开展激光测距技术在空间领域的应用研究工作是

非常必要和急需的。

此外,由于雪崩式光电二极管、激光高频电流调制技术等激光测距关键器件和技术与国际先进水平还有差距,国产激光测距设备在测距精度、可靠性等方面与国际先进水平还存在一定的差距。因此。在对激光测距方法进行研究与应用的同时,还要在某些关键器件、关键技术方面开展重点攻关,这对于推动国内激光测距技术的进步及在空间领域的可靠应用是十分必要的。可以肯定地说。在不久的将来,激光测距技术会在军事和国民经济中发挥越来越重要的作用。

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