CN110286381B - 一种激光测距***的延时值实时标效***、方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距***的延时值实时标效***、方法及装置。所述***还包括：激光器、光脉冲扩束***、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟。提高了***延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于激光测距技术领域，具体涉及一种激光测距***的延时值实时标效***、方法及装置。
背景技术
利用激光测距***实现的空间探测技术是由激光、光电探测、自动控制、电子通信、天文测量、卫星轨道等技术结合而成的多学科综合技术。以脉冲飞行时间(TOF)测量原理为基础的激光测距***通过精确测定激光脉冲信号从地面测站到观测目标的往返飞行时间，间接算出飞行距离。与其他大地空间测量技术不同，激光测距***采用高重频、高峰值功率、窄脉冲激光器，解决了传统雷达***测距精度低、测程短、稳定性差、设备庞大等一系列难题，突破了超声波测距及其他光学测距技术的局限，提供了一种具有全天候、高精度、抗干扰、小型化等先进的空间探测手段。近年来，高性能激光测距***的研究逐渐从实验室走向现场试验，在空间探测和航天航空等工程领域中得到了广泛的应用，展现出诱人的实用化前景。
根据观测目标的不同，激光测距***分为卫星激光测距***(SLR)、空间碎片激光测距***(DLR)，月球激光测距***(LLR)等。鉴于上述***工作原理基本相同，下文我们将以激光测距***的经典应用实例SLR***进行举例说明。
卫星激光测距(SLR)***对监测大陆板块移动、地壳形变、地球自转和极移及地球和海洋潮汐变化等研究具有重要意义。随着光电器件的飞速发展及应用需求的不断增长，具有高精度、大范围、高重频、远距离测量及昼夜可观测特点的SLR技术现已成为天文地球动力学的研究热点之一。
在SLR过程中，地面观测站根据卫星预报引导望远镜跟踪目标卫星后，激光器发射激光脉冲至目标卫星，并由目标卫星表面的角反射器反射回地面观测站，同时利用接收望远镜将回波信号输送至时间测量分***，最后通过测出激光脉冲往返地星间的时间Δt，获得地星间的距离R。
SLR测量的是仪器参考点即望远镜水平轴与垂直轴的交点到卫星的距离,而实际测量值是激光脉冲发射时刻到***接收回波信号时刻间的时间间隔,其等效距离不同于卫星激光测距的期望距离。通过SLR***获得的原始观测数据中包含了电信号和光信号在***中的传输时间，即***延时值。对于SLR***，由发射光路、接收光路、电子电路产生的***延迟随着时间、环境、工作状态不断变化，特别对于毫米级精度的SLR技术，实时获得高精度***延时值十分重要。
在SLR观测资料处理中，***延迟值是影响数据质量的重要参数。对于常规的观测资料处理方法，一般分为观测值的修正、测距精度的计算和生成标准点几个步骤。具体的过程如下：
1.观测值的修正
卫星激光测距***的改正包括：Δtt：触发延迟改正Δtc:时钟改正Δta:光行差时间改正；
设观测时刻为tN。综合上述***改正，则激光击中卫星的真时刻为：t＝tN+Δtt+Δtc+Δta。
卫星距离值的校正，包括：
Δts:***延迟改正，此项可通过测地靶获得，其相应的距离值
ΔρRF:大气延迟校正，即ΔR。
ΔρMC:卫星质心补偿校正，激光实测得到的距离是测站到卫星表面上所安装的后向角反射器的距离，而在人卫运动理论中讨论的是卫星质心的运动。因此，在对观测数据进行处理时，必须把测站到卫星表面某点的距离归算到测站到质心的距离。对于正球形的激光卫星，此项校正是一个常数，对于不规则形状的卫星，一般利用一个复杂的公式进行换算。
ΔρTD：潮汐改正，固体潮和海洋负荷会引起测站位置的变化，从而间接影响了测站到卫星的距离。
ΔρREL：相对论改正，按广义相对论原理，光线在引力场中不仅被弯曲，而且其速度也要放慢，从而造成光线由卫星到达测站的传播时间比无引力场时要长。
设观测得到的斜距值ρ0，综合上述这些改正，则卫星到测站的真斜距值为：ρ＝ρ0+ΔρRF+ΔρMC+ΔρTD+ΔρREL+Δρs。
2.测距精度的计算
(1)计算距离残差Δρ1＝ρ0-ρc，ρ0为观测站到卫星的观测值，ρc为对应的理论计算值，并用判式：|ρ0-ρc|<ε来提出野值，ε为某一给定值，按观测智联个预报星历的精度来确定，对Lageos，ε＝0.12m；若大于该值，该圈数据无效。
(2)作在每一给定时段如1天或2天内卫星的轨道改进，由方程组：解出6个轨道要素σi(i＝1……6)的改正量Δσi；并用Vondark方法平滑所得轨道要素的改正量。
(3)得出卫星的轨道要素改正后的距离残差：
(4)计算卫星的视向速度
(5)再计算距离偏差b(Range bias,RB)和时间偏差(Time Bias,TB)τ的改正，由方程组
用最小二乘法解出b和τ的最或然值和/>
(6)计算距离-时间偏差改正后的距离残差对Lageos，如果或/>则该圈的观测数据无效。
(7)用以时间为自变量的多项式拟合Δρ3，由方程组Δρ3＝a1+a2t+a3t2+a4t3。其中a1，a2，a3和a4为待定系数，t是从历元时刻起算的时间间隔，用最小二乘法解出a1，a2，a3和a4的最或然值和/>
(8)得出多项式拟合后的距离残差：用小于3倍中误差法则，在度剔除野值。
(9)计算对应于Δρ4的均方差σ，它表征测站激光测距的内部符合精度，对LAGEOS卫星，如果σ＞0.08m，则该圈的观测数据无效。
3.生成标准点
标准点是卫星激光测距数据的一种表示方法，是为了减小对大数据集进行轨道分析所需的计算机时间，同时保留单个距离测量的信息内容而采取了数据压缩技术来生成数据点格式。通过标准点，激光测距数据用户可以快速并有效地应用激光测距数据进行其他科学应用研究。
实际上，标准点是在某一“窗口”内按一定算法将“窗口”内所有观测资料压缩成一个数据点，它能有效代表“窗口”数据的所有信息。
为提高数据的可靠性，ILRS在2002年通过了标准点的最低数据要求，即：
(1)白天观测的标准点个数——至少包含6个标准点。
(2)晚上观测的标准点个数——至少包含3个标准点。
(3)低重复频率SLR***观测的低轨卫星可以包含少的标准点。
不同轨道高度的卫星有不同的标准点长度，如图2所示。
标准点计算方法如下：
(1)从0h UTC开始将拟合残差FR细分为适当的“窗口”。
(2)计算每个“窗口”的拟合残差的均值以及平均时间。
(3)定位拟合残差均值处的特定观测值Oi，与平均时间最接近的即为观测时刻。
(4)标准点为
(5)计算内符精度、偏度和峰度：令xi为处理之后的拟合残差，均值为xm，则：/> 其中，μ2＝RMS。
从上述观测资料处理的过程中可以看出，每一圈的观测数据进行数据处理时首先将减去***延时值，再进行***精度计算及标准点生成。因此，***延迟值直接影响了SLR观测数据的质量。
为了提高SLR***测距精度，获得高质量的观测数据，现有技术通过对地面已知距离的地靶目标进行观测，即通过地靶测量间接获取激光测距***的延迟值。常规的地靶测距过程如下：首先控制***根据地靶已知的方位、高度及距离引导望远镜指向地靶目标，待望远镜指向稳定后发射激光脉冲，同时PIN将激光脉冲信号送入恒比鉴别器记录发射时刻；其次，由地靶目标返回的回波信号经接收***传输至光电探测器，转化为电信号后进入事件计时器记录回波时刻，两个时刻之差为地靶目标至测站的观测值；最后，将获得的观测值减去已知距离值(利用t＝1/2*s/c，换算成时间)，即可获得***延时值。图1为长春站的SLR***结构示意图。
如前所述，现有技术具有如下缺陷：
1.在现有地靶测量技术中，SLR***无法在单次测距过程中同时完成卫星目标的观测与***延时的测量。地靶测量只能在卫星观测过程的前后或间隔固定时间进行测量。但是由发射光路、接收光路、电子电路产生的***延时随着***工作的状态、环境等因素实时发生变化，现有地靶测量技术无法满足SLR***对延时值标效实时性的要求，不利于***性能的监控与测量。
2.***延时值高精度标效是提高卫星激光测距数据质量精度的重要途径。在现有的数据处理方法中，每一圈的观测数据进行数据处理时首先将减去***延时值，再进行***精度计算及标准点生成。然而，对于现有的地靶测量技术，我们无法标效每一圈的***延时值，只能在卫星观测前后或间隔固定时间进行测量，使得大量观测数据仅对应一个SLR***延时值，这严重影响了观测数据的质量及测距精度。
3.近地靶、远地靶都设置在距***一定距离的位置上，在安装调试、瞄准和维护存在诸多不确定因素。尤其对于远地靶，摆靶、瞄靶时间较长，增加了卫星地靶之间的切换时间，降低了***的工作效率，影响了***性能。
4.现有地靶测量技术受天气、白天、晚间等工作条件的限制，整个***仪器的实验、调整、维护工作的难度较大。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种激光测距***的延时值实时标效***、方法及装置，提高了***延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
一种激光测距***的延时值实时标效***，所述***还包括：激光器、光脉冲扩束***、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束***的扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；从透镜反射的剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经光路反射至接收望远镜的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
进一步的，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
进一步的，所述发射望远镜包括：光学逆向反射装置、高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组；所述发射望远镜通过光学逆向反射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述方位编码器和所述折轴光路组连接。
进一步的，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
一种激光测距***的延时值实时标效方法，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收***中的光电探测器，获取***延时值；
步骤S2：接收***中的光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程。
进一步的，所述步骤方法具体包括：获得观测目标的初轨数据，通过数学模型将初轨数据转换为测站坐标系下的的方位、高度和距离信息，控制***引导望远镜实时跟踪目标；跟踪稳定后，激光器产生的光脉冲经光脉冲扩束***进行扩束；从透射镜透射一小部分光，通过主波取样电路形成二路电脉冲，一路主波脉冲，用来启动时间间隔计数器；另一路用来从时钟中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；从透射镜反射的剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收望远镜的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
进一步的，所述激光测距***可以是卫星激光测距***、空间碎片激光测距***和月球激光测距***。
进一步的，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收***，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
进一步的，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器或任意其他波长激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT或超导纳米线。
一种激光测距***的延时值实时标效装置，所述装置包括：一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，通过激光衰减技术对截取的极少部分光进行衰减，并沿接收光路返回至接收***中的光电探测器，获取***延时值的代码段；接收***中的光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程的代码段。
采用上述技术方案，本发明具有如下有益效果：本发明通过光学、电子、机械的设计，结合激光衰减技术、距离门技术，提出了一种激光测距***的延时值实时标效***、方法及装置。利用光学逆向装置，在发射光中截取极少部分光返回至SLR接收***，结合激光衰减技术、距离门技术，对地靶信号进行探测，得到***延时Δt0，再利用光电探测器接收卫星回波信号，得到主波与回波时刻之差Δt，从而完成整个激光测距过程。该发明在单次SLR过程中兼顾测量了***的延时值，达到了激光测距***延时值高重频、高精度标效的目的。
附图说明
图1是现有技术中SLR***的***结构示意图；
图2是现有技术中卫星的标准点信息的数据表；
图3为本发明实施例提供的现有技术中近地靶标校原理示意图；
图4为本发明实施例提供的现有技术中激光测距光路图；
图5为本发明实施例提供的具有具有***延时实时标效的激光测距***的***结构示意图；
图6为本发明实施例提供的具有***延时实时标效的激光测距硬件结构示意图；
图7为本发明实施例提供的具有***延时实时标效的激光测距***光路图；
图8为本发明实施例提供的单次测距***时序示意图；
其中，1-光电探测器，2-副镜，3-弯月形分光镜，4-458反光镜，5-微光电视摄像机，6-高度编码器，7-可翻转反光镜，8-目镜，9-主镜，10，22-发射望远镜，11-高度力矩电机和测速机，12-458介质膜全反光镜，13-方位编码器，14-方位力矩电机和测速机，15-折轴光路组，16、25-光学逆向反射装置，17-激光器，18-光脉冲扩束***，19-主波取样电路，20-时间间隔计数器，21-接收望远镜，23-光电探测器，24-时钟，M1～M9-折轴光路组，M10、M11-光学逆向反射装置，2、3、4、9-导向光路组。
具体实施方式
下面结合附图及本发明的实施例对本发明的方法作进一步详细的说明。
实施例1
如图5、图6、图7和图8所示，一种激光测距***的延时值实时标效***，所述***还包括：激光器、光脉冲扩束***、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束***的扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；剩余的发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经光路反射至接收望远镜的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
具体的，在现有技术一中，为了精确标效***的延时值，地靶测量分为远地靶和近地靶。远地靶观测距离为10～10000m，要考虑大气误差的影响，需要对测距值进行大气延迟修正。对于远地靶标效，国内外激光测距领域常使用经验公式进行大气延迟修正，公式如下：
式中ΔR为距离修正值；R为地靶测距值；P为测站的大气压(毫巴)；T为测站的温度值(℃)。
远地靶的***延迟量计算公式为：
ΔD＝Rd-D-ΔR
其中，SLR测站参考点到地面靶标的距离为D，可通过毫米级或亚毫米级的高精度全站仪等设备精确测量，作为地靶标效值。在对地靶进SLR观测后，可获得地靶的平均测量值Rd。
但现有技术一有如下缺陷：在对远地靶目标进行观测时，需要考虑大气因素的影响。尽管采用大气延迟修正公式可对大气引起的距离误差进行估计，但SLR***的实际观测条件与理想设定条件相差较大，且环境因素具有一定的不确定性和实时性。另外，地靶距***距离较远，难于维护，测量时瞄准也较为困难。
具体的，如图3所示，在现有技术二中，对于大部分测站，常采用近地靶对***延迟进行标效。近地靶距离一般为1～3m，受气象参数小，可不做气象修正，消除了由于气象修正的不确定性所引起的误差，真值的易复测性，可用于普通钢尺手工量取近地靶的真实距离，精度可达3mm以内，且简单易行，避免由测距仪问题所产生的地靶真实距离的误差。由于近地靶在活动圆屋顶内，白天即可进行测试，可以节省***的调试时间，有利于***延时的标效。对于目前运行的SLR测站，通常选用近地靶对SLR***延迟进行标效。
以长春站为例，近地靶放置在圆顶内距望远镜3.69m处。角反射器(角锥)为一整直角棱镜，相当于正六面体的一角，其底面为入射面，另三面为反射面。这样的棱镜具有把入射光按原方向反射回去的性能。其SLR***延迟公式为：
式中，tcal为地靶测量值(单位：10ns)；R为单程近地靶测距值(单位：m)；c为光速；P为测站的压强(单位：mbar)；T为测站的温度(单位：K)。
但现有技术二具有如下缺陷：近地靶测量技术克服了远地靶测量时大气对***延迟的影响，但对近地靶目标进行测量时，SLR***将无法对观测目标进行观测。对于近地靶目标，一般在卫星观测卫星前后进行单独观测或间隔一段固定时间(15min)进行测量，导致大量观测数据仅对应一个地靶值，不利于观测数据质量的提高。同时，由发射光路、接收光路、电子电路产生的***延时将随着时间、环境、工作状态不断变化，现有的近地靶测量技术无法满足SLR***延时标效实时性及有效性的要求。
具体的，如图4所示，现有技术三中，可以看出，该测距***采用收发共光路，激光发射和接收都经过同一望远镜，在激光器和匹配光路之间用收/发旋转镜进行发射和接收之间的切换。转镜由直流电机驱动旋转，转镜上有两个对称的中开孔和位置标记，经光电位置识别和同步装置控制，在激光发射时刻，转镜的开孔对准发射光路，激光无衰减地进入望远镜光路发射。当回波到达时，转镜已转过一个角度，此时其作用为反射镜，回波经反射后进入接收光路。作地面靶标校时，回波直接穿过转镜的开孔后经地面靶回波光路到达接收器件。
现有技术三具有如下缺陷：在收发共光路的激光测距***中，地靶目标设置在***结构内部。同近地靶测距一样，该技术克服了远地靶测量时大气对***延迟的影响。但是地靶测量时需要通过转镜进行光路转换，在卫星测距过程中无法兼顾测量***延时，同时增加了***的控制难度。
实施例2
在上一实施例的基础上，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
实施例3
在上一实施例的基础上，所述发射望远镜包括：光学逆向发射装置、高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组；所述发射望远镜通过光学逆向发射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述防伪编码器和所述折轴光路组连接。
实施例4
在上一实施例的基础上，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
实施例5
一种激光测距***的延时值实时标效方法，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收***中的光电探测器，获取***延时值；
步骤S2：接收***中的光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程。
具体的，上述过程不仅完成了对观测目标的测量，同时也完成了对激光测距***延时值的标效。如图8所示，为单次激光测距过程内激光发射、地靶接收、回波接收和距离门控制时序示意图。其中为激光点火与主波探测的时间延迟，与激光器、主波探测器信号长度有关，在固定的激光测距***中通常为定值。
实施例6
在上一实施例的基础上，所述步骤方法具体包括：获得观测目标的初轨数据，通过数学模型将初轨数据转换为测站坐标系下的的方位、高度和距离信息，控制***引导望远镜实时跟踪目标；跟踪稳定后，激光器产生的光脉冲经光脉冲扩束***进行扩束；从透射镜透射一小部分光，通过主波取样电路形成二路电脉冲，一路主波脉冲，用来启动时间间隔计数器；另一路用来从时钟中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；从透射镜反射的剩余发射光进入导向光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至第二反射镜，即从发射望远镜截取极少光进入接收望远镜，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收***中的的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Ttarget；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
具体的，以长春站SLR***为例，发射望远镜为口径21cm的望远镜，接收望远镜为60cm望远镜；激光单脉冲能量约为1mJ；发射频率为1KHz；激光波长为532nm；激光发射***的效率0.6；激光能量脉宽为50ps；发射光束指向偏差，值为5″。
根据本发明内容，我们将在该***中加入光学逆向反射装置(超近地靶)。将发射望远镜与接收望远镜打通，并加入横梁，在其两端(发射望远镜镜筒、接收望远镜镜筒内)各放置一角锥，在发射光中截取极少光进入接收***，采用激光衰减技术对其进行衰减，利用接收***SPAD对地靶回波进行探测，完成***延时的高重频标效后，再利用SPAD对卫星回波进行探测。在单次卫星激光测距过程中兼顾***延迟的测量，实现SLR***实时、自动、准确、有效的延时定标。
如图5所示，长春站采用的是KHz SLR***，一秒钟将发射1000次激光。理论上，每发射一次激光，***将收到超近地靶回波信号与观测目标回波信号。这意味着SLR***接收到的每一个回波信号都有对应的SLR***延时值相匹配，解决了现有数据处理技术中大量观测数据仅对应一个SLR***延时值的问题，提高了***延时值标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量、提高观测数据精度具有十分重要的意义。
在完成本实施例时，下载当日观测目标预报星历，选定观测目标，获得目标卫星的方位、高度及距离等信息。
由伺服控制***引导望远镜跟踪目标卫星，待稳定跟踪后发射激光脉冲由PIN(Positive-Intrinsic-Negative)光电二极管产生激光脉冲的同步信号输送到恒比鉴别器(Constant-FractionDiscriminator,CFD)，并输出主波信号进入时间计时器A同道，控制***记录主波时刻Tmain-pulse。
光学逆向装置从发射***截取极少部分发射光传反射至接收光学***，通过激光衰减技术将其衰减至单光子量级，传输至光电探测器SPAD，结合距离门技术，将光信号转变为电信号，并将该回波信号(超近地靶目标信号)传送到时间计时器B，并记录超近地靶回波时刻Ttarget，则主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Ttarget，即SLR***的延时误差值。
从目标卫星反射回的光子经接收望远镜汇聚到SPAD的阴极面并产生回波信号，将光信号转变为电信号，并将回波信号输送到时间计时器B通道并记录回波时刻Treturn，则主波时刻与回波时刻之差Δt＝Tmian-pulse-Treturn。根据S＝1/2*c*Δt，得到星-地之间距离S。
由此可以看出，在现有地靶测量技术中，SLR***无法在单次测距过程中完成卫星目标的观测与***延时的测量。地靶测量只能在卫星观测过程的前后或间隔固定时间进行测量。但是由发射光路、接收光路、电子电路产生的***延时随着***工作的状态、环境等因素实时发生变化，现有地靶测量技术无法满足SLR***对延时值标效实时性的要求，不利于***性能的监控与测量。
***延时值高精度标效是提高卫星激光测距数据质量精度的重要途径。在现有的数据处理方法中，每一圈的观测数据进行数据处理时首先将减去***延时值，再进行***精度计算及标准点生成。然而，对于现有的地靶测量技术，我们无法标效每一圈的***延时值，只能在卫星观测前后或间隔固定时间进行测量，使得大量观测数据仅对应一个SLR***延时值，这严重影响了观测数据的质量及测距精度。
近地靶、远地靶都设置在距***一定距离的位置上，在安装调试、瞄准和维护存在诸多不确定因素。尤其对于远地靶，摆靶、瞄靶时间较长，增加了卫星地靶之间的切换时间，降低了***的工作效率，影响了***性能。
现有地靶测量技术受天气、白天、晚间等工作条件的限制，整个***仪器的实验、调整、维护工作的难度较大。
***延时值Δt0是评价SLR***优劣的主要性能参数之一，对提高SLR测距精度具有重要的影响。***延时值是由***内部各种光路、电路引起的，具有一定的实时性。作为获取***延时值的主要方法，现有的地靶测量技术仅在卫星观测过程的前后或间隔固定时间进行测量，无法实时、自动、有效、准确地对***延时值进行标效。在数据处理过程中，大量的观测数据(以间隔固定时间15min为例，设回波率为20％，理论上，***将获得1.08*107个回波数据。而上述大量的回波数据仅对应1个地靶数据，不利于观测数据质量进一步地提高。
产生上述结果的原因是在现有地靶测量技术中，伺服***只能引导望远镜指向卫星目标或地靶目标，或利用转镜进行观测目标转换，在单次卫星激光测距过程中无法同时完成***延时值的标效。为了解决上述问题，本发明通过光学、电子、机械的设计，结合激光衰减技术、距离门技术，提出了一种对激光测距***延时值实时标效的新方法。利用光学逆向装置，在发射光中截取极少部分光返回至SLR接收***，结合激光衰减技术、距离门技术，对地靶信号进行探测，得到***延时Δt0，再利用光电探测器接收卫星回波信号，得到主波与回波时刻之差Δt，从而完成整个激光测距过程。该发明在单次SLR过程中兼顾测量了***的延时误差，达到了激光测距***延时误差高重频、高精度标效的目的。
实施例7
在上一实施例的基础上，所述激光测距***可以是卫星激光测距***、空间碎片激光测距***和月球激光测距***。
实施例8
在上一实施例的基础上，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收***，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
实施例9
在上一实施例的基础上，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器或任意其他波长激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT或超导纳米线。
实施例10
一种激光测距***的延时值实时标效装置，所述装置包括：一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，通过激光衰减技术对截取的极少部分光进行衰减，并沿接收光路返回至接收***中的光电探测器，获取***延时值的代码段；接收***中的光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程的代码段。
具体的，以长春站空间碎片激光测距(DLR)***为例，发射望远镜为口径21cm的望远镜，接收望远镜为60cm望远镜；激光单脉冲能量约为60mJ；发射频率为500Hz；激光波长为532nm；发散角为04mrad；激光能量脉宽为10ns。
根据本发明内容，我们将在该***中加入光学逆向反射装置(超近地靶)。将发射望远镜与接收望远镜打通，并加入横梁，在其两端(发射望远镜镜筒、接收望远镜镜筒内)各放置一角锥，在发射光中截取极少光进入接收***，采用激光衰减技术对其进行衰减，利用接收***G-SPAD对地靶回波进行探测，完成***延时的高重频标效后，再利用G-SPAD对卫星回波进行探测。在单次DLR过程中兼顾***延迟的测量，实现DLR***延时值实时、自动、准确、有效地定标。
长春站采用的是500Hz DLR***，一秒钟将发射500次激光。理论上，每发射一次激光，***将收到超近地靶回波信号与观测目标回波信号。这意味着DLR***接收到的每一个回波信号都有对应的DLR***延时值相匹配，解决了现有数据处理技术中大量观测数据仅对应一个DLR***延时值的问题，提高了***延时标效的实时性及准确性，对改善观测数据质量，提高观测数据精度具有十分重要的意义。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的***的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
需要说明的是，上述实施例提供的***，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块来完成，即将本发明实施例中的模块或者步骤再分解或者组合，例如，上述实施例的模块可以合并为一个模块，也可以进一步拆分成多个子模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。对于本发明实施例中涉及的模块、步骤的名称，仅仅是为了区分各个模块或者步骤，不视为对本发明的不当限定。
所属技术领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的存储装置、处理装置的具体工作过程及有关说明，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
本领域技术人员应该能够意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的模块、方法步骤，能够以电子硬件、上位机7软件或者二者的结合来实现，软件模块、方法步骤对应的程序可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。为了清楚地说明电子硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以电子硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不是用于描述或表示特定的顺序或先后次序。
术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、方法、物品或者设备/装置所固有的要素。
至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征作出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种激光测距***的延时值实时标效***，其特征在于，所述***还包括：激光器、光脉冲扩束***、主波取样电路、折轴光路组、导向光路组、光学逆向反射装置、光电探测器、时间间隔计数器，发射望远镜、接收望远镜和时钟；所述激光器，用于发射光脉冲；所述光脉冲经过所述光脉冲扩束***扩束后，通过所述主波取样电路形成二路电脉冲，一路为主波脉冲，用来启动所述时间间隔计数器；另一路用来从所述时钟中取样，记录激光发射时刻Tmian-pulse；剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收望远镜的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Tt arg et；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Tt arg et，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，Δt是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
2.如权利要求1所述的激光测距***的延时值实时标效***，其特征在于，所述接收望远镜包括：光电探测器、副镜、弯月形分光镜、458反射镜、微光电视摄像机、高度编码器、可翻转反光镜、目镜和主镜；所述光电探测器设置于所述副镜外侧；所述弯月形分光镜设置于副镜内侧；所述高度编码器和所述微光电视摄像机信号连接；所述微光电视摄像机上设置有可翻转反光镜和目镜；所述主镜设置于458反光镜后方。
3.如权利要求1所述的激光测距***的延时值实时标效***，其特征在于，所述发射望远镜包括：光学逆向反射装置、高度力矩电机和测速机、458介质膜全反光镜、方位编码器、折轴光路组；所述发射望远镜通过光学逆向反射装置和接收望远镜连接；所述458介质膜全反光镜分别与所述高度力矩电机和测速机以及方位编码器连接；所述方位编码器和所述折轴光路组连接。
4.如权利要求1所述的激光测距***的延时值实时标效***，其特征在于，所述发射望远镜和接收望远镜受一个方位力矩电机测速机的控制。
5.一种基于权利要求1至4之一所述的***的激光测距***的延时值实时标效方法，其特征在于，所述方法执行以下步骤：
步骤S1：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，利用激光衰减技术进行衰减，经导向光路组反射至接收望远镜的光电探测器，获取***延时值；
步骤S2：接收望远镜的光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程。
6.如权利要求5所述的激光测距***的延时值实时标效方法，其特征在于，所述步骤方法具体包括：获得观测目标的初轨数据，通过数学模型将初轨数据转换为测站坐标系下的的方位、高度和距离信息，控制***引导望远镜实时跟踪目标；跟踪稳定后，激光器产生的光脉冲经光脉冲扩束***进行扩束；从透射镜透射一小部分光，通过主波取样电路形成二路电脉冲，一路主波脉冲，用来启动时间间隔计数器；另一路用来从时钟中取样，记录激光发射时刻Tmain-pulse；从透射镜反射的剩余发射光进入折轴光路组后，从发射望远镜发射至观测目标；光学逆向反射装置从该发射光中截取极少部分光传输至接收望远镜镜筒内，利用激光衰减技术进行衰减，经光路反射至接收望远镜的光电探测器，结合距离门技术，记录地靶接收信号Tt arg et；计数器记录主波和地靶目标回波的时间间隔Δt0＝Tmian-pulse-Tt arg et，即激光测距***的延时值；之后，接收望远镜将接收观测目标反射的回波光子信号并传送至计数器，记录回波时刻Treturn，得到主波和回波脉冲的时间间隔Δt＝Tmian-pulse-Treturn，△t是激光在测站和观测目标间往返的飞行时间；根据s＝1/2ct，换算成观测距离，完成整个测距过程。
7.如权利要求6所述的激光测距***的延时值实时标效方法，其特征在于，所述激光测距***可以是卫星激光测距***、空间碎片激光测距***和月球激光测距***。
8.如权利要求7所述的激光测距***的延时值实时标效方法，其特征在于，所述光学逆向反射装置，用于从发射光中截取极少部分光进入接收***，所述光学逆向反射装置可采用角锥、光纤或转镜实现。
9.如权利要求8所述的激光测距***的延时值实时标效方法，其特征在于，所述激光衰减技术，可以通过滤波技术、中性密度滤波片或偏振片实现激光衰减；所述激光器，可采用1064nm固体或半导体激光器、1550nm固体或半导体激光器、532nm固体或半导体激光器或任意其他波长激光器；所述光电探测器，可以是APD、SPAD、PMT或超导纳米线。
10.一种基于权利要求5至9之一所述的方法激光测距***的延时值实时标效装置，其特征在于，所述装置包括：一种非暂时性的计算机可读存储介质，该存储介质存储了计算指令，其包括：使用光学逆向反射装置从发射激光截取极少部分光后，通过激光衰减技术对截取的极少部分光进行衰减，并沿导向光路组返回至接收***中的光电探测器，获取***延时值的代码段；光电探测器对观测目标回波信号进行常规探测，获取主波回波时间间隔，完成整个激光测距过程的代码段。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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