李祝蓮，李語強(qiáng)，伏紅林，鄭向明，何少輝

(中國科學(xué)院國家天文臺/云南天文臺，云南 昆明 650011)

云南天文臺激光測距組于1998年在1.2 m地平式望遠(yuǎn)鏡上建立了高指向精度、收/發(fā)共光路的衛(wèi)星精密激光測距系統(tǒng)，并于同年正式參加國內(nèi)和國際激光測距聯(lián)測，測距頻率為1～10 Hz，單次測距精度優(yōu)于3 cm，測時設(shè)備為SR620時間間隔計(jì)數(shù)器［1－2］。傳統(tǒng)的低頻激光測距方式受到了千赫茲激光測距技術(shù)的挑戰(zhàn)，千赫茲激光測距技術(shù)是近幾年發(fā)展起來的新技術(shù)，它通過增加測距頻率來增加觀測數(shù)據(jù)和提高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)精度，觀測數(shù)據(jù)量的增加，可以有效地提高標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)的精度，利于衛(wèi)星的精密定軌，是激光測距的發(fā)展方向之一［3］。在國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目中國大陸構(gòu)造環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的支持下，2010年研究組在1.2 m望遠(yuǎn)鏡上成功建立了千赫茲激光測距系統(tǒng)，并進(jìn)入常規(guī)觀測。

通過成功建立上述兩套激光測距系統(tǒng)，研究組積累了大量的激光測距相關(guān)技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，包括激光衛(wèi)星軌道預(yù)報、激光測距主波與回波信號探測技術(shù)、數(shù)據(jù)采集技術(shù)和測量數(shù)據(jù)處理技術(shù)等。基于已有的技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，研究組新建了10 Hz激光測距系統(tǒng)，對激光衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了成功測距試驗(yàn)后將測距目標(biāo)定位為空間碎片，并于2010年6月7日對幾個火箭殘骸進(jìn)行了漫反射激光測距試驗(yàn)，首次收到空間碎片測距回波，表明10 Hz漫反射激光測距控制系統(tǒng)是行之有效的。本文根據(jù)共光路激光測距的實(shí)現(xiàn)方式，在1.2 m望遠(yuǎn)鏡上成功建立10 Hz共光路激光測距系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)對激光衛(wèi)星測距和漫反射目標(biāo)測距，測距精度約為50 cm，文中對該系統(tǒng)的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)原理和方法進(jìn)行了詳細(xì)的闡述。

1 測距控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

漫反射激光測距與傳統(tǒng)衛(wèi)星激光測距的原理基本相同，都是通過測量激光脈沖從地面觀測站到空間目標(biāo)的往返時間，從而獲得空間目標(biāo)的距離。主要不同點(diǎn)是傳統(tǒng)衛(wèi)星激光測距中目標(biāo)預(yù)報距離相對精確，而對于漫反射激光測距目標(biāo)——空間碎片距離預(yù)報誤差較大。據(jù)此對10 Hz激光測距系統(tǒng)作出如下設(shè)計(jì)。

1.1 硬件構(gòu)建

測距控制系統(tǒng)如圖1，包括收/發(fā)轉(zhuǎn)鏡、C-SPAD探測器、SR620時間間隔計(jì)數(shù)器、PIN主波探測器、激光器和控制計(jì)算機(jī)等。收/發(fā)轉(zhuǎn)鏡產(chǎn)生同步信號，控制計(jì)算機(jī)在收到該信號時刻根據(jù)用戶指令選擇激光發(fā)射頻率和是否發(fā)送激光點(diǎn)火指令給激光器;激光經(jīng)PIN主波探測器產(chǎn)生主波信號送SR620時間間隔計(jì)數(shù)器，同時送回控制計(jì)算機(jī)計(jì)算C-SPAD門控時刻，結(jié)果送距離門發(fā)生器;在回波快到達(dá)時刻由它產(chǎn)生門控信號給C-SPAD單光子探測器探測回波信號，并由SR620測量它與主波間的時間間隔，送控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)初步處理及顯示，用于實(shí)時測距監(jiān)測。

圖1 1.2 m望遠(yuǎn)鏡10 Hz激光測距控制框圖Fig.1 Block diagram of the control system of the 10Hz Satellite Laser Ranging(SLR)on the 1.2 Telescope

1.2 電路時序圖

圖2為10 Hz測距控制系統(tǒng)電路時序圖。旋轉(zhuǎn)快門產(chǎn)生10 Hz同步信號，在每個同步信號上升沿，控制計(jì)算機(jī)產(chǎn)生一個激光發(fā)射指令信號給激光器發(fā)射激光;PIN主波探測器將探測到每次發(fā)射的激光信號并輸出主波脈沖;一旦接收到主波信號，控制計(jì)算機(jī)就根據(jù)觀測目標(biāo)規(guī)定的距離信息計(jì)算回波到達(dá)時刻送距離門發(fā)生器，由它在回波快到達(dá)時刻送門控信號給C-SPAD單光子探測器。

圖2 1.2 m望遠(yuǎn)鏡10 Hz激光測距系統(tǒng)工作時序圖Fig.2 Timing signals of the 10Hz SLR

2 系統(tǒng)主要設(shè)備控制

激光測距過程中，主要是實(shí)現(xiàn)激光器發(fā)射激光，主、回波探測以及時間或時刻測量，對系統(tǒng)這幾部分的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行詳細(xì)的闡述和分析。

2.1 激光器控制

2.1.1 激光器工作方式

系統(tǒng)選用SGR系列脈沖固體激光器，它具有內(nèi)觸發(fā)和外觸發(fā)兩種工作方式。在內(nèi)觸發(fā)方式下，將控制界面的信號切換鍵按到內(nèi)時統(tǒng)狀態(tài)并按照正常的激光器操作順序進(jìn)行。在外觸發(fā)方式下，除了將控制界面的信號切換鍵按到外時統(tǒng)狀態(tài)外，還需要向激光器提供A和B兩路控制信號，A路上升沿觸發(fā)閃光燈放電，B路上升沿觸發(fā)Q開關(guān)，兩路信號之間的延時至少設(shè)為592 μs。激光器在外觸發(fā)方式下的工作時序圖如圖3。

圖3 激光器外觸發(fā)工作時序圖Fig.3 Timing signals of the external triggering of the laser

2.1.2 激光器遠(yuǎn)程控制實(shí)現(xiàn)

測距時，激光器工作在外觸發(fā)方式下，即由計(jì)算機(jī)對激光器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。根據(jù)激光器在外觸發(fā)方式下的特點(diǎn)，系統(tǒng)采用了Altera公司的現(xiàn)場可編程門陣列(Field-Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA)芯片［4］實(shí)現(xiàn)激光器的計(jì)算機(jī)遠(yuǎn)程控制，電路框圖如圖4。圖中虛線框內(nèi)的部分是在FPGA芯片上實(shí)現(xiàn)的，包括Nios片上系統(tǒng)和計(jì)數(shù)器等數(shù)字電路。計(jì)算機(jī)與FPGA之間使用RS-232串口進(jìn)行通信，傳達(dá)開始發(fā)射激光(start)、暫停發(fā)射激光(pause)、暫停后重新開始發(fā)射激光(re-start)和停止發(fā)射激光(stop)等指令。Nios系統(tǒng)采用串口中斷方式響應(yīng)計(jì)算機(jī)指令，中斷程序如下:

圖4 激光器計(jì)算機(jī)控制框圖Fig.4 Block diagram of the computer control system of the laser

再配合其它的電路可以實(shí)現(xiàn)激光器在測距過程中有效工作，即計(jì)算機(jī)發(fā)送start信號后，PIO_0和PIO_1信號為高電平，同時產(chǎn)生10 Hz點(diǎn)燈信號作為A路控制信號送至激光器閃燈，并將該信號送延遲計(jì)數(shù)器延遲約592 μs后產(chǎn)生10 Hz外觸發(fā)信號作為B路控制信號送激光器發(fā)射激光;發(fā)送pause信號后，PIO_1為低電平而PIO_0依然為高電平，使B路控制信號為低電平實(shí)現(xiàn)暫停發(fā)射激光而繼續(xù)閃燈;發(fā)送re-start信號后，PIO_0被重新設(shè)置為高電平，激光器繼續(xù)發(fā)射激光;發(fā)送stop信號后，PIO_0和PIO_1均被設(shè)置為低電平，完成或結(jié)束一圈目標(biāo)測距。

2.2 單光子探測器控制

由于激光衛(wèi)星的軌道一般比較穩(wěn)定，徑向距離可以預(yù)報得較準(zhǔn)，激光回波到達(dá)時刻可以比較準(zhǔn)確地預(yù)報，所以衛(wèi)星激光測距廣泛采用距離門控制技術(shù)，即時間濾波技術(shù)，非常有效地抑制噪聲的干擾。直到回波到來之前瞬間才給C-SPAD單光子探測器送開門控制信號。這樣使得噪聲干擾的概率減到最小，100 ns的門控精度，噪聲減小為原來的10－6，使得淹沒在眾多噪聲中的單光子回波探測成為可能［5］。

距離門控的產(chǎn)生原理和方式跟帶激光后向反射器的測距系統(tǒng)［6］一致，但由于非合作目標(biāo)距離預(yù)報存在較大誤差，所以設(shè)計(jì)中設(shè)置了距離門控信號具有更大的變化范圍，觀測時，需通過大幅改變距離門控的輸出時間范圍有效地探測目標(biāo)的回波信號。

2.3 測時設(shè)備控制

云南天文臺衛(wèi)星激光測距系統(tǒng)目前正使用的測時儀器是時間間隔計(jì)數(shù)器SR620、OTL110P事件計(jì)時器和A033-ET事件計(jì)時器。三者的性能見表1［7－9］。

表1 時間間隔計(jì)數(shù)器SR620、事件計(jì)時器OTL110P和A033-ET的性能Table 1 Performance paraneters of the SR620 time-interval counter，OTL110P event timer，and the A033-ET

A033-ET性能最好，而事件計(jì)時器OTL100P的標(biāo)準(zhǔn)偏差優(yōu)于時間間隔計(jì)數(shù)器SR620。A033-ET和OTL100P具有直接測量事件發(fā)生時刻的特點(diǎn)和高測量精度的優(yōu)勢，能滿足云南天文臺現(xiàn)有多脈沖激光測距和將來激光測月對測時系統(tǒng)的要求。在10 Hz漫反射激光測距系統(tǒng)中，采用SR620即可滿足測距需求，但如果使用該系統(tǒng)進(jìn)行月球激光測距，那么需要選擇OTL110P，它可以方便地在時間間隔測量和時刻測量兩種工作模式之間切換。

SR620通過RS-232串口數(shù)據(jù)線與計(jì)算機(jī)連接，觀測時，控制計(jì)算機(jī)發(fā)送采集數(shù)據(jù)控制命令至SR620時間間隔計(jì)數(shù)器，取回測量數(shù)據(jù)并在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示測量結(jié)果用于指示是否測到回波信息。

3 觀測試驗(yàn)

測距系統(tǒng)已經(jīng)用于觀測，并獲得一些空間目標(biāo)漫反射測量數(shù)據(jù)，圖5為2011年1月26日對空間碎片(目標(biāo)代號:25400)的觀測結(jié)果，表2給出了對觀測數(shù)據(jù)的處理結(jié)果。

圖5 空間碎片觀測數(shù)據(jù)Fig.5 Observed data of space debris

表2 對空間碎片25400的觀測數(shù)據(jù)(精度約200 cm)Table 2 Observation data of the space debris 25400(about 200 cm accuracy)

4 結(jié)論

實(shí)際觀測結(jié)果表明，10 Hz漫反射激光測距控制系統(tǒng)能有效地對空間目標(biāo)進(jìn)行測距工作，包括激光測距衛(wèi)星和空間碎片。但因激光器脈寬較大，約為10 ns，不能達(dá)到很高的測距精度，故對激光測距衛(wèi)星的觀測僅僅為了檢驗(yàn)該測距系統(tǒng)是否正常。由于10 Hz漫反射激光測距系統(tǒng)采用了高功率大能量激光器，所以可以嘗試用它進(jìn)行月球激光測距，只需將測時設(shè)備SR620換為OTL100P事件計(jì)時器或A033-ET事件計(jì)時器以及對測時設(shè)備控制電路和數(shù)據(jù)采集程序進(jìn)行相應(yīng)的變換設(shè)計(jì)即可。存在的不足之處仍然是測距精度不高，結(jié)果證明該系統(tǒng)具有月球激光測距能力，月球激光測距是研究組的另一重要研究課題，目標(biāo)是研制出至少能達(dá)到厘米級測距精度的激光測月系統(tǒng)。

［1］何妙嬋，鄭向明，姜崇國.云南天文臺激光測距中使用的光電探測器 ［J］.云南天文臺臺刊，2003(3):62－67.He Miaochan，Zheng Xiangming，Jiang Chongguo.The detectors of satellite laser ranging in Yunnan observatory ［J］.Publications of the Yunnan Observatory，2003(3):62－67.

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［5］葉叔華，黃珹.天文地球動力學(xué) ［M］.山東:山東科學(xué)技術(shù)出版社，2000:91－118.

［6］李祝蓮，熊耀恒.云南天文臺衛(wèi)星激光測距中的測時儀器 ［J］.天文研究與技術(shù)——國家天文臺臺刊，2008，5(2):161－166.Li Zhulian，Xiong Yaoheng.Timing device used in Kunming satellite laser ranging station ［J］.Astronomical Research ＆ Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China，2008，5(2):161－166.

［7］Measurements with the SR620 ［EB/OL］.［2011-10-10］.http://www.thinksrs.com.

［8］OTL110P用戶手冊 ［M］.Observation Technology Lab.2006.

［9］Event timer A033-ET manual［M］.Institute of Electronics and Computer Science.2009.