门涛，谌钊，徐蓉，杨永安
宇航动力学国家重点实验室，中国西安卫星测控中心
摘要：激光测距技术是空间目标轨道测定精度最高的手段，有利于实现空间目标高精度测量和监测，提高目标轨道预报精度和航天器机动规避能力。本文介绍了国内外漫反射激光测距技术、空间碎片激光烧融项目及一发两收测距技术的研究进展，提出了提高激光器功率、高重频测距、白天测距技术、发展阵列探测器等关键技术的发展趋势以及在碎片清除领域的应用前景。
关键词：激光测距；空间目标；双接收望远镜；阵列探测器
1 引言
卫星激光测距技术（ Laser ，SLR）是20世纪60年代初由美国宇航局（NASA）发起的一项旨在利用空间技术研究地球动力学、大地测量学、地球物理学和天文学等的技术手段。它是利用测量激光脉冲在观测站和卫星之间的往返飞行时间，从而计算出卫星到测站的距离，是目前空间目标距离测量中精度最高的一种技术手段。由于激光是单色的，并且具有很好的方向性，所以激光测距能够同时提供目标的方位、高度和距离信息。常规激光测距是指对合作目标（装有角反射器的空间目标，如，-1卫星等）进行卫星激光测距，目前对卫星的测距精度可以达到毫米级。高精度特性是激光测距的最大技术优势，可实现空间目标轨道精确测定，有助于空间目标精密定位和轨道复核，将成为今后航天器机动规避及预警最有力手段之一。
本文对卫星激光测距技术原理和发展现状进行分析总结，提出了提高激光器功率、一发两收接收系统、发展阵列探测器等技术的研究方向及在碎片清除等领域的应用前景，为今后更大规模的多望远镜接收激光测距系统研究提供了技术基础，以促进空间目标激光测距技术的发展。
2 激光测距技术原理
SLR的原理是测量激光脉冲根据地面参考点到卫星之间的往返时间间隔（用t表示），从而计算出卫星到地面参考点的距离（用R表示），则R和t关系如公式（1）所示，其中c为光速。具体讲，首先地面跟踪站的计算机系统根据预报准确计算出卫星的位置，通过伺服控制系统驱动望远镜跟踪卫星，激光器通过望远镜上的激光发射光路发射脉冲激光，卫星上的后向反射器将激光反射，并由望远镜接收光路接收脉冲激光。与此同时，时间间隔计数器测出激光脉冲往返时间间隔，以此时间乘以光速，即可精确地计算出卫星到地面跟踪站的距离。
空间碎片属于非合作目标（没有安装角反射器），只能利用漫反射激光测距技术对空间碎片进行探测。
对非合作空间目标和空间碎片测距时，可探测碎片最小直径d由公式（2）给出：
式中，λ为激光雷达发射波长；n0代表平均回波光子数；ηq为探测器量子效率；h为普朗克常数（6.63×10－34J·s）；Et为激光脉冲能量；Ar为接收望远镜有效面积；ρ为目标反射率；θ代表激光反射方向与碎片法线夹角，一般情况下取cosθ=1。θt为激光束通过望远镜发射后的发散角；R为目标距离；T为大气传输因子；Kt为激光发射光学系统效率；Kr为接收光学系统效率；а为大气湍流引起的衰减因子。由上式可知，在环境和气象条件一定的情况下，系统的探测能力与激光波长、激光能量、接收望远镜有效接收面积、发射接收系统的光学效率成正比，与激光发散角的平方成反比，与探测距离的4次方成反比。
漫反射激光测距与常规卫星激光测距的原理基本相同，均是通过测量激光脉冲在地面站与空间目标间的飞行时间，从而获得空间目标的距离。漫反射测距的难点在于：
1）回波信号极其微弱。合作目标的反射器将绝大部分入射激光按原路反射回去，而空间碎片对入射的激光束仅靠其表面漫反射，能够返回到地面观测站的激光光子比例远比常规测距的少。所以对于空间目标漫反射激光测距系统来说，除了大口径望远镜、高功率激光器和高灵敏度光子探测器等重要条件外，研制稳定性好、高效率的接收和控制系统是能够成功进行漫反射测距的必要条件。
2）轨道预报精度低。合作目标的轨道是经全球观测站每日提供的高精度观测数据而确定的，轨道精度较高，达到米级，而非合作目标的定轨精度在公里级。预报精度低需要加宽探测器距离门，会导致背景噪声增强，降低探测成功概率。
3 空间目标激光测距技术研究现状
3.1 国外研究现状
1994年，R.在堪培拉第9届国际激光测距会议上报告可对的非合作目标进行激光测距。2002年，澳大利亚EOS公司的Ben 在华盛顿的第13届国际激光测距会议上首次发表了题为“Laser of Space ”的报告，简单介绍了研究进展。他们利用激光测距站口径76cm的望远镜和高能量激光器，实现了对远的，大小为15cm的空间碎片激光测距。该站于2003年1月由于森林火灾而烧毁。2004年重建后的空间碎片测距望远镜口径为1.8m。激光器从氙灯泵浦改进为半导体激光泵浦的Nd∶YAG器件。目前已可以对以内的几厘米的空间碎片进行测距。同时，该公司已经开始研究更高功率的激光系统进行改变碎片轨道的可行性，即把一些空间碎片推离对飞行器有威胁的轨道，以减小碰撞的概率；该项目已进行了地面真空实验及空间碎片清除的模拟仿真，结果显示该项目设计的高能激光对低轨空间碎片变轨的成功率达55%，未来五年将实现对20cm空间碎片变轨的能力。
1.8m望远镜激光跟踪空间碎片系统主要包含目标捕获系统、激光锁定系统、高功率激光器系统、激光传输系统和激光回波接收系统。目标捕获系统主要用来发现目标，并将目标引导到激光束中心，因此捕获系统视场较大，能够在很强的天空背景噪声中将空间碎片识别出来。激光光束锁定系统是在1.8m望远镜库德光路末端增加了高灵敏度的CCD，这套系统可以使得激光瞄准精度达到亚角秒量级。系统布局如图1所示。
图1 EOS 1.8m望远镜激光跟踪空间碎片系统
奥地利的GRAZ测站从德国斯图加特航天中心借用了一台Nd∶YAG激光器，开展了空间碎片漫反射激光测距实验。其中，激光器波长为532nm，脉冲能量为25mJ，脉宽为10ns，重复频率为1kHz。选择了13个傍晚进行观测，总共观测到43个不同空间碎片85组数据，距离范围600～，测距精度大约为0.7m（RMS），RCS范围0.3～15m2。
美国空间局在毛伊岛空间监测站利用激光雷达的精密跟踪和高分辨成像能力，进行远距离探测、跟踪和成像，检查轨道上的卫星，经过几个阶段的改进，该系统能够进行高精度跟踪，最终用于测量非美国的航天器的尺寸、形状、姿态和方位信息。该系统所用激光器脉冲能量为30J，重复频率为30Hz，接收口径为60cm。捕获模式为单脉冲方式，脉宽为10ms，成像模式采用激光脉冲串，脉宽为1.5μs，实现了大约为20cm的成像分辨率。成功验证了激光反射成像雷达对空间远程目标高分辨率成像的可行性。
3.2 国内研究现状
中国SLR网成立于1989年，由上海站、长春站、昆明站、武汉站、北京站、流动站等台站组成。上海台是SLR区域数据中心和数据分析中心，负责国内SLR资料的归档、观测资料的评估，每周发表全球观测资料的评估报告，并利用国内及国际的SLR资料，进行天文地球动力学和大地测量等应用研究。
3.2.1上海天文台——双望远镜激光测距实验系统
上海天文台于2013年启动建设了1.56m/60cm双望远镜激光测距实验系统。其1.56m口径天文光学望远镜是20世纪80年代我国建成的赤道式大型光学观测设备，为天体物理和天体测量等科学研究提供了重要的观测资料。受限于客观观测环境条件，1.56m望远镜应用领域也在不断地进行拓展和转变，其中激光测距是重要方向之一。为充分利用1.56m大口径望远镜强接收能力，结合60cm望远镜激光测距系统，以此组建了双望远镜激光测距实验系统，联合开展空间目标激光测距技术研究，测距系统如图2所示。
图2 上海天文台1.56m/60cm双望远镜激光测距系统
合作目标激光测量试验中，60cm望远镜采用了千赫兹重复率激光器，单脉冲能量约1mJ，输出功率约1W。2013年至2014年双望远镜测距系统对合作目标进行了测量，对同步轨道也进行了测量。激光测距精度小于3cm，略低于60cm单台望远镜结果，可能源于双望远镜系统采用不同时间频率基准所致。对同一观测时段内激光回波数统计，1.56m望远镜是60cm望远镜的5～6倍，即采用1.56m和60cm双望远镜对目标激光测距，单位时间内激光回波数相比于60cm口径望远镜有数倍提升（大口径接收是主要原因）。
在合作目标测量基础上，通过对1.56m望远镜系统完善，成功开展了非合作目标测量实验。1.56m望远镜接收非合作目标激光回波信号（距离，RCS为6.1m2），测距精度优于1m，与60cm望远镜激光测距系统测量结果相当。每10s内1.56m望远镜接收的平均回波数是60cm望远镜约3倍，与激光测距方程理论分析结果相当；后续1.56m/60cm双望远镜激光测距系统可实现小尺寸目标的测量。
上海天文台建立的1.56m/60cm双望远镜激光测量试验系统，成功获得了有效激光回波信号，体现了大口径望远镜对激光回波信号接收优势，可应用于远距离、小目标漫反射激光测量，并为开展阵列接收望远镜激光测距技术研究等提供了良好试验平台。作为双接收望远镜激光测距技术的拓展，可用于对数百公里或更远距离望远镜开展单站发射、多站接收的激光测距，应用于空间目标的定位定轨技术研究。
3.2.2 云南天文台——基于MPPC阵列探测器的测距实验
云南天文台应用天文研究团组自上世纪七十年代就开展了天文仪器和卫星与月球激光测距的研究，将一台半成品机架改造成轴系精度、跟踪精度都在角秒量级的1.2米地平式望远镜。先后建立了第一代红宝石激光、第二代YAG腔倒空激光、第三代YAG窄脉冲激光测距系统，并投入国际联测。其中第三代系统采用精密指向修正，可在小范围内搜索，即实现盲目跟踪测距。在2010年和2011年，针对一些大型空间碎片如火箭残骸进行了漫反射激光测距试验，获得成功。图3所示为云南天文台1.2m/53cm双望远镜激光测量试验系统。
图3 云南天文台1.2m/53cm双望远镜测距系统
此外，云南天文台还进行了基于阵列探测器（Multi-Pixel ，MPPC）的测距实验研究。采用从日本进口的MPPC阵列探测器在激光测距系统进行了应用实验，对地靶取得了有效回波，实验结果表明阵列探测器有效探测面积增大、接收的回波光子数量增加，提高了探测效率，可应用于532nm及红外探测波段的激光测距系统。
3.2.3 长春人卫站与国家天文台中阿圣胡安SLR站——千赫兹卫星激光测姿研究
长春人造卫星观测站开展了千赫兹激光测距技术的研究，从望远镜闭环跟踪工作模式、操控软件改进、预报根数修正以及光路精密调整、探测器温度设置、白天光谱滤波技术等方面对望远镜性能进行全面改进。并应用两行根数辅助的SLR单站单圈定轨方法，提高了望远镜联合观测效率。长春站SDLRS所测空间碎片中，轨道高度500～的空间碎片最多，这是现有探测能力的体现。
此外，长春人卫站与国家天文台中国阿根廷圣胡安SLR站开展了对卫星的千赫兹激光测姿技术研究。日本卫星自带角反射器，为自旋稳定卫星，周期约2s。准确地测定被动卫星的自转参数可以用来改善和验证卫星轨道扰动模型，而更好的模型可以提高轨道分析的精确度，从而提高地面测站的位置精度和地球动力学参数精度。目前卫星自转参数主要由SLR解算法和光度测量法获得。
利用卫星的轨道并结合卫星在轨道中的姿态，对观测站激光到达卫星的入射角度进行了解算，可以看出明显的周期性的峰值是由于卫星本身的自转形成的。根据实测数据处理结果，卫星的自转周期约为1s。
4 空间目标激光测距技术发展趋势
4.1 单站发射、多站接收
空间目标激光测量中，激光作用距离及测量目标大小与望远镜接收口径或接收面积成正比。由于对非合作目标激光回波信号弱，尤其是对远距离、小尺寸目标，要获取足够激光回波光子数，大口径接收望远镜是必需的。但是单台望远镜接收口径越大，其研制技术难度、成本、系统维护工作量等方面均成倍增加，这在一定程度上限制了单台大口径望远镜系统在对空间非合作目标测量应用。
此前，空间目标激光测距系统采用共光路或分光路方式进行激光测距。共光路指激光发射光路与回波接收光路基本相同，共用一台望远镜，并采用转镜或其他设备实现收/发光路转换。发射激光时，控制转镜在发射光路位置；回波即将到达时，控制转镜在接收光路位置。而分光路是将发射光路与接收光路分离，各自有专门的发射望远镜和接收望远镜，一般发射望远镜被安装在接收望远镜上。收/发共光路的方式下，激光发射时产生的强激光后向散射噪声和充斥在望远镜光路中的激光光泵将损坏光路中的灵敏探测器件。而收发分光路形式不仅能够减小上述不良影响，还能够减少激光回波所经过的反射镜数，降低控制系统的复杂性。
针对非合作目标激光返回方向不定，激光束覆盖范围广等特点，单站发射、多站接收的空间目标激光测距技术是今后的主要研究方向。即使用一套激光发射系统，采用单站发射多站望远镜并行接收激光回波信号的测量方式，实现对空间目标的联合观测，以此达到大口径望远镜等效接收效果，提升对空间目标测量能力。
采用单站发射、多站接收的工作方式，激光器发射激光时分极少部分光到主波探测器产生主波脉冲信号并送定比触发器整形，产生两路主波信号，一路送事件计时器，直接测量主波时刻，另一路送控制计算机，用来产生距离门控信号；激光光子从空间碎片返回到达地面观测站时，从接收光路进入回波探测器，由其产生回波信号，回波脉冲信号送事件计时器测量回波时刻；结合目标轨道预报数据，对主波事件时刻序列和回波事件时刻序列进行数据处理，获得激光脉冲飞行时间。
4.2 高重频测距技术
激光器系统是卫星激光测距系统的关键组成部分，千赫兹的激光器是小能量、窄脉冲、高重复频率激光器。高重复频率卫星激光测距具有目标捕获快，观测数据量大，测距精度高，标准点数据密度高的优点，已成国际激光测距技术的发展趋势。高重复率激光测距不是以提高单次测距的回波探测成功率为目的，而是通过提高测距频率获得更多的观测数据量进而提高测量精度。采用高重复率、皮秒级脉冲宽度激光器，使得系统具有可靠性高、体积小、维护成本低等特点。
时间间隔测量是高重频测距的关键技术之一。它精确测定激光发射脉冲（亦称主波）和从卫星反射器返回的激光脉冲（亦称回波）之间的时间间隔，从而测得卫星的距离。事件计时器不同于一般的时间间隔测量仪，其测量频率不受激光往返时间的约束，可以大大提高测量频率。高重复率激光测距系统中的时间间隔测量只能采用事件计时器的测量方式。
在卫星测距时，事件计时器只采集激光主波时刻和回波时刻。对于高重复率激光测距，激光主波信号发出与回波信号到达之间的间隔内将有几十或上百个主波出现，所以事件计时器实时采集到的相邻主回波时刻是不对应的。为了获得卫星的观测距离，实际测距时要实时地对主回波进行匹配操作，找出对应的主回波，回波时刻减主波时刻就是卫星距离观测值。主回波对应匹配算法的基本原理为：在事件计时器采集到主波时刻时，通过预报数据获得主波时刻所对应的卫星预报距离值，回波时刻与主波时刻作差再与主波时刻所对应的卫星预报距离进行比较，如果比较的结果在某一限定值（该限定值理论上只要小于激光脉冲发射时间间隔即可，但为了抑制噪声，一般取微秒量级）以内，表明主回波已经匹配成功，进而可获得卫星观测距离值（O值）再结合卫星预报数据（C值）计算卫星距离的观测值与预报值之差（O-C值）。
4.3 白天测距技术
在SLR的应用研究中，白天的测距数据有重要价值。因为每颗卫星在绕地球运行中，平均来说，白天和夜间经过观测站的机会相差不多。白天的测距数据将有助于卫星的精密定轨，测定地球自转参数的精确度，并影响到地球动力学的其他应用研究。因此世界各国都很重视白天测距工作，目前全世界约有50个SLR站，大部分仅能在夜间工作。
白天天空背景噪声比夜晚要大106倍，对于单光子接收系统，即使采用带宽为0.15nm的超窄带干涉滤光片，以及40″的视场光栏，仍然有2～3MHz，从大量的噪声中识别出微弱的卫星激光回波十分困难。同时由于白天无法看到又远又小的激光卫星，且面临强烈背景噪声的干扰，不可能像夜间观测那样用加大距离门和空间搜索等方法来弥补卫星预报或机架指向的误差。因此，白天测距时，对这两方面的要求精度比夜间地影跟踪要高5倍以上，难度大大增加。
4.4 阵列单光子探测技术
目前国内激光测距设备的激光接收系统均采用雪崩二极管单光子探测器（SPAD），其缺点是一次只能接收一个激光回波，且具有恢复时间，效率相对于国际上流行的大面积阵列探测器相对低下。
超导单光子探测器（ ，SSPD）是一种全新的单光子探测技术，兼具有高灵敏度和低噪声的特点。由于超导能隙在毫电子伏量级，一个光子入射即能激发出成千上万个准粒子，促使超导纳米线超导态转变，实现单光子检测。超导单光子探测器是近红外波段，为综合性能最优的单光子探测技术。
尽管SSPD的发明到现在时间较短，由于其优异的性能，受到前沿研究、工业技术和国防安全等领域的广泛重视。一些商业公司，比如美国Pho-ton Spot、俄罗斯和荷兰 等，已经开发出各自的商业产品。SSPD在众多应用中发挥巨大作用，如将量子保密通信的距离从150km提高到300km，人类首次实现了高速月地激光激光通信。
基于超导单光子的阵列探测器作为回波接收器件时，单次测距中被探测到回波光子的事件增多，从而使得探测到微弱回波光子概率增加，且可以提高测距精度并有利于暗弱信号探测和目标快速搜索与跟踪。在国际测距的发展方向上，阵列探测已成为测距领域的研究热点之一。
5 结论
本文对卫星激光测距技术的发展现状进行调研分析，结果表明高光束质量激光器、一发两收接收方式、单光子面阵探测器等技术是现在的发展趋势：一套激光发射系统、采用多站望远镜并行接收激光回波信号的测量方式，实现对空间目标的联合观测，可达到大口径望远镜等效接收效果；高重复频率卫星激光测距具有目标捕获快、观测数据量大、测距精度高、标准点数据密度高等优点；白天测距数据将有助于卫星的精密定轨，测定地球自转参数的精确度，并影响到地球动力学的其他应用研究；阵列探测器作为回波接收器件时，使得探测到微弱回波光子概率增加，可以提高测距精度并有利于暗弱信号探测和目标快速搜索与跟踪。
借助漫反射激光测距系统的研制，可逐步扩展到激光通信技术及空间碎片激光清除技术研究，为空间目标态势感知任务提供技术支撑。
