共光路高重频激光测距主回波重叠现象的计算机仿真*

张海涛，李祝莲

(1. 中国科学院云南天文台，云南 昆明 650011；2. 中国科学院研究生院，北京 100049)

高重频激光测距技术是近几年发展起来的新技术，它通过增加测距频率来增加观测数据和提高标准点精度，观测数据量的增加，可以有效提高标准点的精度，利于卫星的精密定轨，是激光测距的发展方向之一[1]。在国家重大科技基础设施建设项目——《中国大陆构造环境监测网络》的支持下，2010年研究组在云南天文台1.2 m望远镜上成功实现了kHz激光测距系统，并进入常规观测。

高重频激光测距中，上一个激光脉冲的回波未返回测站前下一个激光脉冲已离开测站飞向测距目标，如此将出现回波时刻与主波时刻重叠的现象。本文根据共光路激光测距的特点，并结合卫星轨道预报值，对1.2 m望远镜共光路高重频激光测距系统跟踪低轨、中高轨及深空目标时主回波重叠现象分别进行计算机仿真研究，对共光路激光测距的特点进行了详细的阐述，得出主回波重叠现象发生的条件并采用计算机软件编程获得在各种目标激光测距时的重叠概率。

1 高重频收/发共光路激光测距

高重复频率激光测距是利用高发射频率、低脉冲能量的激光器代替传统的低发射频率、高脉冲能量的激光器，实现高数据获取率、高命中率和高精度的观测[2]。

云南天文台1.2 m望远镜高重频激光测距系统采用收/发共光路的测距方式，光路如图1[3-4]。激光器发射激光时，小部分激光经过PIN主波探测器产生主波信号，并通过事件计时器记录主波时刻；大部分激光则通过激光发射光路飞往测距目标，激光脉冲被测距目标反射后回到望远镜接收光路系统，由C-SPAD单光子探测器转换成回波信号，并由事件计时器记录回波时刻；然后根据事件计时器给出的主回波时刻和目标轨道预报值，计算激光脉冲的飞行时间。这是完成单次测距的整个过程。

1.2 m望远镜共光路高重频(KHz)激光测距是由原来传统激光测距的基础上升级而成[5]，例如kHz激光器、事件计时器和高速旋转快门代替原来的低频激光器、时间计时器和低速转镜等。其中旋转快门是实现共光路高重频激光测距的关键技术之一，它是在旋转快门边缘开设多个小孔，当小孔位于光路中时系统处于发射光路，一旦小孔转过光路位置则系统处于接收光路。测距过程中，该快门在电机的控制下，一直处于快速旋转状态，实现收/发光路的快速均匀更替，并提供发射激光的同步指令信号。

图1 1.2 m望远镜激光测距光路图

Fig.1 Optical paths of the 1.2m Telescope SLR

随着测距重复频率的提高，可能出现发射激光的瞬间有回波到达探测器(即回波到达时刻与激光发射时刻重叠)的情况,然而对于共光路激光测距系统，此时旋转快门处于发射光路中,故此刻回来的回波将被丢失，从而部分地降低了探测成功的概率。

2 共光路高重频激光测距主回波重叠率仿真研究

2.1 转镜同步信号

为了研究主波时刻与回波时刻重叠的条件，需对旋转快门产生的同步信号进行研究。图2为旋转快门同步信号使用示波器的测量结果，输出为TTL电平信号，高电平表示处于接收光路，低电平表示处于发射光路。从图中可以看出，测距频率为999.749 Hz(属于kHz测距)，低电平时间约为80 μs。

图2 旋转快门同步信号

Fig.2 Synchronizing signal of the shutter

2.2 主波和回波时刻发生重叠的条件

在这里把回波时刻接近主波时刻并且回波出现丢失的情况视为二者“重叠”，主波和回波时刻接近的情况有3种：(1)主波时刻与回波时刻相同，此时回波信号必定丢失；(2)回波时刻在主波时刻的前面，此时发射激光对回波信号的接收已不再造成影响；(3)回波时刻在主波时刻后面，此时如果回波在同步信号的低电平时间内，则回波信号将被丢失。因此得出主波和回波时刻“重叠”的条件如(1)式：

(1)

式中，trm回波时刻；tn为主波时刻。

2.3 仿真数据生成

结合测距目标轨道预报，对于任意一个激光发出时刻，可以计算得出该激光脉冲到卫星并返回测站望远镜的时刻。对kHz激光测距，假定每个脉冲的周期严格为1 ms(实际应用中可能因为旋转快门的各小孔机械加工不均匀等造成有微小差别)，选定某一时刻作为第一个激光发射时刻，即可得出后面的激光发射时刻序列，对预报数据进行插值计算，得到相应的回波到达时刻序列。

回波到达时刻序列的简单产生方法：根据卫星轨道预报已知激光发射时刻为t0、激光脉冲飞行时间为r0、下一激光发射时刻为t1及其激光脉冲飞行时间为r1，设任意一主波时刻t，其回波时刻为tr，且t∈(t0,t1)，根据(2)式可得回波时刻tr：

(2)

3 仿真结果

文中选取了在国际激光测距网中的一些目标进行主回波重叠现象的计算机仿真，例如：近地卫星AJISAI、中轨卫星LAGEOS1、高轨卫星GLONASS118。同时还选取了月面反射器APOLLO15进行主回波重叠现象的计算机仿真。

图3～6为部分仿真结果，在图中，横坐标表示目标在1.2 m望远镜激光测距站上的可观测时间，纵坐标表示当前时刻主波与回波的重叠情况，1表示当前时刻主波与回波发生重叠，0表示当前时刻主波与回波未发生重叠。

3.1 近地卫星

图3是采用2012年4月18日近地卫星(AJISAI) 16 min内的预报数据进行仿真得到的结果。从图中可以看出在对AJISAI进行测距时有7.144%的时刻可能无法接收到回波，减少了数据的获取率。

表1为随机抽取2011年4月到2012年4月的预报数据进行仿真得到的结果，从表中看出近地卫星(AJISAI)测距中的重叠率约为7%。

3.2 中轨卫星

图4是采用2012年4月18日中轨卫星(LAGEOS1)10 min内的预报数据进行仿真得出的结果。

3.3 高轨卫星

图5是采用高轨卫星(GLONASS118)30 min内的预报数据进行仿真得出的结果。

表1AJISAI主回波重叠现象仿真结果

Table1SimulationresultsofoverlappingbetweenmainwaveandechoforthelaserrangingoftheAJISAI

日期第1圈/%第2圈/%2011.04.196.307.912011.04.257.367.452011.04.306.926.932011.05.056.227.922011.12.2010.177.962012.03.293.79———2012.03.318.12———2012.04.015.72———2012.04.046.217.132012.04.098.187.472012.04.187.146.54

图3 AJISAI主回波重叠现象仿真结果

Fig.3 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of AJISAI

图4 LAGEOS1主回波重叠现象仿真结果

Fig.4 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of LAGEOS1

3.4 月面反射器

图6是采用月面反射器(APOLLO15) 16 min内的预报数据进行仿真得出的结果，有9.998%的回波数据不能被接收。

图5 GLONASS118主回波重叠现象仿真结果

Fig.5 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of GLONASS118

图6 APOLLO15主回波重叠现象仿真结果

Fig.6 Simulation results of overlapping between main wave and echo for the laser ranging of APOLLO15

4 结 论

在高重频激光测距的测距中，由于上一时刻发射的激光脉冲返回之前，又进行多次激光发射，如此可能会出现回波到达时刻与激光发射时刻重叠的现象。在1.2 m望远镜实际高重频共光路激光测距观测中，确实发现存在这种重叠现象。因此，为减少或避免这种情况的发生，需要对光路中的旋转快门进行实时控制。本文通过对重叠现象进行分析和研究，得到了1.2 m望远镜高重频共光路激光测距系统主回波时刻重叠的判断条件，并进行了计算机仿真。根据仿真结果，近地卫星测距中的重叠率约为7%，中高轨目标测距中的重叠概率略高但仍小于8%，远距离月球测距中的重叠率高达10%，这对于进一步研究旋转快门控制算法有一定的参考价值。

[1]吴志波, 张忠萍, 杨福民, 等. 卫星激光测距回波探测成功概率统计分析[J]. 测绘科学, 2006, 31(3): 28-29.

Wu Zhibo, Zhang Zhongping,Yang Fumin, et al. Statistical analysis of successful detection probability of the returns in satellite laser ranging[J]. Science of Surveying and Mapping, 2006, 31(3): 28-29.

[2]李欣, 王培源, 邹彤, 等. KHz激光器在武汉卫星观测站的测距实验[J]. 强激光与粒子束, 2011, 23(2): 367-370.

Li Xin, Wang Peiyuan, Zou Tong, et al. Experiment on kHz laser ranging at Wuhan satellite laser ranging station[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2011, 23(2): 367-370.

[3]熊耀恒, 伏红林. 云南天文台1.2 m望远镜的光学系统[J]. 光电工程, 1998, 25(S1): 66-69.

Xiong Yaoheng, Fu Honglin. Optical system of the Yunnan observatory 1.2m telescope[J]. Opto-Electronic Engineering, 1998, 25(S1): 66-69.

[4]李祝莲, 熊耀恒, 何妙婵, 等. 云南天文台人造卫星激光测距系统原理[J]. 天文研究与技术——国家天文台台刊, 2008, 5(3): 248-252.

Li Zhulian, Xiong Yaoheng, He Miaochan, et al. Principle of 1.2m telescope satellite laser ranging system[J]. Astronomical Research & Technology——Publications of National Astronomical Observatories of China, 2008, 5(3): 248-252.

[5]郑向明, 李祝莲, 伏红林, 等. 云台1.2 m望远镜共光路千赫兹卫星激光测距系统[J]. 光学学报, 2011, 31(5): 119-123.

Zheng Xiangming, Li Zhulian, Fu Honglin, et al. 1.2m telescope satellite co-optical path kHz laser ranging system[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(5): 119-123.

[6]张忠萍, 吴志波, 张海峰, 等. 高重复频率卫星激光测距实验研究[J]. 激光与红外, 2009, 39(12): 1267-1270.

Zhang Zhongping, Wu Zhibo, Zhang Haifeng, et al. Experiment of high-repetition-rate SLR[J]. Laser & Infrared, 2009, 39(12): 1267-1270.

[7]赵有, 刘乃苓. 卫星激光测距的发展和现状[J]. 测绘通报, 1999(12): 23-26.

Zhao You, Liu Nailing. Satellite laser ranging: status and development[J]. Bulletin of Surveying and Mapping, 1999(12): 23-26.