摘要
在上海天文台1 kHz卫星激光测距系统上,通过885 nm端面泵浦Nd:YAG实现对激光器改进和升级;对泵浦电流、Nd:YAG冷却水温及再生放大建立周期加以控制,在10 kHz下获得6 W功率532 nm近等幅值皮秒激光脉冲输出,发散角0.6 mrad,脉宽30 ps,光束质量
关键词
卫星激光测距(SLR)技术通过对卫星距离的高精度测量,在卫星轨道、地心引力参数、地球重力场参数、相对论验证、高精度时间比对等领域的科学研究广泛应
SLR的频率越高,在越短的时间内,能够获得更多卫星距离数据,提高卫星距地距离及卫星轨道精度,增强卫星姿态探知能力。2018年上海天文台在4 kHz重复率SLR下分析了测距数据量与标准点精度,结果表明4 kHz重复率测量数据量和标准点数据精度比1 kHz重复率的分别提高了约2.62倍和1.62
综上,高重复率激光测距是国际SLR技术重要发展方向。目前SLR普遍采用皮秒激光器,皮秒激光脉宽窄,峰值功率高,易对光学器件造成损坏,不容易获得大能量或高功率激光输出,白天的SLR,背景噪声强,特别是高重复率测距,探测器暗噪声也强,由此激光能量与噪声情况限制了SLR系统探测能力提高,以此,本文进行激光器功率提升与噪声方面的分析。通过对激光器升级设计,增加激光放大模块,实现了重复率10 kHz,功率6 W输出的532 nm皮秒激光,分析单光子探测器的光子噪声数水平,最后实现对同步轨道3.6 x 1
kHz重复率激光器系统
上海天文台60 cm的SLR系统如文献[
1 kHz的皮秒激光器通过锁模获得皮秒脉冲种子,经再生放大获得千赫兹1 064 nm输出,输出功率约1.9 W,脉宽40 ps, 光束质量

图1 885 nm端面泵浦的Nd:YAG放大。
Fig.1 Side-pump Nd:YAG crystal amplification by 885 nm.
激光晶体Nd:YAG中受N

图2 10 kHz激光脉冲波形输出(时间100 µs/div,幅值20 mv/div) (a)幅值不均等的高低脉冲,(b)幅值均等的脉冲
Fig.2 10 kHz laser pulse waveform of laser pulse at pulse repeat frequency of 10 kHz (time 100 µs/div, amplitude 20 mv/div) (a) unequal amplitude pulse in high and low,(b)equal amplitude pulse
背景噪声强度直接影响激光测距过程中的虚警概率,降低激光回波探测成功率,甚至当背景噪声强度过大时,探测器来不及对激光回波信号响应。背景噪声包括所处环境的噪声以及探测器自身的暗噪声,实现背景噪声的测量能够更好地评估探测能力。目前单光子探测器(Single Photon Avalanche Diode,C-SPAD, Peltier cooled) 背景噪声测量过程中,探测器工作在盖革(Geiger)模式,当探测到一个光子后,探测器即关门进入死区,后续光子得不到响应,直至下一次C-SPAD再一次被触发,才能实现下一个光子的探

图3 C-SPAD单光子探测器重复率1 kHz、2 kHz、4 kHz、5 kHz、6.25 kHz、10 kHz的噪声测量
Fig.3 Noise measurement for C-SPAD single photon detector under repetition rate of 1 kHz, 2 kHz, 4 kHz, 5 kHz, 6.25 kHz, 10 kHz
盖革(Geiger)模式单光探测器背景噪声测量中,时间靠前噪声影响到后面噪声光子响应探测成功率,为了更好表征噪声强度,采取距离门刚打开瞬间进行噪声光子探测数统计,即C-SPAD刚开始工作的一瞬间,如
, | (1) |
其中,N0为在C-SPAD在运行工作时长t0及距离门控△t内所探测到背景噪声数,f为距离门控触发探测器重复率。单位时间光子噪声数N为:
. | (2) |
其中△t为距离门控距离L对应的距离门控时间。各重复率下探测到的光子噪声数及对应各类型噪声计算如

图4 各重复率下的单位时间内的噪声光子数
Fig.4 Number of noise photons in single second at each repetition rate
N=743 784.76+431.08f , (3)
, | (3) |
即,故重复率f增加后,探测次数增加,在距离门控时间长度不变的情况下,由单光子探测器的暗噪声、噪声个数Nt随重复率增加是呈非线性增加趋势。
SLR过程中通常采用单光子探测器C-SPAD,其光电转换产生的光电子数服从泊松分布,即在平均光电子数为N情况下,产生m个光电子概率P(m,N)满足以下公
, | (4) |
由此可以算出背景噪声产生一个以上光电子概率为:
, | (5) |
即激光测距过程中虚警概率与距离门控△t、重复率f关系为:
. | (6) |
由上式可得,为了降低虚警概率应尽量缩短距离门控。10 kHz下距离门控△t与虚警探测概率如下:
. | (7) |
距离门控1~200 ns时,其关系曲线如

图5 10 kHz下的虚警概率随距离门控的关系
Fig.5 The relationship between the false alarm probability and the distance gating at repetition rate of 10 kHz .
由
, | (8) |
其中n0为系统接收的平均激光回波光电子数,λ为激光波长,h为普朗克常量,c为光速,nq为探测器探测效率,E0为激光器单脉冲能量,Ar为系统有效接收面积,AS为目标反射器反射面积,T
, | (9) |
其中Pn为不考虑噪声单光子探测器对激光回波数n探测概率。即:
. | (10) |
故距离门控△t考虑噪声影响的10 kHz重复率的激光回波探测概率为:
, | (11) |
即相对重复率f ,单脉冲能量E0的激光发射,单位时间内回波平均点数为:
. | (12) |
由此设:
, | (13) |
以上激光发散角、望远镜口径固定下各参数已知,故A为常数,即:
. | (14) |
激光测距技术单色性好,可在白天进行测量,可有效增加观测数据及观测弧长,有助于空间目标定轨精度提升。相比夜间测距,白天测距面临巨大的背景噪声、目标不可见及光束指向监视困难等因素,因此白天测距技术难度比夜间测距要高很
根据前面分析,应尽量压低距离门控,将改造升级后重复率10 kHz的532 nm皮秒激光由发射望远镜系统发射输出,在接收望远镜及10 kHz的激光发射、接收与数据处理系统相互配
从

图6 10 kHz的白天同步轨道北斗Compassi6b的测量(a)数据实时测量,(b)数据测量后处理
Fig. 6 Beidou Compassi6b satellite measurement with 10 kHz laser ranging in daytime (a) data real-time measurement,(b) data processing after measurement.
高重复率10 kHz测距过程中,后向散射出现频率高,规避难度大,特别是在近地星测量过程中比较明显。在对近地星Ajisai测量过程中,获得有效回波点如

图7 10 kHz的Ajisai卫星后向散射的现象
Fig.7 Backscatter at 10 kHz laser ranging for Ajisai satellite
皮秒激光峰值功率高,不易获得大能量高功率的激光输出,限制了激光测距能力进一步提升。本文采用885 nm端面泵浦Nd:YAG双通放大增大激光输出能量,在10 kHz下获得输出6 W的532 nm皮秒激光,发散角0.6 mrad,脉宽30 ps,光束质量
致谢
本文得到大恒新纪元科技股份公司在皮秒激光器系统及技术指导的大力支持,在此表示感谢。
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