地基激光测距系统观测空间碎片进展-航天器环境工程

第33卷第5期航天器环境工程V ol. 33, No. 5 2016年10月SPACECRAFT ENVIRONMENT ENGINEERING 457 E-mail:******************:(010)68116407,68116408,68116544
地基激光测距系统观测空间碎片进展
张海峰1,2, 邓华荣1, 吴志波1,2, 汤凯1, 张忠萍1,2
（1. 中国科学院上海天文台，上海 200030；2. 中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，南京210008）
摘要：卫星激光测距作为地基光电望远镜系统重要技术应用，可直接精确测量空间碎片距离，提升碎片目标轨道监测精度。

基于上海天文台60cm口径激光测距望远镜，应用百赫兹重复率高功率激光器、高效率激光信号探测系统等，建立了空间碎片激光测距系统，实现了对距离500～2600km、截面积0.3～20m2的碎片目标观测，测距精度优于1m，具备了碎片目标常规测量与应用能力。

此外，开展了空间目标白天监视技术研究，实现了亮于6星等恒星的白天观测，并进行了望远镜局部指向误差模型分析，分析结果可应用于空间碎片白天激光观测的目标监视与引导。

关键词：空间碎片; 激光测距; 观测系统; 白天恒星监视
中图分类号：TN216 文献标志码：A 文章编号：1673-1379(2016)05-0457-06
DOI: 10.3969/j.issn.1673-1379.2016.05.001
Observations of space debris by ground-based laser ranging system
ZHANG Haifeng1,2, DENG Huarong1, WU Zhibo1,2, TANG Kai1, ZHANG Zhongping1,2
(1. Shanghai Astronomical Observatory, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200030, China;
2. Key Laboratory of Space Object and Debris Observation, Chinese Academy of Sciences, Nanjing 210008, China)
Abstract: The satellite laser ranging is one of the important application technologies for the ground-based optical-electronic telescope system, and the distance of the space debris is directly measured to improve the orbit accuracy. Based on the laser ranging telescope with the aperture of 60cm at the Shanghai Astronomical Observatory, the space debris laser ranging system is set up with the development of a high power laser system of hundreds hertz repetition rate and a laser signal detection system of high efficiency. The routine laser observation of space debris may be realized with the measured distance from 500km to 2600km, the cross section from 0.3 m2 to 20 m2, the ranging precision of better than 1m, for accurately measuring the space debris. In addition, the method of monitoring the space targets in the daytime is also studied preliminarily, and the stars brighter than six magnitude of brightness are observed to make the regional pointing error correction model. The method can be applied in the monitoring and guiding for the daylight space debris laser ranging.
Key words: space debris; laser ranging; observing system; daylight star guiding
0 引言
空间碎片因威胁到在轨工作航天器的安全，已成为国际关注的问题。

实现对空间碎片碰撞的高精度预警的前提是碎片轨道的精确测定。

世界各航天大国均在大力发展多种高精度空间碎片测定轨技术，并通过国际合作实现可靠的、高精度空间碎片碰撞规避预警技术[1-4]。

空间碎片测量技术中，激光测距是一种精度达分米级的实时测量技术，其精度高于微波雷达、光电望远镜1～2数量级，对提高碎片目标轨道测定精度、预报能力、编目精度、预警能力等具有重要作用[5-7]。

美国、澳大利亚、奥地利和中国等均发展了非合作空间目标（包含空间碎片）高精度激光测距技术[8-10]，并加强多方技术交流协作，服务于
————————————————————————
收稿日期：2016-07-29；修回日期：2016-08-29
基金项目：国家自然科学基金项目（编号：11303074, 11503068）；中国科学院国防创新基金项目（编号：CXJJ-14-S108）；中国科学院重大装备项目（编号：2920100701）；国家国防科工局空间碎片“十二五”预先研究项目（编号：K0103110）
458 航天器环境工程第33卷
航天活动中的空间碎片高精度监测、预警等，以增强空间目标的预警能力及空间态势感知能力。

对于空间碎片目标，由于被测表面对入射激光束的漫反射，使得返回激光信号弱，导致测量难度大[11]。

为此，提升地面站激光发射功率和弱信号激光探测能力是空间碎片激光测距技术的关键。

近些年，中国科学院上海天文台在高性能高功率激光器、弱回波信号探测技术等方面取得了突破，通过对空间碎片激光测距系统升级改造[10, 12]，引进吸收国外先进技术，使得碎片测量能力得到了提升。

在此基础上，开展了白天激光观测技术研究，以期推动我国高精度激光测距技术在空间碎片观测领域的应用。

1 空间碎片激光测距系统
空间碎片激光测距系统主要包括高功率激光器，激光发射/接收子系统，望远镜跟踪子系统，激光探测器，精密计时子系统和控制子系统[13]。

对于空间碎片，由于其距离远、尺寸小，对激光器和激光探测器性能要求较高，是空间碎片激光观测系统中的关重部件。

下面重点介绍激光器和激光探测器。

1.1 高功率激光器
提高激光器发射功率和激光信号准直性，可有效提升激光回波信号强度。

在空间碎片激光测距技术研究初期，上海天文台采用了低重复频率（20Hz 及以下）、泵浦式高能激光器[12]。

在高功率输出状态下，激光器内部光学器件易受损，不仅输出功率难以有较大提升，而且光束质量难以保证。

根据国外空间碎片激光测距技术及系统应用经验[8-9]，为了提高功率和性能，可通过提高激光器工作频率和降低单脉冲能量来改善光学器件工作性能。

但激光器工作频率增加，又会使得光子探测器暗噪声数随之增大[13]，不利于对激光回波光子的探测。

为了满足空间碎片激光测距的指标要求，本文采用了主振荡功率放大（Major Oscillation Power Amplification, MOPA）技术以实现短脉冲高光束质量的激光方案，研制了可应用于空间碎片激光测量的百赫兹重复频率、高光束质量、高功率、半导体泵浦式激光器系统（如图1所示）。

该激光器系统的主要性能指标如下：
1）输出功率：60 W；
2）激光波长：532nm；
3）激光脉宽：≤8ns；
4）光束质量（M2）：≤3。

图1 200Hz重复频率高功率激光器光学系统原理
Fig. 1 The optical principle of high power laser system of 200Hz
1.2 激光探测器
空间碎片激光测距中仍存在2个关键问题：碎片轨道预报精度低和高信噪比激光回波探测。

合作空间目标激光测距中，采用了高精度单光子雪崩二极管（SPAD），探测芯片尺寸200µm，探测效率约20%[13]，但在高重复率工作模式下，其暗噪声数在MHz水平，不利于像碎片这样的非合作目标激光回波信号的高效探测。

采用如图2所示的技术原理，国内首先研制了应用于漫反射激光信号高性能探测的低噪声、高效率APD激光探测器，采用了时间滤波降噪技术，并设置了高速甄别比较电路，以加快响应速度和缩短探测盲区时间；选用了盖格（Gaige）模式探测芯片，实现单光子探测的灵敏度；使用了恒温制冷技术,最大程度降低探测暗噪声数。

激光探测器的主要性能参数如下：
1）探测芯片尺寸：500µm；
2）暗噪声数：18kHz@200Hz（“@”表示在200Hz条件下，文章其他@表示意义皆同此）；
3）探测效率：＞40%@532nm。

图2 APD激光探测器工作原理
Fig. 2 The working principle of APD detector
对于来自空间背景和目标亮度的噪声，尤其是亮度高于6星等的大尺寸目标，这将对激光回
第5期
波信号探测了在高重复信号高探测问题。

考虑激
波器带宽成技术（中心90%），以降2 空间碎2.1 观测基于上
利用建立的行了测量，光谱滤波器
所跟踪500～2000 圈次的激光日对美国02180, RCS 规律点为激距离1050图3 S Fig. 3 The r separ 图4给碎片观测结标为观测仰观测的空间面积0.3～2碎片激光测片目标进行
间碎片监测 测产生很大干复率工作模式测能力，但又激光接收子系成正比，激光心波长532 nm 降低背景噪声碎片高重复结果
上海天文台6的空间碎片激以验证上述器等的应用效踪和测量的km ，获得了光观测数据。

SCOUT A S 0.6 m 2）实激光回波数据～1230
km ，COUT A 火箭residual data of rated from SCO 给出了上海天结果统计，其仰角，不同斜间碎片，其测20 m 2。

测量测距系统在天行常规观测，测。

张干扰。

APD 探式下的低暗噪面临如何降低系统探测到的探测器采用了m 、带宽2 n 声数。

复率激光观测60
cm 口径激激光测距系统述激光器、激效果。

碎片目标轨了超过200个图3给出了火箭体碎片时测量距离残据，弥散点为测距精度约体碎片激光测f laser-detected OUT A rocket
天文台60 cm 其中横坐标为斜线代表不同测量距离500结果表明，上天气条件良好提供高精测量
激光信号
张海峰等：地基激探测器尽管实噪声数和对回低背景噪声数的噪声水平与了窄带光谱滤nm 、透过率大测与分析
激光测距望远统对碎片目标光探测器、窄轨道高度范围个碎片目标、2016年5片目标（NOR 残差图，其中噪声数据，测45
cm 。

量距离残差图range for the d 口径望远镜系测量距离，纵目标截面积0～2600 km ，上海天文台空好情况下，可对量数据应用于激光测距系统观实现回波数的与滤滤波大于远镜，标进窄带围从400月16RAD 中有测量
debris 系统纵坐。

所，截空间对碎于空Fig 2.2其中可通主要号探及探带来测距探测响空上海量精Tab
＋ （ 起状
即目小于
左右120观测空间碎片进图4 60
cm 口g. 4 The rang 60
cm tel 2 观测精度空间碎片激
中系统误差通过模型修正要为随机误差探测、激光回探测目标形状来的误差。

距误差分析。

测器精度以及空间碎片激光海天文台空间精度与其截面表1 空ble 1 The error 误差来源测量系统仪1）激光脉宽2）时间测量间3）起始信号探定比探测）4）回波信APD ）
5）时间频率基目标返回脉冲误差（与碎片、大小等有关总计由图5中的目标尺寸变大于5 m 2时，测量右；对于截面0 cm ；对于更大进展 口径望远镜系统ge statistics of sp lescope system
分析
激光观测存在（包括系统时正得到一定补差，包括激光回波信号探测状引起激光脉表1给出了上由表中的数及碎片尺寸对光测距精度的间碎片激光测面积的关系。

空间碎片激光测r analysis of lase 源 误仪器误差 （取8
ns ）间隔
探测（PIN
号探测基准误差30
30冲波形引目标的形关）
15@R 33@ R 的结果可以看大，测距精度量精度约30～面积5～10 m 大截面碎片目 统空间碎片观测pace debris obs 在系统误差和时延标定、大补偿，而影响测光信号脉宽、激测、系统时间频脉冲展宽和畸上海天文台空数据可知，激对回波信号展的主要因素。

测距系统所获
测距数据误差分er ranging data fo 误差量/ps 041～5025 000～5000
约8 约25 约500
约12
500～2000 RCS:1～5 m 2
@391～5408 RCS:1～5 m 2
@看出，随着截度也趋于变差80 cm ，平均2，测量精度目标，测距精度 459
测结果统计
served by the
和随机误差。

大气传输等）测距精度的激光发射信频率基准以畸变等因素间碎片激光激光器脉宽、展宽等是影图5给出了获得目标测分析
or space debris
误差量/mm
605～754 600～750 约1.2 约3.8 约75 约1.8 225～300
@RCS:1～5 m 2508～810
@ RCS:1～5 m 2
截面积增加，。

当截面积均值为50 cm 度达到100～度超过1.5 m ，
460 航 天 器 环 境 工 程 第33卷
甚至到2 m 。

通过将窄脉冲激光信号（百ps ）、高精度探测器（ps ）应用于漫反射激光测量，可进一步提升目标测距精度，对于小尺寸目标，预期精度可达10～30 cm 。

图5 空间碎片测量精度与其雷达截面积关系
Fig. 5 The relationship between laser measurement precision
and the cross section of space debris
3 空间碎片白天观测的望远镜指向误差
修正方法
开展空间碎片白天观测，是激光观测区别于光电望远镜观测技术的重要特征。

实现空间碎片全天时激光探测能力，对增加观测弧段，提升碎片目标测定轨精度有重要作用，是激光测距系统开展碎片观测的研究方向。

空间碎片的白天激光观测受限因素较多[14]，其中目标精确指向和引导是关键。

白天激光观测时，由于受外界环境温度变化影响，望远镜机架指向误差时变形较大，影响了对目标的跟踪和精确指向。

针对上述问题，考虑指向修正的快速性、实时性要求，满足目标精确指向要求，提出通过在白天对过境天区内观测适当数量恒星方式，建立局部指向模型，实现对望远镜指向误差的快速修正。

利用恒星与背景光谱差异，采用光谱滤波方法实现白天恒星观测；选取目标过境天区附近恒星建立局部指向模型，进行白天指向偏差修正。

3.1 白天恒星监视的滤波技术
白天背景光来源于太阳，光谱峰值在0.45～0.55 µm 之间，长波段光谱的峰值迅速下降。

对于恒星来说，以M 、K 、G 三种恒星为主，其光谱分布的共同特点是峰值在0.8 µm 左右，基本呈对称分布。

为了实现白天恒星观测，需滤除短波天空背景
光，保留长波部分。

根据白天天空背景光与恒星光谱曲线对比分析结果[15]，选择波段为600～700 nm 的截止滤光器进行背景光滤波，以实现恒星监视。

3.2 白天恒星监视与局部指向模型
利用上海天文台60 cm 口径望远镜激光测距系统开展了白天恒星监视试验，采用了截止波长为700 nm 的滤波器，即短于700 nm 波长的光全部截止，以提高星光信号的信噪比。

所采用的恒星监视CCD 主要参数如表2所示。

表2 LucaS 型EMCCD 主要参数
Table 2 Specifications of LucaS EMCCD
像素数 658×496
像素尺寸(W×H)/µm 10×10 量子效率/% 20%@800 nm 最大读出速率/MHz 13.5
帧频 37.2 读出噪声(e -) ＜1～******* MHz
图6给出了上海天文台白天监视恒星（5.5～6.0星等）分布及所拍摄到的恒星图像，图中恒星亮度为5.7星等，观测时间为下午4:00，恒星与太阳角约50°。

图6 上海站5.5～6.0星等恒星分布及白天监测结果 Fig. 6 Distribution of 5.5～6.0 magnitude and the star
image taken by CCD in the daytime
3.3 局部指向模型的误差修正方法
在此基础上，提出望远镜局部指向误差快速修正方法，即对目标过境天区内指向偏差修正。

由于区域范围缩小，指向误差模型所需要的恒星数也相应减少，这有利于提高指向模型计算效率，实现白天目标观测指向快速修正。

考虑到所选择的恒星数不必过多，过境天区内选取6～7颗恒星（如图7所示），采用了经典的具有物理含义的七参数指向模型作为白天望远镜局部指向误差模型，如下式所示：
03456tan sec cos tan tan sin ∆=++++A C C E C E C A E C E
A
；
1256cos sin cos ∆=+++E C C E C A C A 。

式中：∆A 、∆E 为恒星方位和高度指向偏差值；A 、E 为恒星方位和高度值。

通过对所选择的恒星进行
第5期张海峰等：地基激光测距系统观测空间碎片进展461
跟踪获取望远镜指向偏差和位置量，利用最小二乘法计算得到上述七参数指向模型系数。

通过将建立的望远镜局部指向模型应用于所跟踪区域其他恒星，评估局部指向模型的修正误差精度。

图8给出了过境天区内其他恒星的方位和高度偏差情况，方位和高度偏差量方均根（RMS）分别为5.87″和8.43″。

所建立的望远镜局部指向模型的指向修正误差精度在10″以内，可满足空间碎片白天激光观测中望远镜指向偏差修正要求。

图7 目标过境天区的望远镜指向误差修正
Fig. 7 Telescope pointing error correction based on satellite passing region
(a) 方位
(b) 高度
图8 过境天区望远镜局部指向误差模型修正Fig. 8 Verification of the pointing error model for telescope passing region
3.4 小结
提升低亮度恒星目标的监视能力，可增加参与望远镜指向模型计算的恒星观测数，有利于提高望远镜指向修正精度。

另外，通过采用实时背景噪声剔除及图像叠加方法，还可进一步提升较暗恒星目标监视能力。

后续将开展实时背景噪声剔除和图像实时叠加处理方法的研究，以期在白天情况下可实现7～8星等的目标监视，将为空间碎片白天激光测距、目标精确跟踪和引导打下良好技术基础。

4 总结与展望
基于上海天文台60cm口径空间碎片激光测距望远镜系统，瞄准国际相关技术发展，通过解决高性能激光器和激光回波探测的关键问题，实现了碎片目标测量距离500～2600km，截面积0.3～20m2，具备了空间碎片夜间光学常规测量能力，可应用于空间碎片高精度激光监测。

上海天文台空间碎片激光测距系统由于在激光功率、探测效率、望远镜接收口径等方面的限制，对远距离（中高轨）、小尺寸（10cm以下）目标探测能力不足。

为了满足碎片目标的精密测轨需求，需发展具备对小尺寸目标微弱信号探测能力的激光测距系统，开展激光脉冲群高功率皮秒激光模式的研究，以统筹解决激光功率、重复频率和脉冲宽度问题；发展空间碎片近红外波长激光观测技术研究，提高激光输出功率和大气传输效率；发展超导纳米线单光子探测器在空间碎片激光探测的应用研究，实现极低暗噪声、高效率激光信号探测；开展多望远镜的激光接收测量技术研究，实现大口径望远镜接收能力，并兼顾系统测量能力和效率。

以此构建空间碎片全天时激光监测系统，应用于我国未来航天空间探测。

参考文献（References）
[1] 姜会林, 付强, 张雅琳, 等. 空间碎片激光探测成像通
信一体化技术探讨[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(4):
0401001
JIANG H L, FU Q, ZHANG Y L, et al. Discussion of the
laser ranging with polarization spectral imaging observations and communication technology for space
debris[J]. Infrared and Laser Engineering, 2016, 45(4):
0401001
[2] 高文, 朱明, 贺柏根, 等. 目标跟踪技术综述[J]. 中国
光学, 2014, 7(3): 365-374
GAO W, ZHU M, HE B G, et al. Overview of target
tracking technology[J]. Chinese Optics, 2014, 7(3):
365-374
[3] 祁先锋. 空间碎片观测综述[J]. 中国航天, 2005, 22(7):
24-26
QI X F. Review of space debris observation[J].
Aerospace China, 2005, 22(7): 24-26
[4] 李振伟, 张涛, 孙明国. 星空背景下空间目标的快速
462 航天器环境工程第33卷
识别与精密定位[J]. 光学精密工程, 2015, 23(2):
589-599
LI Z W, ZHANG T, SUN M G. Fast recognition and
precise orientation of space objects in star background[J].
Optics and Precision Engineering, 2015, 23(2): 589-599 [5] 朱飞虎, 王立, 郭绍刚, 等. 面向非合作目标的大动态
范围激光测距系统[J]. 红外与激光工程, 2014, 43(增
刊1): 8-12
ZHU F H, WANG L, GUO S G, et al. Large dynamic
range laser ranging system for non-cooperative target[J].
Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(sup1): 8-12 [6] 陶会荣, 张福民, 曲兴华. 无合作目标测量中目标表
面后向散射特性的实验研究[J]. 红外与激光工程,
2014, 43(增刊1): 95-100
TAO H R, ZHANG F M, QU X H. Experimental study of
backscattering signals from rough targets in non-cooperative laser measurement system[J]. Infrared
and Laser Engineering, 2014, 43(sup1): 95-100
[7] 沈姗姗, 陈钱, 何伟基, 等. 单光子测距系统性能优化
研究和实现[J]. 红外与激光工程, 2016, 45(2): 166-171
SHEN S S, CHEN Q, HE W J, et al. Research and
realization on performance of single photon counting
ranging system optimizing[J]. Infrared and Laser
Engineering, 2016, 45(2): 166-171
[8] GREENE B, GAO Y, MOORE C, et al. Laser tracking of
space debris[C]//Proceedings of 13rd Laser Ranging
Workshop. Washington, 2002
[9] KIRCHNER G, KOIDL F, FRIEDERICH F, et al. Laser
measurements to space debris from Graz station[J].
Advances in Space Research, 2013, 51(1): 21-24
[10] ZHANG Z P, YANG F M, ZHANG H F, et al. The use
of laser ranging to measure space debris[J]. Research in
Astron Astrophys, 2012, 12(2): 212-218
[11] CRAIG H S, GREENE B. The EOS space debristracking
system[C]//The Advanced Maui Optical and Space Surveillance Technologies Conference. Wailea, Maui, Hawaii, 2006
[12] 张忠萍, 张海峰, 吴志波, 等. 基于200 Hz重复率高
功率全固态激光器空间碎片激光测距试验[J]. 中国
激光, 2014, 41(增刊1): 1-7
ZHANG Z P, ZHANG H F, WU Z B, et al. Experiment
of laser ranging to space debris based on high power
solid-state laser system at 200Hz repetition rate[J].
Chinese Journal of Laser, 2014, 41(sup1): 1-7
[13] 张忠萍, 张海峰, 吴志波, 等. 高精度千赫兹重复频
率卫星激光测距系统及实测结果[J]. 科学通报, 2011,
56(15): 1177-1183
ZHANG Z P, ZHANG H F, WU Z B, et al. kHz
repetition satellite laser ranging system with high precision and measuring results[J]. Chinese Sci Bull,
2011, 56(15): 1177-1183
[14] 杨福民, 肖炽坤, 陈婉珍, 等. 白天卫星激光测距系
统的设计和实测结果[J]. 中国科学, 1998, 28(11):
1048-1056
YANG F M, XIAO C K, CHEN W Z, et al. Design of
daylight satellite laser ranging system and measuring
results[J]. Science in China, 1998, 28(11): 1048-1056 [15] 徐维安. 光谱滤波装置在白天测星中的应用[J]. 光学
精密工程, 1996, 4(4): 84-88
XU W A. Application of spectral filter device in measuring stellar in daytime[J]. Optics and Precision
Engineering, 1996, 4(4): 84-88
（编辑：肖福根）
作者简介: 张海峰（1981—），男，高级工程师，主要从事空间目标激光测距技术及应用研究；E-mail:***************.cn。

通信作者：张忠萍（1960—），男，研究员，从事空间目标激光测距技术及应用研究；E-mail:***********.cn。