kHz激光器在武汉卫星观测站的测距实验

低， 约为 １． ， 因此单次测距返回的光子数较少 ， 同等情况下平均回波率约 １ 远低于低重复频率激光器 ， ５ｍ Ｊ ０％ ， 但由于发射次数多 ， 总的回波数仍然很高 。 ３． ２ 探测器噪声 随着重复频率的增加 ， 回波探测接收设备单光子 雪崩 二极 管 （ 的开 门次数 随之 大幅 增 Ｃ Ｓ Ｐ Ａ Ｄ） 在测距中 ，
１ 犽 犎 狕测距方式
是用时间间隔计数器来测量激光脉冲发射到返回的时间间隔 ， 从而达到测 在低重复频率卫星激光测距中 ， 距的目的 。 显然 ， 在发射的激光脉冲返回之前 ， 不能进行下一次发射测量 ， 这就限制了重复测量的速度 。 在发射的激光脉冲返回之前 ， 就可能进行多次再发射测量 。 这时就不能使用时间间 随着重复频率的提高 ， ［ ］ ４ 隔计数器来测量了 ， 必须使用事件计时器来进行测量 。 它将每个发射和返回激光信号都当作一个事件 ， 并精 确测出每个事件发生的时刻 ， 然后根据卫星预计轨道推算出激光脉冲的往返时间间隔 ， 识别出相关的主波与回
５］ 波各自的时刻 ， 其时刻差即为所测量的时间间隔值 ［ 。 这就是 ｋ Ｈ ｚ激光测距的方式 。
２ 犽 犎 狕激光器
例如锁模倍频 Ｎ ： 采用脉冲氙灯作为泵浦源 ， 氙灯泵浦需要相应的高压触发电 ｄ ＹＡＧ 激光器 ） 传统激光器 （ 路和电源供应 、 水空气热交换机 、 复杂的开关调制电路等 ， 这种激光系统成本相对较高且系统性能不稳定 ， 无法 输出高重复频率激光 ， 激光脉冲较宽 。 大多数激光器由于采 用快速 高压 的电开关 或 容 易 致 癌 的 染 料 ， 存 在 电、 化学危险 ， 该类器件输出的脉冲波形和能量的不稳定 ，对测距精度有一定影响 。 由于这种激光器的能量较大 ，
犽 犎 狕激光器在武汉卫星观测站的测距实验
（ １．中国地震局 地球物理研究所 ，北京 １ ０ ０ ０ ８ １； ３ ０ ０ ７ １； ２．中国地震局 地震研究所 ，武汉 ４ ） ３．中国科学院 测量与地球物理研究所 ，武汉 ４ ３ ０ ０ ７ １

２ 李 欣１， ， 王培源２， 邹 彤２， 朱 威２， 郝兴华３， 郑少怀３， 王战锋２， 郭唐永２
３ 影响高重复频率回波探测的因素
ｉ ． ２ Ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍｍ ａ ｔ ｉ ｃｖ ｉ ｅ ｗｏ ｆｂ ｅ ａ ｍｅ ｘ ａ ｎ ｄ ｅ ｒ Ｆ ｇ ｇ ｐ
图 ２ 扩束器概略图 ３． １ 激光能量 ： ， 平均回波率可达８ ｄ ＹＡＧ 激光器的能量约为 ３ ５ｍ Ｊ ０％ 。ｋ Ｈ ｚ测 距 中 使 用 的 激 光 器 能 量 则 较 传统的 Ｎ
［］ ２］ 观测数据 ［ ， 同年 ５ 月 ， 在第 ４ 届中韩卫星激光测距会议上讨论了 ｋ 中国各 Ｈ ｚ激光测距观测结果 ３ 。２ ０ ０ ９年，
个固定站陆续开始进行 ｋ Ｈ ｚ激光测距实验 。 武汉卫星观测站也于 ２ ０， 并于 ２ ０ ０ ９ 年 ４ 月首次获得 ｋ Ｈ ｚ激光测距的观测数据 。
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强
激
光
与
粒
子
束
第２ ３卷
长期工作容易损坏光学器件 ， 对人眼也不安全 。 能量 、 脉宽提 出了一 定 的 要 求 ， 重 复 频 率 达 到 １ｋ 提 Ｈ ｚ激光测距技术针对激光的频率 、 Ｈ ｚ或 者 更 高 ， 而 ｋ 高了测距数据量和标准点精度 ； 脉冲能量 ０． ， 对人眼安全 ； 脉冲宽度十几 ｐ ， 减少了由脉冲宽度引起 ４～３． ０ｍ Ｊ ｓ 的测量误差 。 该型激光器具有 Ｈ ｚ激 光 器 为 美 国 Ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｎ ｉ ｃ ｓ公 司 的 Ｒ Ｇ Ｌ ５ ３ ２ 型 激 光 器， 目前在武汉卫星站上使用 的 ｋ 波形和能量稳定 、 维护方便等优点 ， 其技 术 参 数 如 下 ： 重复频率１ ， 输出波长５ 脉 体积小 、 ０Ｈ ｚ ０ｋ Ｈ ｚ ３ ２ｎ ｍ， ～１
７］ 加， 导致设备的暗噪声增加 ［ ， 如图 ３ 所示 。
重复频率为１ 暗噪声大约在５ ； 重复频率为５ 暗噪声大约在１ ； 重复 ０Ｈ ｚ时 ， ０ｋ Ｈ ｚ ０ ０Ｈ ｚ时 ， ５ ０ｋ Ｈ ｚ 图３ 中 ， 暗噪声大约在 ２ 。 暗噪声成倍增长 ， 再 加 上背景 噪声的 影响 ， 测距回波信号中将出现 频率为 １ｋ Ｈ ｚ时 ， ３ ０ｋ Ｈ ｚ 大量的噪声 ， 如图 ４～５ 所示 。 ３． ３ 后向散射 由于发射视场和接收 视 场 存 在 部 分 重 叠 ， 发射出去的激光可能被低空大气散射 Ｈ ｚ激光测距过程中 ， 在 ｋ 到接收视场内 ， 如果大气后向散射能量 比 较 强 ， 则在散射期间内返回的有用信号光子容易被后向散射光所淹 没， 造成回波信号的损失 。 目前 ， 我们用实时调整激光发射延迟时间的方法来避免后向散射的干扰 。
Ｆ ｉ ． １ Ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍｍ ａ ｔ ｉ ｃｖ ｉ ｅ ｗｏ ｆｋ Ｈ ｚ ｌ ａ ｓ ｅ ｒ ｇ ｇ 图 １ ｋ Ｈ ｚ激光器概略图
激光束以 Ｂ ｒ ｅ ｗ ｓ ｔ ｅ ｒ角 入 射 穿 过 图 ２ 是 扩 束 器 概 略 图 ， 并且沿法 线 方 向 出 射 ， 然后以 Ｂ Ｐ Ｒ １ 棱镜 ， ｒ ｅ ｗ ｓ ｔ ｅ ｒ角 入 射 穿 过棱 镜 Ｐ 光 束 以 法 线 方 向 出 射 每 块 棱 镜。 Ｒ ２， Ｐ Ｒ ３和 Ｐ Ｒ ４， 每块棱镜的法线入射面都镀有相应激光波长的增透膜 。 经过 如图 １ 所示 。 Ｐ Ｒ ４ 棱镜出射的扩束光束直接入射衍射光栅 ，
２ ０ ０ ９ １ ２ １ ７； ２ ０ １ ０ ０ ８ １ １ 收稿日期 ： 修订日期 ： 基金项目 ： 国家自然科学基金项目 （ ） ４ ０ ７ ７ ４ ０ １ ３ 作者简介 ： 李 欣（ ，男 ，博士研究生 ，主要从事卫星激光测距技术方面的研究 ； １ ９ ７ ８—） ｌ ｘ ｃ ｏ ｍ ｃ ｎ＠ｙ ａ ｈ ｏ ｏ ． ｃ ｏ ｍ． ｃ ｎ。
第２期
李 欣等 ：ｋ Ｈ ｚ激光器在武汉卫星观测站的测距实验
３ ６ ９
４ 观测结果及分析
获取的一圈 Ａ ０ ０ ９ 年４ 月８ 日１ ２ 点（ ＵＴ Ｃ 时间 ） 图 ４ 是 ２ ｊ 这圈观测弧段约为４ ， 回波点 Ｈ ｚ激光测距结果 ， ０ ５ｓ ｉ ｓ ａ ｉ卫星 ｋ 数一共 ４ 保留观测点数９ ９ ４２ ０ ０ 个。观 测 数 据 预 处 理 后， ２２ ３ ５ 个， 单次精度 １． 回 波 率大约 １ ７ｃ ｍ， ８． ６ ６％ 。 可以 看 出 ， ｋ Ｈ ｚ激 光测距的回波率不高 ， 这是因为激光能量较小 ， 从卫星上面反射 回波探测成功概率自然会比较低 ， 但由 回来的光子数就比较少 ， 于测距频率的提高 ， 观测数据量反而会得到极大的提高 。 获取的一圈 ０ ０ ９年５月６日１ ４点（ ＵＴ Ｃ 时 间） 图 ５ 是 ２ 这圈观测弧段约为 １ ， 回波点 Ｂ Ｅ Ｃ 卫星 ｋ Ｈ ｚ激光测距结果 ， ２ ０ｓ 数一共 １ 保 留 观 测 点 数 １５ ４ ４４ ８ ０ 个。 观 测 数 据 预 处 理 后， ３ ０ 个， 单次精度 ２． 回波率大约 １． １ｃ ｍ， ０ ６％ 。
３ 卷第 ２ 期 第２ ０ １ １年２月 ２
强
激
光
与
粒
子
束
Ｈ Ｉ ＧＨ Ｐ ＯＷＥ ＲＬ Ａ Ｓ Ｅ Ｒ ＡＮ ＤＰ Ａ Ｒ Ｔ Ｉ Ｃ Ｌ ＥＢ Ｅ ＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ３，Ｎ ｏ ． ２ ， Ｆ ｅ ｂ． ２ ０ １ １
文章编号 ： （ ） ０ ０ １ ４ ３ ２ ２ ２ ０ １ １ ０ ２ ０ ３ ６ ７ ０ ４ １
国际上正在发展高重复频率激光测距 （ 技术 ， 它是 用 高发 射频率 、 低脉冲 能 量 的 激 ｋ Ｈ ｚ激光测 距 ） 近年来 ， 光器来取代传统的低发射频率高脉冲能量的激光器 ， 从而实现高数据获取率 、 高命中率和高精度的观测 。 传统 的卫星激光测距 （ 设备使用高能量输出 脉 冲 （ 单次发射３ ） 激 光 器， 由 于 能 量 较 大， 输出能量及 Ｓ Ｌ Ｒ） ０～１ ５ ０ｍ Ｊ 波形稳定性较差 ， 热效应大 ， 光学 器 件 的 承 受 能 力 有 限 ， 因而发射频率一般小于２ ， 脉冲宽度为３ ０Ｈ ｚ ０～２ ０ ０ ， 脉冲宽度难以压缩 ， 限制了精度的提高 ， 发射频率低 ， 从而制 约 了 数 据 获 取 量 的 密 度 。 此 外 ， 高能量的放电 ｓ ｐ 和输出还产生如危害人眼 、 很容易打坏光学元件 、 光的干扰 强 、 电噪 声大 、 系统 体积 功 耗 大 等 问 题 ， 影响系统工 作稳定性 ， 制约 Ｓ ） 、 高发射频率（ ） 的 激 光 器， 配合高精密事件计数 Ｌ Ｒ 的推广应用 。 使用低能量 （ ４ ０ ０μ Ｊ ２ｋ Ｈ ｚ 器进行测距 ， 脉冲宽度降到 ｐ ） ， 测距 精 度 达 到 ｍｍ 量 级 ， 数据获取率提高１ 同时也较 ０ｐ ｓ ０ 倍 以 上， ｓ量级 （ ＜１ ［］ 干扰强 、 噪声大等问题 。２ 并 好地解决了稳定性差 、 ０ ０ ３ 年奥 地利 Ｇ ｒ ａ ｚ站 率 先 研 发 成 功 ｋ Ｈ ｚ激 光 测 距 系 统 １ ， 实现了 ｋ 英国 Ｈ 德国 Ｔ Ｈ ｚ激光测距的常规观测 。 随后 ， ｅ ｒ ｓ ｔ ｍ ｏ ｎ ｃ ｅ ｕ ｘ 站、 Ｉ Ｇ Ｏ 站等都进行了 ｋ Ｈ ｚ激 光 测 距 实 验 。２ ０ ０ ８年４月１ ３日， Ｔ Ｒ Ｏ Ｓ Ｉ流动卫星激光 测 距 系 统 在 北 京 房 山 人 卫 站 获 得 国 内 第 １ 圈 ｋ Ｈ ｚ激 光 测 距 的
２ ， 脉冲能量 ３ｍ ， 光束模式 Ｔ 长 期 稳 定 性 ±３％ ， 指向稳定性 冲宽度 １ ０～１ ５ｐ ｓ Ｊ ＥＭ０ １． ３， ０ ，光束 质 量 因 子 犕 ＜
小于 ２ ， 发散角小于 ０． ， 谐振腔长 １９ 光斑直径 １． ０μ ｒ ａ ｄ ６ｍ ｒ ａ ｄ ０ ０ｍｍ， ３ｍｍ。 ， 武汉卫星站的高重复频率激光测距实验中使用 的重复 频率 为 ０ｋ Ｈ ｚ 该型激光器的重复频率最高能达到 １ ， 下文中提到的 ｋ １ｋ Ｈ ｚ Ｈ ｚ激光测距均为 １ｋ Ｈ ｚ测距 。 ［ ６］ 在由 反 射镜 Ｍ 具有可 调波 长 的 固 体 激 光 Ｈ ｚ激 光器 概 略图 ， １ 和 衍射光 栅组 成的 光学腔 体内 ， 图 １ 是 ｋ 例如 Ｔ ： ） ， 位于反射镜和衍射光栅 之 间 。 扩 束 器 由 一 个 或 多 个 棱 镜 或 者 一 个 或 多 个 透 镜 组 成 ， 材料 （ ｉ ｓ ａ ｈ ｉ ｒ ｅ ｐ ｐ 位于激光材料和衍射光栅之间 。 泵浦激光器工作的泵浦 能量 大 约 １ 以 １ｋ ０ Ｗ 或 更 高， Ｈ ｚ或 者 更 高 的 频 率 产 生脉冲 ， 激发激光材料 ， 光束经过扩束器被扩大 １ 被衍射为一系列窄带宽的不同波长预选 ０ 倍后入射衍射光栅 ， 光束 ， 选取适当波长的光束沿着光轴直接穿过固体激光材料 ， 作为激光器的输出 ， 输出能量可选 １ Ｗ 或更高 。