飞行目标激光测距技术研究

发布时间：2020-04-17 13:23

【摘要】：随着激光器技术和光电探测器的发展,激光测距技术广泛应用于空间碎片探测、卫星激光测距、空间交会对接、航天器自主着陆和靶场光电测量中。激光测距技术因其具有测量精度高,作用距离远,布站位置灵活和数据处理实时性好等突出特点,逐渐成为靶场飞行目标测量的重要手段。激光测距技术在国内外的研究已经比较成熟,但对于飞行目标激光测距的应用和系统设计仍有很多问题需要深入的研究和探讨:(1)飞行目标激光测距误差成因及修正方法;(2)目标形状及姿态变化对测距精度影响问题(3)回光数据稳定性的影响因素及系统优化方法(4)中远距离飞行目标脉冲激光测距系统的最优化设计问题等。为此,本论文主要针对目前单站式飞行目标轨迹测量系统中激光测距存在的问题开展理论和实验研究,为进一步的工程研制和应用打下基础。主要研究内容如下:本文首先从系统原理与组成的角度分析了测距系统各个单元设计方法,进行了测距系统主要参数和性能的分析。理论研究了飞行目标激光测距的各种误差源及其对测距精度的影响。计算了飞行目标激光测距系统各主要参数的误差分配,为系统优化设计和误差修正奠定了理论基础。针对飞行目标表面形状及姿态变化对测距精度影响的问题,深入分析了飞行目标的脉冲激光测距回波过程,建立了一种通过飞行目标的反射特性、表面形状及姿态信息计算回波脉冲时域分布的理论模型。提出了三维目标脉冲激光测距的“微分投影截面分布”的概念,简化了目标回波时域功率分布的卷积计算过程,解决了目标形状的复杂性和姿态的多变性在脉冲激光回波建模中难以定量分析这一难题。对典型飞行目标进行了测距回波仿真,得到了脉冲展宽和测距误差随姿态角变化的规律。为飞行目标回波畸变测距误差的分析和修正提供了理论依据。针对飞行目标激光测距的回光数据稳定性较差的问题,建立了飞行目标激光测距准测概率的理论计算模型。分析了激光发散角、瞄准精度、系统接收口径、目标尺度和目标距离对准测概率的影响,根据分析结果发现在合理范围内适当增加激光发散角可以抑制瞄准误差对准测概率的影响,并给出了测距系统在不同瞄准精度下的最佳发散角设计范围。针对激光测距系统需求的系统指标参数,总体设计了飞行目标脉冲激光测距系统方案。从发射激光光源、发射与接收光学系统、目标探测光学系统、多光轴一致性校准和探测电路几个方面进行了详细的设计和分析。最后,设计了固定模拟目标测距回波特性实验和无人机靶板目标跟踪测距实验,实验结果表明本文建立的三维目标脉冲激光测距回波计算模型和飞行目标激光测距准测概率计算模型在一定误差范围内的有效性。通对某飞行目标的跟踪测距实验数据分析,同时结合差分GPS地面标定实验,从测距能力、测距精度和准测概率三个方面验证了测距系统的性能。
【图文】：

示意图,相位法,激光测距,原理

测量脉冲回波光强获得距离信息，而是通过调制手段对发射激光的相位进行调制，然后逡逑测量调制激光往返于被测目标距离的相位差，间接求得目标距离［２６］。相位法激光测距原逡逑理示意图如图１．２所示。设激光信号的调制频率为／，调制波长为；ｌ＝ｃ／／，式中ｃ是光逡逑速。光波从发射到被反射回来，产生的相位移是由于相位是以２；：为模数的，相移逡逑可写为：逡逑ｃｐ邋＝邋２ｍｎ邋＋逦＝邋２ｎ（ｍ邋＋邋Ａ／ｎ）逦（Ｕ）逡逑上式中，ｍ是零或正整数，Ａｍ是小数，Ａｍ邋＝邋Ａｐ／２；ｒ。逡逑被测距离ｉ：可写为：逡逑Ｌ邋＝邋ｃｔ邋／邋２邋＝邋ｃ＜ｐ／邋｛Ａｎｆ）邋＝邋Ｘ｛ｍ邋＋邋Ａｍ）邋／邋２逦（卜３）逡逑ｔ表示从激光发射到接收到回光的时间间隔。如果测得光波相移表达式中的整数ｍ逡逑和小数Ａｍ，就可以由此确定被测距离Ｌ。由（１－３）式可以看出，被调制的光波可以被逡逑认为是一把“光尺”，调制信号的波长义就是该尺子的长度。逡逑Ｉｎ逡逑逦邋逦逡逑调制频率ｈ激光器ｆ＼ＡＡＡ／＼逡逑逦ＩＭｍＪ邋Ｌ＿Ｍ＿｜逦角锥棱镜逡逑Ａ＜ｐ逡逑图１．２相位法激光测距原理示意图逡逑相位检测一般只能检测到两信号间不满一个周期的相对相位差Ｗ，如果公式（１－２）逡逑中的ｍ不为零，现有的检测相位差的方法是无法得知实际相位大小的，也就无法测得目逡逑标的距离。因此相位法的测量距离必须限制在调制波长的一半之内，要测量较长的距离，逡逑就要使调制波长变长。这样

空间碎片,激光测距,激光测距系统

飞行目标激光测距技术研究天基激光测距对亚ｃｍ量级空间碎片信息的获取极为有效，但由于天基设备统复杂导致目前对空间目标的信息探测主要依托地基激光测距。地基空间目系统具有搜索能力强和跟踪定轨精度高的特点，由于测量距离远，，因此地基测一般在大气条件好的山顶选址建立测站，尽可能得降低大气对激光测距的２年，澳大利亚ＥＯＳ公司利用光学口径０．７６ｍ的激光测距系统，实现了对１２５０ｋ为１５ｃｍ的空间碎片激光测距［３９］。随后几年，该澳大利亚Ｓｔｒｏｍｌｏ激光测距镜口径为１．８ｍ，使用重复频率５０Ｈｚ、光束质量为１．２倍衍射极限的高能量，进一步提升了系统测距性能。同时，望远镜采用自适应光学技术补偿了大流的影响。２０１０年，Ｓｔｒｏｍｌｏ激光测距站在原有的测距系统基础上，采用重０Ｈｚ、脉宽５ｎｓ的高能量脉冲激光器，成功获取了邋１０００ｋｍ以上最小尺寸为５ｃ波数据，测距精度不低于１．５ｍｆ４Ｃ）］，代表了当时国际空间碎片激光测距技术。＿逡逑
【学位授予单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN249

【相似文献】