激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

胡薇 发表于 2018-06-13 14:43:08 收藏 已收藏
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激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

胡薇 发表于 2018-06-13 14:43:08

前面我们了解了几种主要的测距/距离传感器的原理及特点,其中,激光测距传感器因其抗干扰能力强,精度高的优势,自诞生以来,得到了极大的发展,在各行各业都发挥着巨大的作用。

1960年世界上第一台红宝石激光器问世不久,以精密测距为主要功能的激光测距技术便随之诞生了。

第一台红宝石激光器

经过了50多年的发展,其发展大致表现在两个方面:首先是应用各种新技术和设备提高测距精度和观测数据量;其次是提高测距系统的自动化程度,减小人力和物力的消耗。具体为:

1、在测距精度上,从最初的米级逐步提高到分米级、厘米级,目前国际上最先进的台站其测距精度已能达到毫米级。

2、在测距能力上,从最初的最远1000~2000km提高到2万km,乃至3.6万km。激光测月的实现使测距能力达到了38万km。

3、在测距频率上,从最初的每秒一次发展到目前每秒1000~2000次,更高频率的激光测距(如10kHz测距)也在试验中。

4、在测距波长上,目前普遍采用的仍是单色测距系统,一些台站也在使用双色/多色激光测距系统。双波长激光测距系统不再需要大气物理参数和大气模型的修正,只需测量结果本身即可修正大气延迟,就能达到更好的数据精度。

5、在自动化程度上,从初期的人工目视跟踪,发展到今天计算机控制、自动跟踪。

激光测距传感器在宇宙空间探测领域的应用

空间激光测距技术在监测大陆板块运动、地壳形变、地球自转,改进地球重力场和地心引力常数,确定地球和海洋潮汐变化的规律,监测空间碎片等方面具有重要作用。它也是当前高精度卫星精密定位观测的主要手段之一,是现代各种定位观测手段中单点采样精度最高的一种,是支持国际地球自转与参考系服务(IERS)的技术手段之一。卫星激光测距技术在如下应用方面已经取得了显著的成就,具有广阔的应用前景。

精密测定激光卫星的轨道

利用卫星的激光观测数据所确定的轨道精度,3天弧段可达1cm;对于径向定轨精度可达到2~2.5cm。

精确测定地球引力场模型及其时变性

在研究地球质心的位置变化过程中,激光技术测定了目前最准确的地球引力常数GM,其测定值为:GM=398600.4415km3/s2;利用不同轨道倾角和高度的激光卫星,精确测定了地球引力场模型,并且测定了地球引力场低阶球谐系数的季节性变化;同时还得出了地球质心位置的周期性变化,包括季节性和年际变化,最新的测定值为:J2=-2.6*10-11/年(历元1986.0);地球引力场的变化反映了地球内部及各圈层(包括海洋、大气、地下水、冰层等)的复杂运动和相互作用过程,具有重要研究价值。

精确测定地球自转参数

地球自转参数(ERP)定义了地球旋转轴和随时间序列的定向运动以及在天球参考框架中的旋转速度。地球自转参数包括极移和日长(LOD)变化。利用激光测虎技术测定的地球极移分量(XP,YP)精度目前已达到0.1~0.2mas;日长(LOD)的测定精度目前已达到0.1ms。

监测全球地壳板块运动

利用激光长期观测数据可以精确地测定地面测站的地心坐标,高精度测站坐标的解算使得人们监测板块运动的愿望成为可能。利用激光测距技术获得的数据,已经估计了40多个测站的站速度和站间基线的变化率。如果测站位于板块的刚性部分,则其站速度就代表了板块运动。利用测站基线的变化率和站速度可以解算板块间的相对运动。

高精度海平面和冰盖地形的测量

激光测距技术与其他空间技术(如GNSS、雷达高度计、SAR等)联合应用,将可能实现毫米级精度的海平面和冰盖地形的测量。

空间碎片轨道确定和监测

利用激光测距技术可以精确测定空间碎片,确定碎片轨道位置,为空间碎片监测和空间碰撞预警系统提供精密轨道信息。

激光测距传感器在军事领域的应用

轻型便携式脉冲激光测距仪

轻型便携式脉冲激光测距仪包括步兵和炮兵侦察用的手持式以及前沿侦察和前沿对空控制(FAC)双用途的激光测距仪—目标指示器。对上述用途的系统,要求机动灵活、重复轻、体积小、用电池组作电源、可靠性和维修性高以及单一产品的成本低等。

在现代战争中,由以前单一的步兵、炮兵独立作战发展到有步兵、炮兵和海军陆战队组成的特种部队联合作战,武器系统也由单一的地炮、高炮逐渐采用多功能综合高技术。因此激光测距仪也由单一测距功能的便携式、手持式发展到激光测距、红外瞄准的昼夜观测仪以及激光测距、目标指示、红外瞄准的激光红外目标指示器等。

地面车载脉冲激光测距仪

地面车载脉冲激光测距仪包括坦克、步兵战车(IFV)、火控、对空防御、火炮或导弹制导火控以及目前发展的地面车载激光测距仪—目标指示器等。其主要技术性能:最大测程4~10km,测距精度±5~10m,目标分辨约20m,重复频率0.1~1Hz,束散角0.4~1mrad。

激光测距仪在坦克火控系统中的应用是提供弹道轨迹的超仰角修正信息和因逆风或目标移动引起的方位角校正信息以及距离信息。步兵战车主要是使用激光测距仪去测量目标是否在反坦克导弹的距离内,其次用于枪炮火控和对目标的分选。

对空火炮和导弹防御脉冲激光测距仪

对空防御的脉冲激光测距仪以及采用了自保护措施的步兵战车对空防御脉冲激光测距仪均应按火控系统和作战系统的要求工作,在距离和距离速率以内对空中高速机动目标提供稳定的跟踪信息和距离信息,以对抗武装直升机、隐身飞机和巡航导弹、反辐射导弹的威胁。

这要求激光测距仪提供比较高的数据率(高的激光脉冲速率)和相当高的距离精度,如最大测程为4~20km,测距精度为±2.5~5m,重复频率为6~20Hz,束散角为0.5~2.5mrad等。

机载脉冲激光测距仪

机载脉冲激光测距仪可以用来装备武装直升机的导弹指令制导和装备固定翼飞机,用于封锁支援的光电飞行器等目标以及拦截飞机和导弹的攻击。

机载脉冲激光测距仪的主要技术性能:测程远、测距精度高、重复频率高、束散角小,同时机载设备应体积小、重量轻并要与航空指示器共用。

因此,激光器必须使用高效循环液体作冷却器,以适应高的运转速率要求,否则要采用气体或混合气体升压冷却。

舰载脉冲激光测距仪

舰载脉冲激光测距仪的发展在轻型便携式、车载和对空防御激光测距仪之后,它包括水面舰载和潜艇潜望两大类。

水面舰载脉冲激光测距仪在技术性能指标方面与车载火控和对空防御激光测距仪相同,在环境使用方面要适应舰载海空、海面以及海上盐雾的荷刻要求,而在体积、重量、电效率、维护保养能力和成本等方面的要求又不苛刻。

因此,目前大量用来装备常规火控和对空防御的海军舰只,如掩护(无声雷达)舰载飞机回收和与红外热成像、电视等组成跟踪系统,全天候监视和跟踪空中目标等独特的舰上应用正在出现,其应用前景相当广泛。

潜艇潜望脉冲激光测距仪目前采用两种组合方式,第一种将激光测距仪、图像增强器和热成像仪装于其潜望镜中,而距离显示器、触发按钮等分别装于操作手上方或附近。

其优点是传输光路中激光损耗小,但光束飘移,不易捕获目标;第二种将上面三部分均装在潜望镜底部,整个系统的安装,调试、拆卸均很方便,但采用这种方法的激光束要通过12m长的潜望镜管和15~20块透镜,能量损耗较大。

云高脉冲激光测距仪

利用脉冲激光测距仪来测量云层垂直高度的仪器称为云高激光测距仪。这类激光测距仪主要用来测量机场的云层高度,也可用来测量卫星发射点的云层高度,为飞机的起降或卫星发射提供安全的气象数据。

这类脉冲激光测距仪可以为前沿军事基地、机场或军用卫星发射点(近距离)的安全提供可靠的气象数据,是现代战争不可缺少的仪器;若使用它为大型国际机场、小型商业民用机场和民用通信卫星发射点(近距离)提供飞机起降或卫星发射的安全气象数据,将对国民经济建设和提高国际信誉产生巨大的经济效益和社会效益。

激光测距传感器在智能交通领域的应用

激光测距技术在物联网智能交通中的一些可能应用方向,主要包括:激光测速传感器、汽车防撞系统、车流量监控、车型描