激光测卫(武大-魏二虎).ppt
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1、1,第8章、激光测卫,主讲:魏二虎,2,内容纲要,8.1、激光卫星测距原理8.2、激光卫星测量系统8.3、激光测距定轨原理8.4、激光卫星测距应用,3,8.1、激光卫星测距原理,1.激光激光LASER(Light Amplication by Stimulated Emission of Radiation)是指光的受激辐射以实现光放大。激光的产生当激光物质处于粒子数反转分布状态时,由自发辐射而产生的光子将引起其它原子受激跃迁,从而使光得到受激放大。在光学谐振腔内沿腔轴方向传播的光受安置在两端的反射镜反射而往返传播,在此过程中不断引起其他原子的受激跃迁,产生同频率的光子,使光迅速放大。与腔轴不
2、平行的光则在往返几次后逸出腔外,从而形成方向性极好的激光。,4,8.1、激光卫星测距原理,2、激光的特点六十年代初,美国Mainman在实验室研制成功世界上第一台红宝石激光器。它具有下述特点高功率激光器的输出功率可达GW级。单位面积上的光能密度可高于太阳表面,作用距离到达几万公里高处的人造地球卫星甚至三十八万公里外的月球表面;激光的谱线很窄,便于在接收系统中用窄带滤光片来消除天空背景的噪声,从而大大提高信噪比;激光的发散角极小,在很远的距离上光能量仍能集中在一个很小的范围内,有的激光测距系统发散角只有2,在月球表面上光斑直径也只有4km;脉冲激光器的激光脉冲宽度可以达到很小的量级,而脉宽是决定
3、测距精度的主要因素之一,因而激光测距的精度可以达到很高的精度。,5,8.1、激光卫星测距原理,3、激光测卫的提出1963年第三届国际量子电子学会基于上述激光器的特点,就提出利用新光源测量卫星距离的可能性。1964年10月美国通用电器公司和戈达德飞行中心(GFSC)先后成功的利用红宝石激光器测到了由美国宇航局(NASA)于当月发射的世界上第一颗带激光后向反射镜的人造地球卫星-探险者22号(BEB)的距离。正是随着这第一次实验的成功,人卫激光测距(SLR)技术得到了迅速的发展;到现在人卫激光测距由当初希望的曙光变成了如日中天的最主要现代高技术空间大地测量手段之一。,6,8.1、激光卫星测距原理,4
4、、测距过程用安装在地面测站的激光测距仪向安装了后向反射棱镜的激光卫星发射激光脉冲信号;该信号被棱镜反射后返回测站,精确测定信号的往返传播时间;进而求出仪器到卫星质心间的距离。目前的测距精度可达1cm左右。,7,8.1、激光卫星测距原理,5、测距原理D=C.t/2+DD为测距改正数,8,8.1、激光卫星测距原理,5、测距原理激光测距观测值误差改正测距仪仪器常数改正不同仪器之间的常数改正地面大气延迟改正观测时间改正t=t1+t2+t3t1为工作钟与标准时间之间的差异;t2为工作钟取样时刻和激光脉冲信号的发射时刻之间的差异,也称为触发延迟改正;t3为信号传播时间改正,从激光脉冲离开测距仪至到达卫星间
5、的时间,t3=S/c 大气延迟改正卫星上的反射棱镜偏心改正潮汐改正相对论改正,9,内容纲要,8.1、激光卫星测距原理 8.2、激光卫星测量系统8.3、激光测距定轨原理8.4、激光卫星测距应用,10,8.2、激光卫星测量系统,1激光测距系统主要包括地面部分和空间部分 空间部分为带后向反射镜的卫星地面部分则包括:激光发生系统、激光光学发射和接收系统、光学系统转台、激光脉冲接收处理系统、时间间隔计数器、时间系统;标校系统、计算机控制记录系统、基石、电源系统、保护系统;最后为数据传输系统。,11,8.2、激光卫星测量系统,2、激光测距卫星专用卫星Lageos卫星Starlette卫星,Starlett
6、e,12,8.2、激光卫星测量系统,2、激光测距卫星非专用卫星ATS-6海洋卫星Seasat-1海洋地形试验卫星Topex/Poseidon部分GPS卫星等。这些卫星之所以安装激光反射棱镜,主要是把激光测距作为一种定轨的手段。,13,8.2、激光卫星测量系统,3、激光仪分类 1)按激光类型来分脉冲式:激光波段的电压强度相位式激光测距仪用无线电波段的频率,对激光束进行幅度调制并测定调制光往返测线一次所产生的相位延迟;再根据调制光的波长,换算此相位延迟所代表的距离。即用间接方法测定出光经往返测线所需的时间。t=/,D=1/2 ct=1/2 c/=c/(4f)(N+)=c/4f(N+N),14,3、
7、激光仪分类 2)根据其构造及精度分第一代:脉冲宽度在1040ns,测距精度约为16m。多数采用带调Q开关的红宝石激光器。第二代:脉冲宽度25ns,测距精度为30100cm,多数采用了脉冲分析法;第三代:脉冲宽度为0.10.2ns,测距精度为13cm,多数采用锁模Nd:YAG激光器。能在计算机控制下实现对卫星的自动跟踪和单光子检测技术。,8.2、激光卫星测量系统,15,8.2、激光卫星测量系统,4.人卫激光测距仪的结构激光器;望远镜;光电头;脉冲测量系统;时频系统;伺服系统;计算机等部分组成的,16,8.2、激光卫星测量系统,5、激光测卫站中国已经建立固定站武汉、上海、长春、北京和昆明等5个激光
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