【摘要】：隨著激光器技術(shù)和光電探測(cè)器的發(fā)展,激光測(cè)距技術(shù)廣泛應(yīng)用于空間碎片探測(cè)、衛(wèi)星激光測(cè)距、空間交會(huì)對(duì)接、航天器自主著陸和靶場(chǎng)光電測(cè)量中。激光測(cè)距技術(shù)因其具有測(cè)量精度高,作用距離遠(yuǎn),布站位置靈活和數(shù)據(jù)處理實(shí)時(shí)性好等突出特點(diǎn),逐漸成為靶場(chǎng)飛行目標(biāo)測(cè)量的重要手段。激光測(cè)距技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究已經(jīng)比較成熟,但對(duì)于飛行目標(biāo)激光測(cè)距的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計(jì)仍有很多問(wèn)題需要深入的研究和探討:(1)飛行目標(biāo)激光測(cè)距誤差成因及修正方法;(2)目標(biāo)形狀及姿態(tài)變化對(duì)測(cè)距精度影響問(wèn)題(3)回光數(shù)據(jù)穩(wěn)定性的影響因素及系統(tǒng)優(yōu)化方法(4)中遠(yuǎn)距離飛行目標(biāo)脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題等。為此,本論文主要針對(duì)目前單站式飛行目標(biāo)軌跡測(cè)量系統(tǒng)中激光測(cè)距存在的問(wèn)題開展理論和實(shí)驗(yàn)研究,為進(jìn)一步的工程研制和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。主要研究?jī)?nèi)容如下:本文首先從系統(tǒng)原理與組成的角度分析了測(cè)距系統(tǒng)各個(gè)單元設(shè)計(jì)方法,進(jìn)行了測(cè)距系統(tǒng)主要參數(shù)和性能的分析。理論研究了飛行目標(biāo)激光測(cè)距的各種誤差源及其對(duì)測(cè)距精度的影響。計(jì)算了飛行目標(biāo)激光測(cè)距系統(tǒng)各主要參數(shù)的誤差分配,為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)和誤差修正奠定了理論基礎(chǔ)。針對(duì)飛行目標(biāo)表面形狀及姿態(tài)變化對(duì)測(cè)距精度影響的問(wèn)題,深入分析了飛行目標(biāo)的脈沖激光測(cè)距回波過(guò)程,建立了一種通過(guò)飛行目標(biāo)的反射特性、表面形狀及姿態(tài)信息計(jì)算回波脈沖時(shí)域分布的理論模型。提出了三維目標(biāo)脈沖激光測(cè)距的“微分投影截面分布”的概念,簡(jiǎn)化了目標(biāo)回波時(shí)域功率分布的卷積計(jì)算過(guò)程,解決了目標(biāo)形狀的復(fù)雜性和姿態(tài)的多變性在脈沖激光回波建模中難以定量分析這一難題。對(duì)典型飛行目標(biāo)進(jìn)行了測(cè)距回波仿真,得到了脈沖展寬和測(cè)距誤差隨姿態(tài)角變化的規(guī)律。為飛行目標(biāo)回波畸變測(cè)距誤差的分析和修正提供了理論依據(jù)。針對(duì)飛行目標(biāo)激光測(cè)距的回光數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差的問(wèn)題,建立了飛行目標(biāo)激光測(cè)距準(zhǔn)測(cè)概率的理論計(jì)算模型。分析了激光發(fā)散角、瞄準(zhǔn)精度、系統(tǒng)接收口徑、目標(biāo)尺度和目標(biāo)距離對(duì)準(zhǔn)測(cè)概率的影響,根據(jù)分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)在合理范圍內(nèi)適當(dāng)增加激光發(fā)散角可以抑制瞄準(zhǔn)誤差對(duì)準(zhǔn)測(cè)概率的影響,并給出了測(cè)距系統(tǒng)在不同瞄準(zhǔn)精度下的最佳發(fā)散角設(shè)計(jì)范圍。針對(duì)激光測(cè)距系統(tǒng)需求的系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù),總體設(shè)計(jì)了飛行目標(biāo)脈沖激光測(cè)距系統(tǒng)方案。從發(fā)射激光光源、發(fā)射與接收光學(xué)系統(tǒng)、目標(biāo)探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)、多光軸一致性校準(zhǔn)和探測(cè)電路幾個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和分析。最后,設(shè)計(jì)了固定模擬目標(biāo)測(cè)距回波特性實(shí)驗(yàn)和無(wú)人機(jī)靶板目標(biāo)跟蹤測(cè)距實(shí)驗(yàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明本文建立的三維目標(biāo)脈沖激光測(cè)距回波計(jì)算模型和飛行目標(biāo)激光測(cè)距準(zhǔn)測(cè)概率計(jì)算模型在一定誤差范圍內(nèi)的有效性。通對(duì)某飛行目標(biāo)的跟蹤測(cè)距實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,同時(shí)結(jié)合差分GPS地面標(biāo)定實(shí)驗(yàn),從測(cè)距能力、測(cè)距精度和準(zhǔn)測(cè)概率三個(gè)方面驗(yàn)證了測(cè)距系統(tǒng)的性能。
【圖文】：

測(cè)量脈沖回波光強(qiáng)獲得距離信息，而是通過(guò)調(diào)制手段對(duì)發(fā)射激光的相位進(jìn)行調(diào)制，然后逡逑測(cè)量調(diào)制激光往返于被測(cè)目標(biāo)距離的相位差，間接求得目標(biāo)距離［２６］。相位法激光測(cè)距原逡逑理示意圖如圖１．２所示。設(shè)激光信號(hào)的調(diào)制頻率為／，調(diào)制波長(zhǎng)為；ｌ＝ｃ／／，式中ｃ是光逡逑速。光波從發(fā)射到被反射回來(lái)，產(chǎn)生的相位移是由于相位是以２；：為模數(shù)的，相移逡逑可寫為：逡逑ｃｐ邋＝邋２ｍｎ邋＋邐＝邋２ｎ（ｍ邋＋邋Ａ／ｎ）邐（Ｕ）逡逑上式中，ｍ是零或正整數(shù)，Ａｍ是小數(shù)，Ａｍ邋＝邋Ａｐ／２；ｒ。逡逑被測(cè)距離ｉ：可寫為：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邐（卜３）逡逑ｔ表示從激光發(fā)射到接收到回光的時(shí)間間隔。如果測(cè)得光波相移表達(dá)式中的整數(shù)ｍ逡逑和小數(shù)Ａｍ，就可以由此確定被測(cè)距離Ｌ。由（１－３）式可以看出，被調(diào)制的光波可以被逡逑認(rèn)為是一把“光尺”，調(diào)制信號(hào)的波長(zhǎng)義就是該尺子的長(zhǎng)度。逡逑Ｉｎ逡逑邐邋邐逡逑調(diào)制頻率ｈ激光器ｆ＼ＡＡＡ／＼逡逑邐ＩＭｍＪ邋Ｌ＿Ｍ＿｜邐角錐棱鏡逡逑Ａ＜ｐ逡逑圖１．２相位法激光測(cè)距原理示意圖逡逑相位檢測(cè)一般只能檢測(cè)到兩信號(hào)間不滿一個(gè)周期的相對(duì)相位差Ｗ，如果公式（１－２）逡逑中的ｍ不為零，現(xiàn)有的檢測(cè)相位差的方法是無(wú)法得知實(shí)際相位大小的，也就無(wú)法測(cè)得目逡逑標(biāo)的距離。因此相位法的測(cè)量距離必須限制在調(diào)制波長(zhǎng)的一半之內(nèi)，要測(cè)量較長(zhǎng)的距離，逡逑就要使調(diào)制波長(zhǎng)變長(zhǎng)。這樣

飛行目標(biāo)激光測(cè)距技術(shù)研究天基激光測(cè)距對(duì)亞ｃｍ量級(jí)空間碎片信息的獲取極為有效，但由于天基設(shè)備統(tǒng)復(fù)雜導(dǎo)致目前對(duì)空間目標(biāo)的信息探測(cè)主要依托地基激光測(cè)距。地基空間目系統(tǒng)具有搜索能力強(qiáng)和跟蹤定軌精度高的特點(diǎn)，由于測(cè)量距離遠(yuǎn)，，因此地基測(cè)一般在大氣條件好的山頂選址建立測(cè)站，盡可能得降低大氣對(duì)激光測(cè)距的２年，澳大利亞ＥＯＳ公司利用光學(xué)口徑０．７６ｍ的激光測(cè)距系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)１２５０ｋ為１５ｃｍ的空間碎片激光測(cè)距［３９］。隨后幾年，該澳大利亞Ｓｔｒｏｍｌｏ激光測(cè)距鏡口徑為１．８ｍ，使用重復(fù)頻率５０Ｈｚ、光束質(zhì)量為１．２倍衍射極限的高能量，進(jìn)一步提升了系統(tǒng)測(cè)距性能。同時(shí)，望遠(yuǎn)鏡采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)補(bǔ)償了大流的影響。２０１０年，Ｓｔｒｏｍｌｏ激光測(cè)距站在原有的測(cè)距系統(tǒng)基礎(chǔ)上，采用重０Ｈｚ、脈寬５ｎｓ的高能量脈沖激光器，成功獲取了邋１０００ｋｍ以上最小尺寸為５ｃ波數(shù)據(jù)，測(cè)距精度不低于１．５ｍｆ４Ｃ）］，代表了當(dāng)時(shí)國(guó)際空間碎片激光測(cè)距技術(shù)。＿逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)工程物理研究院
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN249

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;攔截飛行目標(biāo)的計(jì)算機(jī)[J];電子計(jì)算機(jī)動(dòng)態(tài);1963年01期

2 盧長(zhǎng)海;;掠海飛行目標(biāo)的雷遙協(xié)同跟蹤策略研究[J];電子科技;2016年04期

3 賈維敏,韋蔭康;精確計(jì)算飛行目標(biāo)速度的幾種方法[J];導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù);1998年03期

4 李興紅;向茜;;空中飛行目標(biāo)的三維姿態(tài)參數(shù)測(cè)量[J];導(dǎo)彈與航天運(yùn)載技術(shù);2017年03期

5 劉治彬,劉少剛,王述洋;飛行目標(biāo)自動(dòng)跟蹤系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜述[J];林業(yè)勞動(dòng)安全;2005年01期

6 曹蓓;周泗忠;馬彩文;唐慧君;閆e

本文編號(hào)：2630912