【摘要】：隨著激光器技術(shù)和光電探測器的發(fā)展,激光測距技術(shù)廣泛應(yīng)用于空間碎片探測、衛(wèi)星激光測距、空間交會對接、航天器自主著陸和靶場光電測量中。激光測距技術(shù)因其具有測量精度高,作用距離遠(yuǎn),布站位置靈活和數(shù)據(jù)處理實時性好等突出特點,逐漸成為靶場飛行目標(biāo)測量的重要手段。激光測距技術(shù)在國內(nèi)外的研究已經(jīng)比較成熟,但對于飛行目標(biāo)激光測距的應(yīng)用和系統(tǒng)設(shè)計仍有很多問題需要深入的研究和探討:(1)飛行目標(biāo)激光測距誤差成因及修正方法;(2)目標(biāo)形狀及姿態(tài)變化對測距精度影響問題(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)脈沖激光測距系統(tǒng)的最優(yōu)化設(shè)計問題等。為此,本論文主要針對目前單站式飛行目標(biāo)軌跡測量系統(tǒng)中激光測距存在的問題開展理論和實驗研究,為進一步的工程研制和應(yīng)用打下基礎(chǔ)。主要研究內(nèi)容如下:本文首先從系統(tǒng)原理與組成的角度分析了測距系統(tǒng)各個單元設(shè)計方法,進行了測距系統(tǒng)主要參數(shù)和性能的分析。理論研究了飛行目標(biāo)激光測距的各種誤差源及其對測距精度的影響。計算了飛行目標(biāo)激光測距系統(tǒng)各主要參數(shù)的誤差分配,為系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計和誤差修正奠定了理論基礎(chǔ)。針對飛行目標(biāo)表面形狀及姿態(tài)變化對測距精度影響的問題,深入分析了飛行目標(biāo)的脈沖激光測距回波過程,建立了一種通過飛行目標(biāo)的反射特性、表面形狀及姿態(tài)信息計算回波脈沖時域分布的理論模型。提出了三維目標(biāo)脈沖激光測距的“微分投影截面分布”的概念,簡化了目標(biāo)回波時域功率分布的卷積計算過程,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。對典型飛行目標(biāo)進行了測距回波仿真,得到了脈沖展寬和測距誤差隨姿態(tài)角變化的規(guī)律。為飛行目標(biāo)回波畸變測距誤差的分析和修正提供了理論依據(jù)。針對飛行目標(biāo)激光測距的回光數(shù)據(jù)穩(wěn)定性較差的問題,建立了飛行目標(biāo)激光測距準(zhǔn)測概率的理論計算模型。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)距離對準(zhǔn)測概率的影響,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)誤差對準(zhǔn)測概率的影響,并給出了測距系統(tǒng)在不同瞄準(zhǔn)精度下的最佳發(fā)散角設(shè)計范圍。針對激光測距系統(tǒng)需求的系統(tǒng)指標(biāo)參數(shù),總體設(shè)計了飛行目標(biāo)脈沖激光測距系統(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)探測光學(xué)系統(tǒng)、多光軸一致性校準(zhǔn)和探測電路幾個方面進行了詳細(xì)的設(shè)計和分析。最后,設(shè)計了固定模擬目標(biāo)測距回波特性實驗和無人機靶板目標(biāo)跟蹤測距實驗,實驗結(jié)果表明本文建立的三維目標(biāo)脈沖激光測距回波計算模型和飛行目標(biāo)激光測距準(zhǔn)測概率計算模型在一定誤差范圍內(nèi)的有效性。通對某飛行目標(biāo)的跟蹤測距實驗數(shù)據(jù)分析,同時結(jié)合差分GPS地面標(biāo)定實驗,從測距能力、測距精度和準(zhǔn)測概率三個方面驗證了測距系統(tǒng)的性能。
【圖文】：

測量脈沖回波光強獲得距離信息，而是通過調(diào)制手段對發(fā)射激光的相位進行調(diào)制，然后逡逑測量調(diào)制激光往返于被測目標(biāo)距離的相位差，間接求得目標(biāo)距離［２６］。相位法激光測距原逡逑理示意圖如圖１．２所示。設(shè)激光信號的調(diào)制頻率為／，調(diào)制波長為；ｌ＝ｃ／／，式中ｃ是光逡逑速。光波從發(fā)射到被反射回來，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間間隔。如果測得光波相移表達(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)制信號的波長義就是該尺子的長度。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相位法激光測距原理示意圖逡逑相位檢測一般只能檢測到兩信號間不滿一個周期的相對相位差Ｗ，如果公式（１－２）逡逑中的ｍ不為零，現(xiàn)有的檢測相位差的方法是無法得知實際相位大小的，也就無法測得目逡逑標(biāo)的距離。因此相位法的測量距離必須限制在調(diào)制波長的一半之內(nèi)，要測量較長的距離，逡逑就要使調(diào)制波長變長。這樣

飛行目標(biāo)激光測距技術(shù)研究天基激光測距對亞ｃｍ量級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)致目前對空間目標(biāo)的信息探測主要依托地基激光測距。地基空間目系統(tǒng)具有搜索能力強和跟蹤定軌精度高的特點，由于測量距離遠(yuǎn)，，因此地基測一般在大氣條件好的山頂選址建立測站，盡可能得降低大氣對激光測距的２年，澳大利亞ＥＯＳ公司利用光學(xué)口徑０．７６ｍ的激光測距系統(tǒng)，實現(xiàn)了對１２５０ｋ為１５ｃｍ的空間碎片激光測距［３９］。隨后幾年，該澳大利亞Ｓｔｒｏｍｌｏ激光測距鏡口徑為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，進一步提升了系統(tǒng)測距性能。同時，望遠(yuǎn)鏡采用自適應(yīng)光學(xué)技術(shù)補償了大流的影響。２０１０年，Ｓｔｒｏｍｌｏ激光測距站在原有的測距系統(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)，測距精度不低于１．５ｍｆ４Ｃ）］，代表了當(dāng)時國際空間碎片激光測距技術(shù)。＿逡逑
【學(xué)位授予單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN249

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本文編號：2630912