一种激光发射时刻动态控制方法技术

一种激光发射时刻动态控制方法。高重复频率（KHz）卫星激光测距中，激光脉冲发射时会被大气散射，此时如果恰有之前的脉冲从卫星返回，望远镜会同时接收散射噪声和返回信号，但返回信号因为太弱而被散射光子淹没，大大降低了系统的接收效率。通常采用最大固定延迟激光发射时间的方法，解决这一问题。本发明专利技术公开了一种基于激光沿不同俯仰角度发射时，受大气散射作用程度不同的原理，提出动态激光发射延迟时间的方案，相对最大延迟方法在提高系统信噪比的基础上，改善了固定延迟方法中观测点数的时间分布不均匀的缺陷，降低了激光器热平衡难以维持造成的系统不稳定。

【技术实现步骤摘要】
一种激光发射时刻动态控制方法
本专利技术涉及一种激光发射时刻动态控制方法，尤其涉及一种应用于卫星激光测距系统动态调整激光发射时刻的控制方法。
技术介绍
卫星激光测距（简称SLR）是一种出现于上个世纪60年代，利用激光测量卫星与地面观测站之间距离的技术，其单次测距精度可以达到毫米量级。近年来，采用高激光发射频率（KHz）、低脉冲能量的高重复频率SLR技术得到了广泛的应用，观测数据质量、卫星目标捕获率方面得到了较大的提高。大气中悬浮着很多大小不同的固体微粒和细小液珠，形成气溶胶。激光在通过大气时，会同大气分子或气溶胶等发生相互作用，使入射能量在各方向上重新分布，也就是大气散射。对于KHz激光测距，激光脉冲按照1ms的间隔发射，即前一个激光脉冲未从卫星返回，后续一系列的脉冲就准备或已经发射出去了。当某个激光脉冲发出的瞬间，在低层大气区域发生散射，而此时恰有激光脉冲即将返回时，系统会打开接收器件，会有部分后向散射的光子同时被探测器接收，则从卫星返回的微弱信号被大气散射的光子淹没了。对于测距的时间系统而言，此时激光脉冲发射（主波时刻）和从卫星返回的激光脉冲（回波时刻）发生的时刻较为临近，因此称为主、回波“交叠效应”。交叠现象的存在，一方面导致数据信号的淹没，另一方面由于接收器件的过度饱和，使其“死区”时间延长，最终影响SLR观测数据量。在一些较差的观测条件下，这种淹没效应可以使得目标丢失，从而更加影响数据回波率。目前的解决办法是通过计算预报，在交叠效应即将发生时，将激光发射时间加入一个固定的延迟量。如图1所示，横坐标为时间，纵坐标为观测距离值。在前半段时间内，共发生了4次“交叠效应”，在这段时间内信号被大量噪声淹没了；之后开启激光发射进行了固定延迟，则“交叠效应”被消除。一般情况下，考虑到底层大气的散射作用较为明显，选择激光延迟时间为50us（在某些大气污染严重的地区需要设置为100us）。如图2所示，观测站位于a位置，R1为地球半径，θ为跟踪卫星的俯仰角，L为位于a处的观测站激光发射的路径，则L穿过低层高密度大气（R2～R1的区域）。L可以表示为：按图2所示，路径L长度随θ角的变化而变。然而大气密度分布是不均匀性，靠近地表的密度大，因此同样高度上θ角越小后向散射越强。试验表明，卫星处于60º到天顶范围内只要将脉冲发射时刻延时20us即可基本消除噪声的干扰，而当卫星高度角小于20º时需要调整到50us才能收到良好的效果。当选择固定50us的延迟量（极端情况需要设置为100us）时，对于卫星俯仰角度较高的情况显得过大；另一方面延迟量的加入，破坏了激光脉冲原本在整毫秒（KHz重复频率）时刻发射的规律，影响数据的均匀性。同时，频繁的调整发射延迟，激光器内部热状态难以平衡，会造成激光器不稳定。
技术实现思路
本专利技术的目的就在克服激光发射时刻固定延迟，带来数据不均匀以及激光不稳定的弊端，提出了一种随观测目标俯仰角度变化的动态延迟方法，将延迟量对系统影响控制为最小。本专利技术的目的是这样实现的：将跟踪目标所处的俯仰角度进行分区，根据不同角度，设置不同的延迟量。在发生交叠情况时，针对不同俯仰角度，选择对应的延迟量。具体的说，按照以下步骤执行：（1）按15º间隔将俯仰角分割，各个角度的延时量如表1所示。表1激光发射延迟的动态调整序号俯仰角（度）延迟量（微秒）10－1555215－3050330－4545445－6035560－7530675－9020（2）在测距过程中，利用相关软件，根据星历预报计算卫星与观测站间的距离，对“交叠”进行预先判断。（3）当判断“交叠”现象即将发生时，根据望远镜的俯仰指向，实时查表，并对激光发射时刻进行相应的调整。所述表1中的数值为实测经验值，是根据观测站的大气环境，通过调整不同延迟量，保障不会发生“交叠”现象的统计值。所述星历预报，是通过互联网公开下载获得。所述的相关软件是一种自行编写的软件，其主要功能是根据观测站地理坐标和卫星星历预报，计算出之前发射的激光脉冲返回的时刻。所述激光器，为具备外触发功能的发光设备。即根据外触发脉冲信号产生同步的激光脉冲，通过调整触发信号的时刻即可调整激光器的出光时刻。本专利技术具有下列优点和积极效果：在“交叠”现象发生时，采用激光发射动态可变延迟的控制方法，有效的改善了激光观测数据时间疏密度分布不均匀的缺陷，同时改善了频繁调整延迟对激光器输出不稳定的影响。附图说明图1是“交叠效应”及激光发射时刻延迟对观测数据影响的效果图图中：1－大气后向散射对卫星激光观测产生影响的4次“交叠效应”2－开启激光发射自动延迟，“交叠效应”消失图2是激光穿越大气层路径长度随观测目标俯仰角变化示意图图3是激光脉冲发射动态延迟单元原理图图中：3－系统时钟，频率为10MHz4－延迟控制量数据总线5－KHz激光脉冲发射触发信号6－可编程延迟单元7－经延迟后的激光脉冲触发信号具体实施方式1，关于可变的延迟单元的实现根据图3所示，可编程延迟单元6，通过FPGA内部模块实现。控制计算机根据卫星星历预报，在发现即将有“交叠”发生时，对延迟控制量数据总线4输入一个延迟量，当KHz激光脉冲发射触发脉冲5到达后，可编程延迟单元6在经过相应的时间延迟，产生新的激光脉冲触发信号7。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种激光发射时刻动态控制方法，其特征在于：为抑制大气散射，在“交叠”现象发生时，采用动态可变激光发射时刻延迟的方法，在抑制大气散射对系统信噪比的影响基础上，使延时时间尽量短，以使观测数据分布尽量均衡，提高激光器系统的稳定性. 按下列步骤进行：①根据经验值，获得不同望远镜俯仰角度时对应的延迟量；②通过卫星预报星历，计算之前脉冲返回的时刻，与激光发射时刻进行比对，判断“交叠”发生的可能性；③在“交叠”即将发生时，根据望远镜俯仰角对应的延迟量，延迟激光脉冲发射，从而避免“交叠”发生。

【技术特征摘要】
1.一种激光发射时刻动态控制方法，其特征在于：为抑制大气散射，在“交叠”现象发生时，采用动态可变激光发射时刻延迟的方法，在抑制大气散射对系统信噪比的影响基础上，使延时时间尽量短，以使观测数据分布尽量均衡，提高激光器系统的稳定性；按下列步骤进行：根据经验值，获得不同望远镜俯仰角度对应...

【专利技术属性】
技术研发人员：王培源，郭唐永，朱威，李欣，邹彤，
申请(专利权)人：中国地震局地震研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42