用于卫星-卫星跟踪的飞秒光频梳相干激光雷达技术研究

卫星-卫星跟踪技术被视为当今重力场探测最有价值的研究技术之一，其中最核心的设备即高分辨率（50um量级）的星间测距系统。传统的微波星间测距系统受限于发射源的长波长，导致分辨率难以提高，因而用激光代替微波实现高精度卫星-卫星跟踪已成为发展趋势。近十年发展起来的飞秒光频梳激光器因其特有的宽光谱为高分辨率距离测量提供了一条捷径。本项目即采用飞秒光频梳激光器作为光源，通过相干检测、差分色散补偿，多普勒频移获取的方法来获取目标距离及速度信息。主要研究内容包括建立飞秒光频梳相干测速测距系统的理论模型，模拟仿真系统性能；并针对特定的星间应用环境，优化设计系统参数；以及搭建一套基于该原理的实验装置。既从理论上走通该技术路线，又通过实际实验效果检验该技术路线的可行性、优越性。为我国未来具有自主知识产权的卫星-卫星跟踪技术打下扎实理论基础以及积累丰富实践经验。

地球重力场信息的精确获取被认为是对地球科学最具价值的贡献之一。下一代重力场探测载荷将通过激光对卫星-卫星之间的精密跟踪来实现。飞秒光频梳因其特有的超宽光谱特性为高精度的距离测量打开了一扇窗。本项目旨在从原理和实验两个方面同时对基于差分色散补偿的飞秒光频梳测距方法进行了验证；在理论上和传统互相关法进行了比较；并针对卫星-卫星跟踪的特殊应用背景，对系统参数进行了优化。. 项目研究期间，项目组成员以第一/通讯作者身份发表SCI论文5篇，EI论文2篇，获授权发明专利1项，培养研究生1名。具体研究结论为：. 1）基于传统互相关技术的测距理论和基于差分色散补偿的测距理论，这两种测距方法均能实现优于0.65um的测距精度，以及脉冲间隔的模糊距离。基于传统互相关技术的测距理论为产生可靠的互相关强度曲线，需硬件上在脉冲间隔长度内逐步改变光程，扫描步长分辨率需达到亚微米量级，这样一次完整的测量需在硬件上改变光程的次数达到1E6量级。而基于差分色散补偿的测距理论无需在硬件上改变光程。相干信号按照光谱被分为N个通道，每个通道分别实施相位补偿后再进行相干叠加。所有的信号处理均在软件中完成。研究结果表明通道数目的影响较通道间隔和通道带宽要显著得多。另外，通道间隔应为脉冲重复频率的整数倍，和整数倍的偏离关系要小于1.5%，若不能满足该条件，光程差需控制在一个脉冲间隔内。另外，脉冲重复频率的抖动范围需控制在1E-4以下。. 2）以该应用背景下典型卫星间距50km为例，结合结题报告中表1的固定参数列表，得到的优化系统参数为出射本振平均功率10mW（即参考光），出射信号平均功率为400mW，接收望远镜有效口径为400mm。. 3）搭建的实验系统能够真实反映系统光程差，验证了基于差分色散补偿的飞秒光频梳测距理论的有效性。受限于采样示波器的采样深度,采集速率的影响，验证实验系统软件补偿光程差范围为3.1mm（即光程差测量范围为3.1mm），模糊距离为0.5mm，测距精度为5um。若能精确获知传输介质在光谱范围的群折射率，则可进一步提高测距精度。. 本项目的研究成果为基于差分色散补偿的飞秒光频梳测距方法奠定了较好理论、实验基础，为卫星-卫星间的精密跟踪提供了一种新途径。