卫星激光测距回波强度和信噪比提高的偏振方法研究

It is necessary to ascend echo intensity and signal-to-noise ratio for improving detection capability of laser ranging to target with weak echo, using laser polarization is one of the possible ways. This project will implement a corner reflector ajusting device which can analog the satellite movement, then research the relationship between cross-section and incident laser ploarization vector, and the polarization vector of the returning laser varying with incident laser ploarization vector based on the laser ranging experiment to corner reflector.After the development of fast and accurate laser polarization adjusting device, we will carry out the laser ranging measurement to some important satellites,to establish the model of cross-section of these satellites varying with incident laser ploarization vector and to explore the method to filter unpolarized noise for improving the signal-to-noise ratio according to the polarization vector of the returning laser. This work will helpful for enhancing the detection capability of laser ranging, reducing the technical difficulty of laser ranging to target with weak echo, extending applicantions of laser ranging technology ,at the same time, providing a scientific basis for the corner-reflector performance optimization design , supporting well the deep space exploration and space mission in china.

增加回波强度与信噪比是提升激光测距技术对微弱信号探测能力的必要手段，利用激光偏振信息是可能的途径之一。本项目拟建立角反射器多维调整装置，通过对其开展激光测距试验，研究卫星散射截面（正比于回波强度）与入射激光偏振方向的关系以及返回激光偏振方向随入射激光偏振方向变化的关系，并在研制快速精确激光偏振方向调整装置的基础上，利用上海台已有的卫星激光测距系统，开展空间重点卫星的激光测距，以期建立这些卫星散射截面随入射激光偏振方向的变化模型及返回激光偏振方向模型，并探索根据返回激光偏振方向实现对非偏振噪声抑制、提高信噪比的方法。本项目研究，可为提升空间目标激光测距的回波强度与信噪比提供一种方法，有助于突破远距离激光测距或非合作目标激光测距技术，扩展激光测距技术的应用领域，同时为角反射器性能的优化设计提供科学依据，提升我国激光测距技术水平，并为我国深空探测及航天任务等国家重大专项提供重要技术保障。

为实现远距离或小尺寸空间目标的高精度激光测距，如激光测月、空间碎片激光测距，需提升回波强度及系统信噪比。通过增加接收望远镜大口径或激光器输出功率是有效的但代价太高，有必要研究其他手段来进一步提升探测能力。卫星激光测距（Satellite Laser Ranging, SLR ）常使用线偏振激光作为光源，其工作原理仅是应用激光的光强信息来实现高精度测距，而作为光的三大特性之一偏振却很少研究，但激光偏振特性已在多个学科产生了积极影响，也有文献展望了偏振在SLR中的影响及探测能力提升方面的可能应用。为此，本课题提出开展SLR回波强度和信噪比提升的偏振方法研究，通过激光测距实验，建立出射、返回激光的偏振方向模型，以及重点卫星散射截面随入射激光偏振方向的变化关系，并探索回波强度和信噪比提高的偏振方法。.项目执行过程中，通过激光测距试验，研究了发射光路以及反射器对激光偏振方向的传递关系，建立了发射激光和返回激光的偏振方向随望远镜位置的变化模型，并在光束指向精度提高方面获得应用；仿真分析了反射器随入射激光偏振方向变化的远场衍射光斑图（FFDP），并在同步轨道卫星Compass-G1目标测量中获得验证，探索了散射截面与入射偏振方向的关系，后续可应用于SLR的回波强度提升。此外，在不影响项目研究内容的前提下，完成了两项与SLR相关的偏振技术应用。利用偏振光学搭建激光能量衰减系统，替换传统中性衰减装置，完成地靶校准与卫星测量的自动切换，由于地靶测量与卫星测距光路的一致性，使得系统能够维持更好的系统差；利用偏振光学构建的能量衰减装置可连续衰减激光能量，成功实现探测器时间游动的提取，对于研究系统差有很好的参考价值。.本项目基本按照计划执行，完成了既定的研究内容和目标，相关研究成果也在上海台的SLR系统中获得应用，使系统的数据质量和测量能力获得很大提高，成为国内唯一满足国际ILRS数据质量标准的站点。