[发明专利]千赫兹共光路卫星激光测距光学装置

说明书

技术领域

本发明属于激光测距系统，特别是采用同一台望远镜发射激光和接收回波的共光路卫星 激光测距系统。

背景技术

卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，简称SLR)主要用于人造卫星精密定轨、 天文地球动力学、大地测量学、相对论验证等领域的研究，其原理是：从地面测距站向装有 后向反射器的人造卫星发射激光脉冲，经过卫星反射器反射后，由地面测距站的望远镜接收， 精确测定激光脉冲从地面测站到人造卫星的往返时间间隔t，通过光速C计算地面测距站到 人造卫星的距离L，其关系如下：

L=12Ct]]>

为了提高卫星激光测距系统的测距精度、增加观测数据量和增强测距能力，近年来千赫 兹半导体泵浦激光器开始应用于卫星激光测距，将卫星经过测站上空进行一次观测的单圈测 距回波数由几千个增加到几万个，测距精度提高到毫米级甚至亚毫米级，更容易测量到2 万公里以上的高轨道卫星，使激光测距技术达到一个新的高度。

激光测距的光学系统有分光路方式和共光路方式。分光路卫星激光测距光学系统一般使 用小于200mm小口径望远镜发射激光，使用另一台较大口径的望远镜接收回波，国际上大多 数测站都采用这种方式。共光路卫星激光测距则采用同一台望远镜发射激光和接收回波，拥 有大口径测距望远镜的测站基本都采用共光路测距方式，这种光路传统的关键设备是以一定 速度旋转的转镜。激光发射时转镜反射面不在光路中，激光通过望远镜发射出去；回波接收 时转镜反射面切入光路中，将回波光反射进入回波接收系统，实现同一台望远镜发射激光与 接收回波的切换。但是，转镜的转动惯量比较大，其主轴角速度连续地作周期性变化产生的 动压力附加在接收系统的各运动副上会影响回波接收，尤其主轴速度过高时引起弹性振动增 强，一方面会使转镜镜面法线发生偏转，导致回波反射损失；另一方面会带动整个光学系统 振动，严重影响光学系统的稳定性。同时，在该光路中激光发射必须与转镜同步，而转镜主 轴速度的限制也相应地限制了激光发射频率，因此，目前国际上共光路测距方式的测距频率 一般都低于100赫兹，尚未实现千赫兹频率测距。

发明内容

本发明的目的是克服光路结构对激光发射频率的限制，在测距望远镜后续光路中分别安 置激光发射光路和回波接收光路，并在回波接收光路中采用旋转快门从而使测距频率可在一 至四千赫兹内任意选择，同时，利用旋转快门遮挡激光发射时刻的强散射光，消除强散射光 影响，从而提供一种实现千赫兹测距频率的共光路卫星激光测距装置。

本发明通过以下技术方案实现：

它包括激光发射光路与回波接收光路共用的反射式测距望远镜，并且，

包括激光发射光路与回波接收光路共用的反射式测距望远镜，其特征是：

(1)激光发射光路包括千赫兹激光器(8)、负透镜(9)、正透镜(10)和对接镜(11)， 其中，负透镜(9)与正透镜(10)之间的距离接近或等于二者焦距之和，负透镜(9)安 装在沿光轴平移的导轨上以调整激光发散角，对接镜(11)的反射光光路在偏离测距望远 镜光轴50mm的傍轴区域内以向测距望远镜反射经负透镜(9)和正透镜(10)扩束的准直 激光。

(2)回波接收光路，包括回波耦合透镜(12)、旋转快门(13)、准直透镜(15)、单光 子探测器(17)、窄带滤光片(16)，其中，回波耦合透镜(12)与准直透镜(15)共焦组成 无焦系统；旋转快门(13)是按等圆心角均匀划分有不透光叶片(18)的轻质圆盘，设置在 回波耦合透镜(12)的焦点前5mm处，由直流伺服电机(21)驱动其旋转；单光子探测器(17) 接收视场与回波接收光路共轴，其入瞳与无焦准直回波光束直径相互匹配；窄带滤光片(16) 设置于准直透镜(15)与单光子探测器(17)之间。

上述旋转快门(13)的不透光叶片(18)个数等于激光的最高发射频率与旋转快门(13) 转速之比值。

所述的旋转快门(13)不透光叶片(18)个数为20～80个，直流伺服电机(21)转速 为50转/秒。