[发明专利]一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置及增强方法

说明书

本发明公开一种激光测距的激光回波信号信噪比增强装置，该装置用于接收发射激光的激光回波或后向散射光，包括沿激光回波的光路走向在一光轴上依次排布的望远镜、增益泵浦放大模块、声光偏转调制器、小孔光阑、准直镜和探测器。本发明采用声光偏转调制器，从而实现对激光回波与大气后向散射的分离，实现对大气后向散射光的规避；同时采用增益泵浦放大模块实现对激光回波的光放大，增强了激光回波强度，减弱了后向散射光的噪声，提高了信噪比。

技术领域

本发明属于激光测距领域，更具体地讲，涉及一种用于太空碎片测距系统的激光回波光放大及信噪比增强装置和增强方法。

背景技术

随着空间技术的进步，人类进入和平太空的活动也不断增强，但是也产生了越来越多的太空碎片，太空碎片是指除正常工作的航天器外所有在轨的人造物体，包括完成任务的火箭箭体和卫星本体、火箭的喷射物、在执行航天任务过程中的抛弃物、空间物体之间碰撞产生的碎片等，也称“空间垃圾”。目前太空中毫米级以上的太空碎片数以亿计，总数量达到几千吨，全球已经向空中发射了6500多枚航天器，废弃卫星达到5000多颗，这些卫星随时有可能坠入地球。厘米级以上的太空碎片可以导致航天器彻底损坏，而毫米级或微米级太空碎片的撞击累计效应将导致航天器性能下降或者功能失效。太空碎片的存在严重地威胁着在轨运行航天器的安全，太空碎片的不断产生对有限的轨道资源也构成了严重的威胁。同时，太空碎片的陨落也将对地面人员与财产安全造成严重威胁。中国是空间大国，今后的空间活动将越来越多，特别是国内要发展载人航天和天基信息网，为了航天活动的安全和持续地开发利用空间资源，就必须不断发展对太空碎片跟踪监视的新技术，增强对太空碎片环境的分析预警能力。

太空碎片大概分布在离地面几百至几千公里的太空中，甚至更高的轨道。在激光测距系统，激光入射至太空碎片上，绝大情况为漫反射，即太空碎片对于地面发射激光的反射是各个方向的，导致太空碎片反射的激光反射到地面上的分布面积比较大，激光光子数密度极低，激光回波信号特别微弱。

单光子探测器能够实现对单个光子的响应，灵敏度高，很适合微弱光信号的接收，通常将其作为激光回波信号的接收器，实现远距离激光回波信号的探测。一方面由于太空碎片反射回来的激光回波信号特别微弱，很容易被背景噪声或激光大气散射光覆盖，信噪比比较低，增大了探测难度。另一方面，单光子探测器其工作时，当其探测到一个光子的时候，其就停止工作，后续光子将探测不到，而激光在大气传输过程中，受大气后向散射的影响，散射回来的光将经望远镜系统至单光子探测器，容易对太空碎片反射回来的激光回波造成干扰，导致后续的激光回波入射至探测器上时，探测器已经停止工作了，探测概率大大减弱，增大了太空碎片反射激光回波的探测难度；同时，当后向散射返回的光子数达到一定值时，容易造成单光子探测器的损坏，这样为了避免单光子探测器的损坏，发射激光的强度以及有效测量卫星的天气时间就受到了限制。也就使得太空碎片激光回波很难通过增强激光发射功率实现信号增强。

为充分的提高激光回波信号，一般采用电子电路的方法提高对激光回波的识别能力。赵子任，吕勇，牛春晖在2014年电子测量技术期刊第37卷第3期《基于锁定放大的激光回波探测系统》中将PIN光电二极管探测到的激光回波由前置放大电路和二级放大电路转换为电压信号并放大，再经带通滤波器滤除带外噪声，最后通过相敏检波电路，转换为与回波光强成正比的直流电压信号输出，抑制噪声，被测信号的信噪比得以改善。

同年安微奇瑞汽车股份有限公司公开了一种激光测距系统的回波信号放大电路(申请号201410298976.1)。该放大电路采用高带宽，高信噪比，高输入阻抗放大器，保证了光电转换后的回波信号不会淹没在噪声中。

以上两项技术均是从电子电路放大方面对激光回波信号进行处理增强信号的探测。电子电路对激光回波信号的放大，只是对激光回波光电转换的电信号进行放大的，受制于激光回波的强度，当激光回波的强度十分微弱的时候，达不到光电转换的转换临界要求时，很难探测到激光回波光信号，同时当背景光噪声比较强的时候，激光回波光信号被淹没在光噪声中，光电转换的电信号不是真实的激光回波信号，探测激光回波信号的失真度比较大。