遥感SiCH-2卫星光学系...“猫眼”效应的卫星激光测距_龙明亮.pdf

龙明亮，张海峰，林海生，吴志波，邓华荣，秦思，张忠萍.2023.遥感 SiCH-2 卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距.地球与行星物理论评（中英文），54（5）：581-586.doi：10.19975/j.dqyxx.2022-061.LongML,ZhangHF,LinHS,WuZB,DengHR,QinS,ZhangZP.2023.CatseyeeffectforsatellitelaserrangingbasedontheopticalsystemofremotesensingsatelliteSiCH-2.ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysics,54(5):581-586(inChinese).doi:10.19975/j.dqyxx.2022-061.遥感 SiCH-2 卫星光学系统“猫眼”效应的卫星激光测距龙明亮1*，张海峰1,2，林海生3，吴志波1,2，邓华荣1，秦思2，张忠萍1,2,41中国科学院上海天文台，上海2000302中国科学院空间目标与碎片观测重点实验室，南京2100083上海大学计算机工程与科学学院，上海2004444华东师范大学精密光谱科学与技术国家重点实验室，上海200062摘要：乌克兰地球遥感卫星 SiCH-2 由 2011 年发射升空，目前已停止工作，处于失效失控状态，作为空间碎片目标由北美防空司令部（NORAD）提供两行根数（TLE）预报.本文分析了光学系统的“猫眼”效应，以上海天文台卫星激光测距（SLR）系统实现对 SiCH-2 卫星进行激光测距，测量回波强度大，测距精度优于 10cm.测距能力表明 SiCH-2 对激光反射回波达到合作目标带反射器的卫星激光测距水平，与光电探测设备“猫眼”效应分析的探测能力相当，测距数据结果表明该卫星处于自转状态，自转周期为 4.3s.本文国内外首次实现基于“猫眼”效应对在轨目标的激光测距，为远距离空间目标的探测提供了新的方法，促进高精度激光探测技术的应用发展，有利于对失效或轨道异常的光学系统类光电探测系列卫星进行监视监测.关键词：卫星激光测距；空间碎片；光电探测设备；“猫眼”效应doi：10.19975/j.dqyxx.2022-061中图分类号：P129文献标识码：ACats eye effect for satellite laser ranging based on the optical system ofremote sensing satellite SiCH-2LongMingliang1*,ZhangHaifeng1,2,LinHaiSheng3,WuZhibo1,2,Denghuarong1,QinSi2,ZhangZhongping1,2,41ShanghaiAstronomicalObservatory,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200030,China2KeyLaboratoryofSpaceObjectandDebrisObservation,ChineseAcademyofSciences,Nanjing210008,China3SchoolofMechatronicEngineeringandAutomation,ShanghaiUniversity,Shanghai200444,China4StateKeyLaboratoryofPrecisionSpectroscopy,EastChinaNormalUniversity,Shanghai200062,ChinaAbstract:RemotesensingsatelliteSiCH-2fromUkrainewaslaunchedin2011.Atpresent,ithasstoppedworkingandisoutofcontrol,andithasbeenforecastedtobecomespacedebrisbyatwo-lineroot(TLE)fromtheNorthAmericanAirDefenseCommand(NORAD).Here,thecatseyeeffectoftheopticalsystemisanalyzed,andthesatellitelaserranging(SLR)systematShanghaiObservatoryisusedtomeasuretheechointensityofsatel-liteSiCH-2,whichisverystrong,andtherangingaccuracy,whichisbetterthan10cm.Theanalysisofthemea-surementcapabilityresultsshowsthatthelaserreflectionechofromsatelliteSiCH-2reachesthelaserranginglevelofthesatellitewiththereflector,andisconsistentwiththedetectionabilityofthephotoelectricdetectionequip-收稿日期：20220805；录用日期：20220914基金项目：上海市自然科学基金面上资助项目（20ZR1467500）；国家自然科学基金资助项目（12003056，11903066）；上海市科技创新行动仪器共享配套操作与应用资助项目（21142201900）SupportedbytheNaturalScienceFoundationofShanghai(GrantNo.20ZR1467500),NationalNaturalScienceFoundationofChina(GrantNos.12003056,11903066),andShanghaiScienceandTechnologyInnovationAction(GrantNo.21142201900)*通信作者：龙明亮（1989-），男，副研究员.主要从事卫星/空间碎片激光测距技术及应用研究.E-mail：F_CEO_第54卷第5期地球与行星物理论评（中英文）Vol.54No.52023年9月ReviewsofGeophysicsandPlanetaryPhysicsSep.,2023mentcatseyeeffectanalysis.ThemeasurementresultsalsoshowthatsatelliteSiCH-2isinastateofrotation,withaperiodof4.3s.Inthisstudy,thelaserrangingofon-orbittargetsbasedonthecatseyeeffectisrealizedforthefirsttime,whichprovidesanewmethodforanalyzinglong-distancespacetargets,promotestheapplicationanddevelopmentofhigh-precisionlaserrangingtechnology,andisbeneficialtomonitorthephotoelectricdetec-tionseriesofsatellitesthatfailorhaveabnormalorbits.Keywords:satellitelaserranging;spacedebris;photoelectricdetectionequipment;catseyeeffect0引言卫星激光测距（satellitelaserranging,SLR）充分利用激光的波长短、方向性好、单色性好等特点，通过精确测量脉冲激光从地面观测站坐标到卫星反射器的往返时间，获得卫星与站点之间的高精确距离，其测距精度达毫米级，是轨道空间目标测量技术中精度最高的，在空间目标高精度定轨（罗青山等,2016;Ohetal.,2017;Shaoetal.,2020;谢俊峰等,2016）、地球参考框架（Boninetal.,2018）、地球重力场（张岚和孙文科，2022）、相对论验证（Lucchesietal.,2015）、高精度激光时间传递比对（SchreiberandKodet,2018）等领域科学研究广泛应用，为卫星导航系统（Zhangetal.,2020）、载人航天及深空探索探测（Courdeetal.,2017）等重大国家专项的突破提供重要可靠的测量数据支持服务.在天宫二号的精密轨道定轨（POD）的应用中，采用 SLR 测量数据达到了 1.7cm（Shaoetal.,2020），同时北斗导航卫星中 SLR 定轨残差均方根值（RMS）可优于 1cm.在卫星上搭载的可见光、红外和微波等传感器的地球观测遥感卫星是地球表面与近地空间电磁辐射数据、地球资源和环境信息等收集研究的重要空间观测技术，在陆地自然资源、海洋生态环境、气象灾害等诸多领域得到全球各国的广泛应用（杜晓辉和张学民，2021；罗青山等，2016；孙伟伟等，2020；谢俊峰等，2016）.光电技术的应用提高了光电探测设备系统应用性能，但其本身的光学系统也存在着“猫眼”效应，使得光学镜头比漫反射体的后向散射光强可高出几个数量级（李旭东等，2022；赵勋杰等，2003）.乌克兰地球遥感卫星SiCH-2 是现代典型的地球观测遥感卫星，因寿命到期已经失效，被作为空间碎片目标由北美防空司令部（NORAD）提供两行根数（TLE）预报，TLE 预报精度一般在千米级，本文将采用 TLE 预报，分析“猫眼”效应，基于上海天文台 SLR 站对其进行激光测距.1“猫眼”效应分析在夜间猫的眼睛看起来很亮，原因在于光线通过猫的眼睛瞳孔后射到眼底上，再由眼底的反射，使光束原路返回，此时看到猫的眼睛就显得比较亮，即为“猫眼”效应.同样地对于光电设备，光学系统焦平面上的光电探测器表面对正入射来的激光将按光的可逆性原理，使其原路返回，从而获得方向性好、亮度高的后向反射的激光.即聚焦功能的透镜和镜面反射的光敏面使光电设备系统对入射激光的逆反射起到了类似“准直”作用（Shengetal.,2022a,2022b），使激光回波强度比其他的目标（或背景）反射的回波强度高（都元松等，2018）.图 1 为具有“猫眼”效应的光路示意，光电设备光学系统由物镜和焦平面处的光敏面构成，光学系统近似为一个没有像差与衍射的系统，则远处平行光轴的光束 AB（A1B1）将汇聚在焦平面 F 点.由于光学系统具有轴对称性，这样由焦平面 F 点的反射光将以镜面反射的方式沿 A1B1（AB）光路原路返回，以上反射类似于角反射器，设光学系统有效孔径为 D，焦距为 f，采用几何光学原理可推出对反射截面有贡献的有效作用孔径 D1为（李旭东等，2022）：D1=Dff+2d(1)其中，d 为离焦量，从（1）式中可得离焦量与有效作用孔径成反比.在垂直正入射下，由几何光学可计算出离焦量 d 的回波发散角为：1=2arctanDd(f+d)2(2)由上式可见光学系统焦距越长，对应的回波发散角越小，后向反射的光越强.由镜面反射激光雷达方程的光子回波功率 Ps：Ps=16P0ArAssTrTs22021R4(3)Ar其中 P0为测量系统发射激光的功率，0为激光发散角，1为目标反射的激光回波发散角，为接收582地球与行星物理论评（中英文）2023年AssTrTs系统的有效接收面积，R 为目标与观测测量点之间的距离，为被测目标的光学系统的有效作用截面积，为目标光学系统的反射系数，双程大气透过率为，发射光学与接收光学系统效率为.而由漫反射的目标激光雷达方程的光子回波功率 Pr：Pr=2P0ArALcosTrTs220R4(4)AL其中，为漫反射目标有效截面积，为反射系数，由此具有“猫眼”效应的光学系统目标回波与漫反射目标回波功率比为：PsPr=8AssAL21(5)式中，在垂直正入射且有效截面积相等及反射率相同的条