空间光通信激光相干组束技术研究

介绍多种在输出功率得以提高的同时保持好的光束质量的激光相干组束技术原理.综合分析并评述激光相干组束技术研究状况,对主动相位控制和被动相位控制两种技术方案进行比较,基于主振荡放大的主动相位控制方案可以获得接近衍射极限、稳定、远场高亮度的光束,可为构建高效、可靠的长距离、高速率空间光通信系统提供技术支撑,对认识激光相干组束技术的发展趋势,研究空间激光通信系统具有一定的参考价值.     

高能激光光束质量的测量

高能激光广泛应用于科研、工业和军事等领域,其光束质量的精确计量对激光器性能的评价及化学和固体激光武器系统的作战效能的评估至关重要。提出一种高能强激光光束质量测量装置,能实时观察光束强度分布变化,通过数据处理系统可获得光束直径、束散角、光束指向稳定性及M2因子等光束质量参数,最后分析和讨论了各测量参数的测量不确定度。     

基于低轨稀疏星座的蓝绿激光对潜定位研究

潜艇只在必要时刻才浮出水面，对实时通信和导航定位造成极大制约。蓝绿激光具有深水穿透性高、衰减系数低等优势，已在机载和星载平台对潜艇通信中得到验证。借鉴GNSS导航信号产生原理，结合蓝绿激光通信测距一体化与低轨卫星自身精密定轨，提出了基于蓝绿激光通信的低轨卫星对潜定位算法。通过在激光通信中增加载波相位调制，实现潜艇激光接收器的伪距测量，联合其高程测量信息实现水下定位。以一带一路海域，特别是中国南海区域为服务对象，优化星座参数设计了3颗卫星组成的低轨稀疏星座。潜艇在星座覆盖区域内保持静态，间隔1~3min完成至少两次通信测距和导航电文接收，联合两组观测数据、精密星历及高程测量信息进行定位解算。仿真结果显示，在卫星过境期间，考虑卫星定轨精度，激光在空气、水下传播误差等因素，潜艇可在水下实现X、Z方向定位误差优于100m，Y方向误差约100~150m的高精度定位，对提升潜艇的战场作战能力具有意义。     

激光测距传感器光束矢向和零点位置标定方法

激光测距传感器常用于飞机壁板法向检测。为了解决激光测距传感器加工和安装误差导致的法向检测精度下降问题,提出和实施了一种利用几何数学模型和最小二乘法进行激光测距传感器光束矢向和零点位置标定的方法。首先,利用角度标定理论获取激光束与主轴进给方向的夹角。然后,借助激光跟踪仪建立坐标系,根据激光测距传感器射在与电主轴进给方向成不同夹角的平面上的测量值,利用几何数学模型计算出各激光点之间的相对坐标,运用最小二乘法拟合出激光束的空间方程,进而得到光束矢向和零点位置。最后,在航空制孔机器人平台上进行标定实验,并且根据标定结果进行了实验验证。实验结果证明:该方法能够较为准确地标定出激光测距传感器的光束矢向和零点位置,可使法向检测精度在0.18°内。      

基于波束分离技术的空间时延补偿方法研究

针对深空测控通信任务中,空间时延和地球自转使大型地面天线窄波束不能覆盖对应的轨道区域导致的通信链路质量恶化甚至中断的问题,提出了在波束波导馈电的多反射面天线中,通过改变收发馈源位置使上下行波束峰值分离并指向不同的位置实时改善通信链路质量的方法,给出了波束波导馈电系统中馈源位置与波束分离以及增益损失的关系。该方法可以准确地预计并通过改变上行发射馈源的相对位置,使上下行波束按照要求指向不同的位置以减小天线上行链路增益损失。以35 m深空测控通信天线为例进行仿真,在Ka波段34 GHz频率,当上下行链路波束分离达0.032 72°时,增益损失小于4.25 dB。该方法也可用于确定馈源的位移量来修正由于反射面天线结构变形或复杂的多反射面系统镜面位置误差等造成的天线波束误差。     

LHT40低功率霍尔推力器放电特性试验

为了获得300W级混合励磁模式低功率霍尔推力器的放电特性，采用一套高精度激光微推力测量装置和集成离子流诊断装置获得推力器不同工况下推力、比冲、效率、束流发散角和质量利用效率的变化特性。试验结果表明，推力器的推力、比冲、阳极效率在200～300V存在一个最大值；放电电流、放电电压呈现无阻尼谐波振荡特性，其一阶频率大约4.05kHz。在恒定电场和磁场下，推力器束流离子电流密度呈现双极扩散的结构；阳极流率增大至0.95mg/s时，离子电流密度呈现典型的双峰结构，质量利用效率与质量流率呈现正相关的特性。     

2010年5月4日夜间海口上空钠层密度的激光雷达观测研究

使用Nd:YAG激光器和泵浦染料激光器产生的589nm激光, 与中高层大气中钠原子产生共振, 利用直径为1000mm的望远镜接收钠层的光子回波. 研究中国海口市2010年5月4日夜间的中高层大气中钠层密度分布, 计算钠层的相对密度和绝对密度, 研究钠层密度峰值变化. 观测到突发钠层出现在23:52LT, 持续12min.      

新型高空探测系统

研发了一种新型全自动高空探测系统,其利用GPS定位,宽波瓣天线捕捉和低噪声接收的方法替代雷达或无线电经纬仪对高空探测仪进行跟踪定位和获取信息,具有不受低仰角的限制,目标不易丢失,性能价格比高等特点,成功将GPS应用于1680 MHz遥测数据传输体制.利用该系统进行了空中大气电场的探测实验,获得了满意的探测结果.由于系统轻便、操作简单、成本较低以及良好的机动性和可靠性,在近地空间环境探测和高空大气科学探测试验及常规的气象探测中有广阔的应用前景.     

Polarization imaging of dust cloud particles: Improvements and applications of the PROGRA2 instrument

The imaging system of the -PROGRA2 instrument allows to obtain maps of polarization and brightness of levitating dust clouds with a theoretical resolution of 10 μm per pixel. The measurements are conducted in microgravity during parabolic flights and on the ground by air-draught. It is then possible to measure the contribution of individual particles (grains, aggregates and agglomerates.) The size distribution can be retrieved, as well as the variation of polarization for a given phase angle with size for particles larger than 10 microns. Two different kinds of particles are considered: compact grains and (aggregates and agglomerates of) fluffy particles. Opposite results are obtained for these two kinds of particles, concerning the dependence of polarization with size and color in the visible domain for gray materials. These results, coupled with such remote sensing observations in the solar system, can then help to better understand the physical properties of solid particles and their variation in cometary comae, as well as in the Earth's atmosphere.     

对地观测卫星固定波束数据传输天线覆盖特性研究

从卫星系统设计入手,利用J2轨道模型及星地空间几何关系研究了太阳同步、近极圆轨道、三轴稳定对地观测卫星的星地数传无线链路,得到了在地面站作用范围内均衡接收的波束分布特性。研究结果表明卫星进、出地面站的周向分布是不均匀的,沿卫星飞行方向进、出地面站概率最大,而垂直于卫星速度方向,卫星进、出地面站概率最低;并分析了波导十字缝阵组合天线的覆盖特性。     

A study of backscattered spectra dynamics of agricultural crops during growth period on the territory of the Krasnoyarskii Krai (Russia)

The work presents the results of the study aimed at determining the seasonal dynamics of the spectral brightness and reflectance of agricultural crops (wheat, barley and oats) in the Krasnoyarskii Krai (Russia). The analysis of spectral curves obtained through field ground measurements and from satellite data showed that fine spectral differences can be used to study the spatial distribution of various types of vegetation and their ecological state. Based on the created electronic spectral brightness data base, the possibilities are shown of using spectrophotometric information for determining morphophysiological changes occurring in the plants and their species composition. The determined contrasts can be effectively used to obtain necessary information while processing space images, which suffer from natural interferences (varying optical thickness of the atmosphere, cloudiness, alterations in the scanner’s angle of view, varying solar height, and highly inhomogeneous underlying surface).     

传播效应对干涉仪的影响

以不同基线长度的干涉仪为准,从大气折射、二次波的影响和天线遮挡等三方面讨论了旋转综合孔径中的传播效应。文中给出了大气折射引起的超额路径差的估算式,地面反射波存在的条件和它引起的相位差计算式,以及考虑空隙不足有绕射损耗时天线遮挡的临界角的计算式。用一些典型数据计算了传播效应的影响,得出了一些主要结论。      

深空通信中利用GEO卫星的双跳下行链路特性研究

利用现有的地球静止轨道(GEO)卫星资源,构建深空通信中深空探测器到GEO卫星、再到地面站的双跳链路系统。在自由空间链路段载波宜采用较高频率以获得链路增益;在GEO卫星到地面站链路段宜采用10GHz左右的卫星通信窗口以规避大气的相关影响。与传统一跳链路相比,双跳链路系统可以获得更大的信噪比和信道容量,以及更小的误码率。采用现有的GEO地面天线完全能够满足深空通信的要求,提高了系统的可靠性。     

Ka频段低轨遥感卫星可变编码调制应用效能研究

分辨率的不断提高对低轨遥感卫星的星地数据传输能力提升提出了迫切需求,导致X频段星地数传通道压力急剧增加,而Ka频段可用带宽是X频段的4倍,理论上可大幅提升传输能力。当前低轨遥感卫星的星地数据传输通常采用固定编码调制（CCM）和可变编码调制（VCM）,均未利用地面站仰角增大时大气衰减减小所带来的信道条件改善,对链路资源造成浪费。针对此问题,对指定地面站和链路可用度,综合考虑自由空间损耗和大气衰减随接收仰角增加而同时减小的特性,提出基于DVB S2标准的Ka频段星上VCM系统实现方案,给出传输效能评估标准,并对降雨特性不同的喀什站、北京站、三亚站CCM,VCM的Ka频段传输效能进行了对比仿真分析,以寻找出适合不同站点的星地数传方案。仿真结果表明：干旱少雨的喀什站更适合采用CCM,且链路可用度高达99.82%;雨量中等的北京站可根据用户使用需求灵活选择CCM或VCM;而降雨丰富的三亚站更适合采用VCM,不仅可将传输效能提升8.37%,还可将链路可用度提升11.23%。     

基于对抗神经网络有限角度的磁层边界CT重构技术

对地球磁层进行软X射线成像探测是近年来磁层研究的前沿方向.由二维X射线成像图重构三维磁层边界的方法研究是与成像探测相关的重要研究课题.传统的计算机断层成像技术（CT）重构方法在图像数据很少时无法得到较好的重构结果，甚至无法重构三维结构.考虑到地球磁层空间分布范围方面的约束，当前卫星任务的轨道设计很难满足扫描角度的全方位覆盖，只能从有限角度观测磁层，这给磁层的CT重构带来困难.作为三维重构研究的基础，本文考查简化的二维磁层结构重构方法，采用基于对抗神经网络的CT技术对简化的地球磁层边界结构进行重构.首先使用改进的生成式对抗网络（GAN）对有限角度的卫星扫描图像进行图像补全，进而使用代数迭代重建方法（ART）重构磁层.实验表明，当扫描角度大于90°时，生成式对抗网络能有效准确地补全缺失图像，重构效果较好.      

Spectral response of Experimental Geodetic Satellite determined from high repetition rate SLR data

The design of the retroreflector array (RRA) of the fast spinning Experimental Geodetic Satellite (Ajisai) allows to determine orientation of its spin axis by means of frequency analysis. Moving spectral analysis (MSA) of the simulated Satellite Laser Ranging (SLR) data gives information about frequencies which can be obtained for the whole range of the incident angle between the laser beam vector and the spin axis of the spacecraft. This frequency signal changes as the incident laser beam crosses consecutive rings of the RRA.     

Synergistic use of multitemporal RAMP,ICESat and GPS to construct an accurate DEM of the Larsemann Hills region,Antarctica

An enhanced digital elevation model (DEM) of the Larsemann Hills region, east Antarctica, is constructed synergistically by using highly accurate ground-based GPS measurements, satellite-derived laser altimetry (GLAS/ICESat) and Radarsat Antarctic Mapping Project (RAMPv2) DEM-based point elevation dataset. Our DEM has a vertical accuracy of about 1.5 times better than RAMPv2 DEM and seven times better than GLAS/ICESAT-based DEM. The accuracy is improved by validating the RAMPv2 DEM elevation by supplementing with GLAS/ICESat and DGPS survey data, when compared to that of DEM constructed by using GLAS/ICESat or RAMPv2 alone. With the use of accurate GPS data as ground control points reference elevations, the DEM extracted is much more accurate with least mean RMSE of 34.5 m than that constructed by using a combination of GLAS/ICESat and RAMPv2 as true reference. The newly constructed DEM 7 achieves highest accuracy with the least average elevation difference of 0.27 m calculated using 46 ground reference points. Available DEMs of Antarctic region generated by using radar altimetry and the Antarctic Digital Database indicate elevation variations in the range of 50–100 m, which necessitates the generation of local DEM and its validation by using ground truth. This is our first attempt of fusing multi-temporal, multi-sensor and multi-source elevation data to generate a DEM of any part of Antarctica, in order to address the ice elevation change to infer the ice mass balance. Our approach focuses on the strengths of each elevation data source to produce an accurate DEM.     

雷达导引头跟踪低空目标仰角误差分析

雷达导引头跟踪低空飞行目标时,其仰角跟踪误差会受多径传播的严重干扰.一般的"小平面"方法计算漫反射时,采用均匀分割地形的方法,这种分割法在大擦地角,目标距离地面较低的情况下,误差较大,并且计算时间较长.提出了非均匀分割的改进的"小平面"法,分析了4条回波路径的影响.采用了闭环跟踪法计算仰角误差,并利用改进的"小平面"法计算电磁波在起伏地/海面上的漫反射,可以较为真实的模拟导引头在跟踪低空目标时的仰角跟踪误差,并可以大大缩短计算时间.     

空间惯性定向姿态卫星数传链路设计

对于采用空间惯性定向姿态的卫星,其在数传设备工作期间不能保证固定安装在星体上的发射天线波束准确指向地面站,这给有效载荷高速数传提出更高技术要求. 研究了这类卫星在轨运行时其姿态相对地面站的变化规律,利用STK软件提供的卫星轨道仿真分析结果,寻找数传天线波束中心轴的较好指向,得到不同天线波束宽度能够实现的卫星对地数传时间. 通过研制140°波束范围内0dBi增益天线,在链路设计上保证了传输速率85Mbit·s-1时有足够的余量. 在星载设备小型化约束（质量10kg、功耗80W）条件下,采用小型化宽波束天线以及固态功放解决了空间惯性定向姿态卫星的有效载荷数据传输问题,设计方案满足相关任务要求.      

嫦娥一号CCD立体相机数据光度校正

为更加精确拟合相函数系数, 得到较为准确的光度校正结果, 针对嫦娥一号CCD立体相机数据的特点, 对改进的Lommel-Seeliger模型中的Lommel-Seeliger因子进行修订, 使去除太阳入射角和传感器观测角影响的遥感图像数据能够更好地契合相位角的变化; 利用加入修订后Lommel-Seeliger因子的模型对嫦娥一号CCD立体相机数据进行逐像素光度校正; 选取同一轨道不同纬度和同一区域不同视角两组数据来验证算法的有效性和适用性. 实验结果表明, 该方法能够有效校正由于几何观测条件变化而引起的目标光谱特性的不一致性, 对于较亮和较暗区域的光度校正效果更为有效.