汽车轮毂激光测距

1、.宁波理工学院毕业论文（设计）开题报告 题 目 基于mc9s12xs128单片机的汽车轮毂激光测距 姓 名 丁 攀 学 号 3090433052 专业班级 09自动化（2） 指导教师 胡 超 分 院 信息技术与工程分院 开题日期 2013年3月7日 精品.第1章 文献综述基于mc9s12xs128单片机汽车轮毂激光测距1.1国内外激光技术的发展 激光(lightamplineationbystimulatedemissiononofradiation)，简称laser。随着电子技术，计算技术，激光技术和集成光学的发展,激光测距仪朝着数字化，自动化，小型轻便化方向发展。而随着小型专用计算机的发展

2、和应用，给激光测距仪的工作效率，测距精度和测量速度提供了发展平台。目前，市场上的手持式激光测距仪的工作物质主要有以下几种：工作波长为905lun和1540nm的半导体激光，工作波长为1064n-in的yag激光。1.2.1我国激光技术的发展 我国第一所光学专业研究所在1957年王大珩等人在长春建立的。王之江等人在1961年夏，研制成功了我国第一台红宝石激光器。此后，各种类型的固体，气体，半导体和化学激光器的研制如雨后春笋般涌现。同时，作为具有高亮度，高方向性，高质量等优异特性的新光源,激光很快应用于各个领域范围。如航天科工集团八三五八所研制出量程200m,数据率100hz的激光测距仪；中科院上

3、海光机所研制出对漫反射水泥墙的测距达100m，采用300mhz计数方式，测距精度0.5m，重复频率1khz的便携式激光测距机；常州莱赛公司研制了作用距离200m，测距精度0.5m的测距仪。中国计量学院信息工程系光电子所与国外合作采用4m品振,线性时间放大技术，测距为1km，精度士1m的低价，便携式半导体激光测距机。精品. 2002年陈千颂，霍玉晶等人对激光飞行时间测距的时一间间隔测量技术，时刻判别技术以及激光相位测距的相位调制技术进行了研究。2005年提出了一种自触发脉冲飞行时间激光测距的方法，其有效地解决了测距精度和缩短测量时间两者之间的问题。2005年中南大学成功研制出激光平直度自动测量系

4、统，达到国际先进水平，填补了国内的空白。 近些年对大量程的激光测距研究相对较少。一是因为其技术已经相对成熟。二是在测绘上一般要求量程适中且精度较高。相位法测距既解决了量程也解决了精度的问题，即采用多种频率调制方法来最终得到测量值。目前，相位法大量程激光测距仪能达到的量程1km-20km，最高精度：士(5mm+1pmmd)，单次测量时间:3s一10s。针对现状，今后发展趋势是在保证测距精度的前提下尽可能的提高测量速度。1.2.1国外激光技术的发展1960年7月，美国休斯飞机公司研制成功世界上第一台激光器红宝石激光器。1961年该公司又研制出第一台柯达利i型激光测距仪。1971年美国陆军首先装备了

5、an/gvs一3型红宝石激光测距仪。芬兰奥鲁大学电气工程系和芬兰技术研究中心，从20世纪70年代初至今持续了近35年，研究内容和产品涉及工业，航天，海洋及机器人视觉等多方面。90年代中期，如美国bushnen公司推出了量程为400m的400型ld激光测距机。yaddaga400，1997年评其为世界100项重要科技成果之一，同年又推出了量程为50om的800型激光测距机。美国lexica公司展出了实用的小型ld测距机，测量距离0.2-30m。对于短距离测量方面，国外有许多大学，研究机构和公司也开展了研究工作，并取得很大的进步。1.2研究方向激光测距是由各功能模块组合而成的高精度测量技术，在设计

6、的时候，应考虑各方面的因素影响。结合系统的功能指标需求，应该在经济实用的前提下，不断提高激光技术测距的性能。我们在进行具体设计的时候应该注意以下几点：精品.（l）技术的成熟性及先进性系统设计时必须采用成熟而先进的技术，使系统在今后一段时间内都处于领先地位，延长系统的生命力。（2）系统的可靠性数据的采集，数据的通讯都必须准确可靠，系统各部分的抗干扰、抗攻击能力要强，要求能适应各种恶劣的环境。（3）系统的方便性系统的构建、调试要尽可能方便，施工、安装要方便。系统一旦发生故障，维护工作量要少。4）要设计激光测距传感器与单片机的接口，完成激光测距的数据获取和处理；实现显示和具体应用。1.3进展情况近些

7、年来随着激光器技术的快速发展，得到了人们的关注和重视,其应用的领域十分广泛，用激光来实现测距的方法就是其中一种。由于传统的模拟激光相位测距系统的特征，对其为了保证测量相位精度高致使技术土，电路结构复杂且重量较重不易携带。针对以上情况本文根据课题所提出的要求，在对激光测距系统的了解基础之上，利用激光测距原理和单片机技术应用相结合，完成了相位式激光测距仪设计的理论即方案设计，指标论证，电路的硬件设计等工作。本设计以mc9s12xs128单片机为核心，详细分析设计了一款测趾精度高，测量速度快，性能稳定的激光相位测距仪。1.4存在问题目前市场上出现的测距仪己经十分成熟，包括接触式和非接触式。对于传统测

8、距仪来说，山于其属于接触式测距，因而实际应用不是很方便。对于非接触式测距仪其应用范围十分广泛,如采用超声波，雷达和激光来实现。从第一台激光器诞生开始，由于它的优质特性决定了其在各个领域中被广泛应用，本文旨在利用激光技术设计一款激光测距仪。由于在特殊的场合安全性能不够高，使得测距仪的使用受到一定的限制。根据自然环境及使用要求，故对激光测距仪的设计提精品.出较高的要求。第2章 开题报告2.1选题的背景和意义激光距离传感器可用于其它技术无法应用的场合。例如，当目标很近时，计算来自目标反射光的普通光电传感器也能完成大量的精密位置检测任务。但是，当目标距离较远内或目标颜色变化时，普通光电传感器就难以应付

9、了。虽然先进的背景噪声抑制传感器和三角测量传感器在目标颜色变化的情况下能较好地工作，但是，在目标角度不固定或目标太亮时，性能的可预测性变差。此外，三角测量传感器一般量程只限于0.5m以内。 超声波传感器虽然也经常用于检测距离较远的物体，而且由于它不是光学装置，所以不受颜色变化的影响。但是，超声波传感器是依据声速测量距离的，因此存在一些固有的缺点，不能用于以下场合待测目标与传感器的换能器不相垂直的场合。因为超声波检测的目标必须处于与传感器垂直方位偏角不大于10角以内需要光束直径很小的场合。因为一般超声波束在离开传感器2m远时直径为0.76cm。需要可见光斑进行位置校准的场合。 多风的场合。真空场

10、合温度梯度较大的场合。因为这种情况下会造成声速的变化。需要快速响应的场合。而激光距离传感器能解决上述所有场合的检测。精品.2.2研究的基本内容与拟解决的主要问题 （1）激光测距模块参数设置，实现特定应用的参数设置与动态调整；（2）rs-232串口连接接口设计，通信调试；（3）单片机硬件系统设计，实现激光测距模块的连接、显示和控制；（4）激光测距数据与pc机串口通讯软件设计，完成完整测距功能。首先介绍了基于mc9s12xs128单片机汽车轮毂激光测距的目的及意义，介绍了当前国内外激光测距技术发展的现状，并分析了几种广泛的激光测距的原理及方式，最终结合实际要求选取了三角法激光测距。论文要设计mc9

11、s12xs128单片机系统实现对激光测距模块的通信、控制和数据显示，保证距离测量的准确性和可靠性，最终实现对轮毂的测量。2.3 研究方法和技术路线激光测距中，测量时间虽然原理，结构简单，但方法也多种，可分为直接和间接。这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。2.31 三角法激光测距仪三角法测距原理是当入射光与反射光构成光三角形，然后通过反射回来光束的位置来确定距离，三角法测量仪器主要由激光光源，成像透镜，光电探测器等组成，其中最重要的组成部分是传感器。其测量系统如图2-1所示。精品.图2-1三角法激光测距原理图经聚焦后激光束垂直入射到物体的某一点，光电探测器接收其漫反射光经成像透

12、镜形成光斑，距离变化z引起探测器光敏面上像点位移，该目标点的图像通过透镜汇聚到传感器上形成像点。当物体移动时，像点也在移动。即在己知基线长度，光源和传感器及透镜的相对位置确定的前提下，通过对光电检测器件输出的电信号进行运算处理，测量传感器上像点的位置就能准确确定被测物体距离。这里需要注意的是只有当发射光束。接收透镜平面受光面以及光电检测器件相交于一点时，聚焦才可以达到精确。激光三角法测量是空间非接触测量的主要方法之一，优点在于快速，简便和精度高。随着先进技术的发展，在复杂的三维曲面的快速测量中有着广泛的应用，主要包括工业生产线上工件尺寸的检测和小位移精密测量。其缺点在于受到测量系统本身非线性误

13、差，被测物体表面特征和环境要求等多方面的影响非常大，在目标角度不固定或目标太亮时，其性能的可预测性变差。此外，其一般量程只限精品.于0.5m以内。2.3.2 反馈发激光测距仪反馈法测距的原理是把待测距离当作发射器和接收器之间振荡的反馈通道，再根据振荡频率与待测距离的关系，山测量频率值问接地求出待测距离。其原理图如图2所示。图2-2反馈发测距原理图设光强信号周期为t，则有 （2-1） (2-2) (2-3)即 （2-4）精品.故被测距离为 （2-5）这种方法最早由前苏联人提出，60年代末日本的庆应大学进行了实验研究其系统的信号处理简单，只需一个mcs-51单片机应用系统就可完成频率测量。距离计算

14、和结果显示。据掌握的资料，国内对反馈法的研究尚未进行反馈法测距适用于各种电磁波波源。在反馈法测量中，主要问题是由于数字频率计有士1个字的误差导致频率值随着被测距离的增大而减小，测距的精度随着距离的增加而降低，因此反馈法测距比较适用于短程测距。2.3.3 调频连续波(fhcw)激光测距仪调频连续波测距原理是通过发射一组频率连续可调的激光，然后根据接收到的激光频率来计算距离的。目前采用fmcw激光测距方式测距，量程可达到18.5km，精度达到20mm，且频率惆啾率为100phz/s(p=100000)。频率惆啾率的高低影响精度和量程，惆啾率越高，精度越高，惆啾率越低，量程越大。因此，在实际测量中需

15、要考虑量程和精度平衡度问题，使量程和精度都达到要求。fmcw的频率调制方式包括：声光调制，开关调制，激光腔长调谐，电光调制和电源直接调制等。探测方式包括非相干直接探测和相干光外差干涉探测。2.3.4 脉冲式激光测距仪脉冲法测距原理是在激光器发射激光脉冲的同时启动计数器开始计数，激光脉冲遇到待测物体，产生回波，当接收道激光脉冲，终止计数器计数，则测距仪记录了激光往返的时间。这样便可获得测距仪和被测量物体之间的距离。其原理如图2-3所示。精品. 图2-3脉冲测距原理图光传播的速度为己知，设光传输的距离为l，即光脉冲往返距离为2l，若光激光往返的时间为t，则距离为 （2-6)这种方法在测绘领域中的最

16、早应用，其原理和结构简单，功耗小，其量程通常能达到数百米甚至数十千米，但精度只能达到士lm左右，且存在盲区大约在15m左右。因为计数时钟与回波脉冲的相对关系是不能确定，最大误差可达到一个计数时钟周期。为了提高测距精度，可以通过提高系统时钟频率来减少没有被剔除的结束时间所带来的误差。不过高频电路设计的印刷板的制作难度高，成本高，所以上述方法变的不可取。2.3.5 相位式激光测距激光测距中，测量时间虽然原理，结构简单，但方法也多种，可分为直接和间接。这些方法各有特点，分别应用于不同的测量环境和测量领域。本文采用的是相位式激光测距的设计方式。相位式激光测距原理是对激光束进行调制，通过测量发射调制后的

17、激光与接收被测物反射回的相位不同，测出相移精品.。再根据调制光的波长，间接地测出激光发射往返时一间t，换算此相位延迟所代表的距离d。如图2-4。 图2-4 相位法测距原理图设在起始时刻发射的调制光光强 （2-7）接收时刻调制光的强度为 （2-8）则接收与发射时刻的相位差为 （2-9）时间差为 （2-10）精品.可得 （2-11）式中，n为整波数，为不足整波数的尾数。尺长为ls，n为整尺长，为不足整尺的零数，故（即ls）称为测尺长度。相位法激光测距测量精度可达到毫米量级,相对误差可达百万分之一。本课题要应用于汽车轮毂的平整度测量，即要求激光测距测量速度快，精度高，仪器的结构简单，体积小。经综合比

18、较本课题选用即属于非合作目标相位法激光测距，适用于很多场合，有较大的市场和应用场景。2.3.6 干涉法激光测距仪当两列具有固定相位差，相同频率，相同的振动方向或振动方向之间夹角很小的光线相互交叠时，就会产生干涉现象。由激光器发射端发出按频率变化的正弦调制光波，其发出的光波强度变化规律与光源的驱动变化相同。当被称反射镜把入射光束反射回去时，需保证反射光的方向与入射光方向完全一致。如图2-5所示。精品.图2-5干涉法测距原理图经分光镜分成的反射光束s1和透射光束s2，通过固定反射镜m1和可动反射镜m2反射回来，汇合成相干光束。当两束光叠加时，合成光强i为 （2-12）当时，反射光的相位差为2的整数

19、倍，二者叠加后i最大，出现亮条纹；当时，两束发射光的相位相反，二者叠加后i最小，出现暗条纹。通过沿光线方向慢慢移动反射器2，每移动一个，变化一个周期，两束光的相位从相同到相反，出现一次亮暗光交替，则光探测器的输出信号也变化一次。通过输出信号变化的次数n，来确定反射器2移动的距离。干涉法测距是精度可达微米级，利用现代电子技术还可能测定0.01个光干涉条纹，是一种经典的精密测距方法。但该方法对环境要求高,适合于小位移的实时测量，同时只能测出反射镜的动态移动量,即适用于相对距离的测量，一般用于在高精度的实验室实验定标等,而不适于野外大地测距。本文采用的是三角法激光测距，在mc9s12xs128单片机

20、基础上实现对轮毂的激光测距。2.3.7 软件设计系统加电后，对单片机初始化，主要是对控制和状态寄存器进行设置，完成处理器，定时器，时钟频率等配置。 精品. 开 始初始化采集完成？测量程序 数据输出 结 束精品.2.3.8 硬件设计1. dc/dc 转换器 控制电路2. ad 输入端口3单片机与pc串口通信4 rs-232与ttl电平转换电路精品.2.4 研究的总体安排与进度起始年月进度目标要求2012.12.052013.01.05查阅文献，撰写报告和文献综述的初稿2013.01.062013.03.05对开题报告和文献综述初稿进行修改，外文翻译2013.03.062013.03.15准备pp

21、t，设计论文研究的框架，开题报告答辩2013.03.162013.04.15论文内容设计、电路各部分调试，软件初步设计；完成系统分析设计和原型开发2013.04.162013.05.15软件设计，完成系统功能；系统实现与集成，系统测试；建立完整、详细的技术文档2013.05.162013.06.10论文的撰写与整理，提交毕业论文，答辩表2-1精品.2.5参考文献： 1 施金钗，相位式半导体激光测距关键技术的研究.学位论文.2008 2 丁燕，相位法激光测距仪设计及其关键技术研究【d】上海:同济大学硕论文,2007 3 mc9s12xs128 单片机简介 4 浦昭邦，光电测试技术【m】机械工业业

22、出版社，2005，174一191 5 h s keeter,g a gudmundson,m a woodall.sire:aneyesafe laser rangefinder for armored vehiele fire eontrol system.spie1991.vol 1429:84-93 6 professor erkki ikonen,professor viktor krozer.pulsedtime-of-flight laserrange finder teehniques for fast,high preeision.oulu university press.2

23、004:2529 7于复兴，爱兴。大功率半导体激光器驱动电源的设计。应用激光.2002,20(6):257260 8刘微微，便携式短程激光测距仪部分关键电路的设计与研究【d】，黑龙江哈尔滨：哈滨工业大学硕士论文，2007 9 张处武,胡学同.精密相位激光测距仪的设计.激光杂志.1998,19(6)：39-42 10赵大龙,陈千颂.脉冲激光测距漂移误差的研究.中国激光.2004,31(9)：11121116 11张慧.提高相位激光测距精确度的研究j.精密制造与白动化.2000第3章 外文翻译 使用激光测距测量太空碎片精品.zhong-ping zhang， fu-min yang，hai-fen

24、g zhang，zhi-bo wu，ju-ping chen，pu li，wen-dong meng1中国科学院上海天文台,中国科学院,中国上海200030；2 太空目标与碎片观测重点实验室,中国科学院,中国南京210008摘要 对于所有国家来说，当前活跃在太空中的太空碎片仍是一个棘手问题。采用高精度测量技术将有助于产生一个可靠的准确的目录太空碎片碰撞。激光测距是一种实时测量技术对太空碎片的观测精度高。2008年7月的第一个太空碎片的激光测距实验在中国上海天文台与测距精度约60-80厘米。实验结果表明，射程为900公里的目标返回信号是相当强的，使用10ns的脉冲宽度在

25、532 nm波长的激光功率为40w（2j在20hz）。初步的激光测距系统，并在2008年和2010年观测到的结果的表现进行了介绍。关键字：天体测量，太空碎片，激光测距，观察报告1 引言中国已经推出了许多航天器和20世纪70年代以来，已经产生了一些太空碎片。它也是一个国际的成员（机构间空间碎片协调委员会）。因此，有必要注重中国注与国际社会的合作，以减少空间碎片可能造成的损害，并制定高精度的测量技术类型，可靠且准确的太空碎片编目。激光测距是一种实时测量技术且对太空碎片的观测精度高。2002年10月，在第13届国际激光测距研讨会上，本格林提交了一份名为“激光跟踪太空碎片”的报告，并宣布，使用孔径为7

26、6厘米高功率激光望远镜可以跟踪大小为15厘米距离为1250公里的太空碎片（greene等人，2002）。在最近几年，只有少数几个国家进行了太空碎片的激光测距技术的研究。中国的太空碎片的激光测距项目得到中国航天局的支持在上海天文台进行。在2006年，激光测距系统对太空碎片初步实验在上海卫星激光测距（slr）站进行，使用了60厘米孔径的望远镜。该系统的主要目标是发展太空碎片的激光测距的关键技术。在2008年7月测试和升级后，国内研究所从一个距离超过900公里废弃的苏联火箭（编号17912）和美国火箭（编号30778）上获得了功率为40w的激光返回。之后，在2010年，该实验系统进行了改进，获得了几

27、次精度为50-70厘米太空碎片的激光测距结果。精品.本文给出了初步的实验系统，测量结果和数据分析。2 高精度排列的激光系统的性能中国科学院在上海天文站进行了卫星激光测距实验。图1展示了空间碎片激光测距系统的结构，包括轨道预测，控制系统，大功率激光器，激光束传输系统，望远镜座跟踪系统，高精度计时系统，返回探测和接收系统。图2展示观察室，跟踪望远镜和电子控制室。装配有反射器的卫星经常没测量到。接受望远镜和发射器的孔径分别是60cm和20cm。按方位安装，并直接由马达驱动。卫星校准后的望远镜的指向精度是大约5英寸。图3展示的是40w的nd:yag激光器的框图，以及图4示出的照片，内视图和激光束通过的

28、发射机射向天空。nd:yag激光系统中有10根激光棒。从两个激光棒内的振荡器的输出被分成两束，然后进到放大器的单元分别是1和2。从两组放大器单元的输出传递的频率倍增器，然后结合成一个光束用于测距。检测器和时间间隔接收器的操作和卫星激光测距相同。由于太空碎片的不规则和激光脉冲宽度，太空碎片的尺寸低于常规的卫星激光测距。捷克技术大学提供了单光子的灵敏度和30 ps的定时精度单光子雪崩光电二极管检测器。拉脱维亚里加大学（artyukh2001年artyukh等，2008）制作的时序精度为10ps的事件定时器用来测量时间间隔。精品.图1 太空碎片激光测距系统结构图图2上海卫星激光测距站，望远镜和电子控

29、制室精品.图3 功率为40w的nd：yag的光发射器。1：hr反射镜;2：e-q开关;3：偏光片4：yag棒;5：输出镜;6：隔离器;7：补偿器;8：反射镜;9倍频器;10：光电耦合器;11：影像镜头。图4 40w激光器的内视图和激光束。(a)40w激光器；(b)内视图；(c)激光射向天空3 回归分析检测到的激光雷达方程 预计从2米直径的位于800公里之外的目标返回的信号强度可以粗略估计由下面的公式（degnan1993年）：精品. ， (1)其中是由检测器接收到的光电子的平均数目；是波长为532nm的激光；是量子功率为0.2的检测器；h是普朗克常数=js；光速c =299792458m/s；

30、et是2j的激光脉冲能量；ar是接受望远镜的有效面积0.251平米；是目标表面的反射率=0.16；s是反射目标的有效面积。等效半径为1m，；假设目标是球形；是望远镜发射的激光束12弧度/秒；r是800公里以内的目标；t为大气传输，在海拔为30度是t=0.6；kt=0.6是光发射的效率；kr=0.6是光接受的效率；是受大气影响的衰减系数=13db。我们发现 （光电子）用单光子的灵敏度由c-spad检测器的检测的概率可以估算 （2） 因此，从理论上说，我们可能会得到12次观测时间间隔为5秒，20赫兹的返回激光。 4 太间碎片的观测结果在上海天文台 安装40w功率的激光后，我们建立了控制和测距接口和

31、软件，用于实验。2008年7月我们首次从被丢弃的苏联火箭弹编号17912（639611公里）和美国火箭弹编号30778（541499公里上得到了空间碎片的反射激光。在图5中，横轴是时间轴，垂直轴是观察值和预计值在范围内的误差。中线的中央点的激光返回，和其他各点是来自检测器的噪声和背景。 图6示出了每个传递在范围内变化;水平轴是一天内的每一秒，垂直轴是空间碎片的范围。精品.在测量中获得的最大范围为936公里。 图7 显示的是2008年7月7号来自编号17912火箭的激光返回的统计信息。横轴是每5秒一次计数，垂直轴是返回数。激光接收率是7左右。结果表明，当望远镜跟踪最好的时候每5秒得到的数值为10

32、14，返回信号的强度和理论估计大体一致。图5从太空碎片返回的激光（a）2008年7月丢弃的苏联火箭（编号17912）（b）2008年美国丢弃的火箭（编号30778）精品.图6获得的太空碎片的数据 在2010年的上海卫星激光测距站更新了太空碎片的激光测距实验系统，包括采用一个更好，更稳定的高功率激光（1j在10hz，输出功率10w，波长为532纳米）。这改善了伺服跟踪系统，启动自动调节范围的多步栅极和应用两个线单元预测的轨道，其精确度小于1公里。 太空碎片的激光测距实验系统的能力，因此明显改善。图8示出了望远镜支架的伺服跟踪性能，和跟踪精度是小于1英寸。图7 2008年7月7号的反射激光统计每5

33、s一次记精品.图8望远镜的跟踪性能 图9显示了一些的10w激光测量结果。测量范围是从800到1200公里，和测距精度是从50至80厘米。大部分接收是66s内超过150点且接收率约为23。可以看出，通过使用10w的激光的测距系统的能力高高于使用40w的激光。以上的测试结果表明，由上海天文台建立的太空碎片的激光测距实验系统，实现了其初步目标，并有大规模跟踪低轨道太空碎片的激光技术和能力。虽然有一些改进的方法被采纳，太空碎片的激光测距仍然困难，主要是因为激光功率，在轨道上，太空碎片表面上的反射特性和大小不能准确的预测。所以为了获得更先进的方法，应进一步研究这种技术。精品.图9 2010年10 w激光

34、的一些测量结果。5 总结 2008年7月在中国上海天文台激光测距空间碎片的实验成功，并获得了几次空间碎片的激光测距。实验显示900公里内返回的信号非常强。这验证了关于实时确定激光轨道要素的准确方法，并大范围的开发中国卫星激光测距技术。通过改进初步的激光测距系统，能观测到更多变和更遥远的空间碎片。然而，由于存在许多影响因素，测量的成功率非常低。因此，进一步的实验研究空间碎片的激光测距应使观察更遥远，更小的目标，并增加常规空间碎片的激光跟踪的能力。精品.第4章 外文原稿原文来自期刊论文the use of laser ranging to measure space debriszhong-pin

35、g zhang,fu-min yang, hai-feng zhang, zhi-bo wu, ju-ping chen,pu li and wen-dong meng1.shanghai astronomical observatory, chinese academy of sciences, shanghai 200030, china;2 key laboratory of space object and debris observation, chinese academy of science, nanjing210008, chinareceived 2

36、011 may 19; accepted 2011 august 24abstract space debris is a major problem for all the nations that are currently active in space. adopting high-precision measuring techniques will help produce a reliable and accurate catalog for space debris and collision avoidance. laser ranging is a kind of real

37、-time measuring technology with high precision for space debris observation. the first space-debris laser-ranging experiment in china was performed at the shanghai observatory in july 2008 with a ranging precision of about 6080 cm. the experimental results showed that the return signals from the tar

38、gets with a range of 900 km were quite strong, with a power of 40w (2j at 20hz) using a 10ns pulse width laser at 532 nm wavelength. the performance of the preliminary laser ranging system and the observed results in 2008 and 2010 are also introduced.key words: astrometry catalogs space debris laser

39、 rangingobservation1 introductionchina has launched many spacecraft and has produced some space debris since the 1970s. it is also one of the members of the iadc (inter-agency space debris coordination committee). it精品. is therefore necessary for china to pay great attention to efforts to reduce pos

40、sible damage from space debris in cooperation with the international community, and to develop types of high precision measuring techniques for the reliable and accurate cataloging of the space debris. laser ranging is a kind of real-time measuring technology with high precision for space-debris obs

41、ervation. in october 2002, ben greene presented a report named “laser tracking of space debris” at the 13th international laser ranging workshop, and announced that it was possible to track space debris with a size of 15 cm at a distance of 1250 km by using the aperture of a 76 cm telescope and a hi

42、gh-power laser (greene et al. 2002).in recent years only a few countries have conducted research on space-debris laser-ranging technology.the laser ranging to space debris project at the shanghai astronomical observatory in chinais supported by the chinese space agency. a preliminary experimental la

43、ser ranging system for space debris at the shanghai satellite laser ranging (slr) station with the aperture of a 60 cm telescope was set up in 2006. the major goal of the system was to develop key techniques for laser ranging to space debris. after testing and upgrading, we obtained some of the lase

44、r returns from a discarded soviet rocket (catalog number 17912) and a us rocket (catalog number 30778) in july 2008 with a range of more than 900 km and the power of a 40w laser made by a domestic institute.after that, in 2010, the experimental system was improved and several passes of laser ranging

45、 to space debris were obtained at a precision of 5070 cm. the maximized range of the targets is up to1200 km with a 10w laser imported from the us.the preliminary experimental system, the measuring results and the data analysis are given in this paper.2 the performance of the laser-ranging systemthe

46、 experiment was carried out at the slr station of the shanghai astronomical observatory,chinese academy of sciences.精品.figure 1 shows the structure of the space-debris laser-ranging system, including orbit prediction,control system, high power laser, laser-beam transmitting system, telescope mount t

47、racking system,high-precision timing system, return detection and receiving system.figure 2 shows the observation house, the tracking telescope and electronics room. the satellites equipped with retro-reflectors are routinely measured at the station. the apertures of the receiving telescope and tran

48、smitter are 60 and 21 cm, respectively. the mount is of alt-azimuth type, and is directly driven by motors. the pointing accuracy of the telescope after star calibration is about .one of the key instruments for the experiment, a high-power nd: yag laser, was built by the north china research institu

49、te of electro-optics (ncrieo) in beijing. the parameters of the laser are as follows: 2j per pulse, 10 ns pulse width, 0.6mrad divergence, 20hz repetition rate and 40w mean power at 532 nm wavelength.figure 3 shows the block diagram of the 40w nd: yag laser, and figure 4 shows the photograph,inner v

50、iew and laser beam through the transmitter to the sky.there are 10 nd: yag rods in total in the laser system. the output from the oscillator with two laser rods inside is divided into two beams, and then goes to amplifier units 1 and 2, respectively.the outputs from the two sets of amplifier units p

51、ass the frequency doublers, and then combine into one beam for ranging.the detector and time interval instruments adopted are the same as in the routine slr operation.due to space debris of irregular shape and laser pulse-width, the measurement of space debris is lower than the routine slr. the sing

52、le-photon avalanche diode detector with single-photon sensitivity and 30 ps timing precision was provided by the czech technical university. the event timer精品. (model a032-et) for time interval measurement with 10 ps timing precision was made by riga university, latvia (artyukh 2001; artyukh et al.

53、2008).3 return analysis detected by the laser-radar equationthe returned signal strength expected from a 2 m diameter target located 800 km away can be roughly estimated by the following equation (degnan 1993) （1）whereis the average number of photoelectrons received by the detector;is the wavelength

54、 of the laser, 532 nm;is the quantum efficiency of the detector, 0.2;h is the planck constant,js;c is the light speed,299792458m/s;et is the energy of the laser pulse, 2j;aris the effective area of the receiving telescope, 0.251;is the reflectivity of the target surface, 0.16;and s is the effective reflective area of the target.the equivalent radius is 1m,.suppose the targets are spherical,;is the divergence of the laser beam from the telescope, 12arcsec;r is the range of the targets, 800 km;t is the atmospheric transmission, t=0.6 at an elevation