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远程传感应用的航天激光器发展趋势解读

2015-03-23 09:16
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  在美国宇航局戈达德太空飞行中心(NASA’s Goddard Space Flight Center),研究人员正在致力于研究未来太空飞行和遥感仪器使用的激光发射器,包括用于冰盖和海洋浮冰监测的微脉冲激光高度计、用于大气二氧化碳检测的激光光谱学仪器和用于地球表面高分辨率成像用的激光成像雷达。此外,这些飞行载荷还可以用于太阳系统其它星体的大气层检测和星体表面成像。本文首先综述了美国宇航局过去用于火星、水星、地球和月球轨道的空间飞行激光载荷的发射器,然后概括了目前的空间飞行激光载荷项目,并且介绍了它们远程传感的科学和探索应用的预期效果。

  1 引  言

  目前正在轨应用的激光载荷有三个,它们的任务是用来收集地球、月球和水星的科学实验数据,以便我们能够更加深入的了解我们的地球和太阳系。所有的这些雷达系统全部采用了半导体激光器阵列泵浦的高功率准连续固体激光器作为光源。第一个星载半导体激光器阵列泵浦的固体激光器是火星卫星激光高度计,它于1996年发射,它提供了大量高分辨率的火星表面的形貌数据。随后的2003年又发射了用于地球科学研究的激光高度计。目前正在轨应用的激光载荷分别为:2006年发射的云-气溶胶正交偏振激光雷达,水星激光高度计和2008年发射的月球卫星激光高度计。尽管目前的半导体泵浦固体激光器在太空取得了很大的成功,但是仍然不能满足未来激光雷达的要求。因此,需要为未来远程传感应用研制新型的航天激光器。

  2 目前在轨的航天激光器综述

  自上世纪90年代晚期,美国宇航局就已经在所有的航天用激光雷达系统中采用半导体泵浦的准连续固体激光器作为光源。火星卫星激光高度计于1996年发射,它采用了半导体激光器泵浦的zig-zag Nd:YAG板条,交叉波罗腔,主动Q开关激光器,波长为1064nm,脉冲能量40mJ,脉冲宽度10ns,重复率为10Hz。火星卫星激光高度计的主要科学目的是获得全火星地表的形貌数据,形貌数据的精度可以满足地质学与地球物理学研究的需要。自1996年11月发射到2001年6月任务结束,火星激光高度计共发射了670 000 000个激光脉冲,获取了640 000 000个火星表面和大气的测量数据。这些数据量是过去所有以前的航天激光雷达获取数据总和的十倍以上,火星激光高度计的性能和寿命都优于预期。航天飞机激光高度计(Shuttle Laser Altimeter,SLA) I & II是火星激光高度计的拷贝,分别于1996年和1997年发射,用于获得地球表面的形貌数据,共累计发射了6 000 000个激光脉冲。

  地球科学激光测高系统(Geoscience Laser Altimeter System-GLAS)的激光器第一次采用了被动调Q,主振-功率放大的设计。该激光测高系统于2003年发射,2011年初完成既定任务,在任务期间,三个发射端共发射了近2 000 000 000个激光脉冲,该系统中的激光器是下一代空间远程传感用激光器的代表。地球科学激光测高系统的激光器的性能比火星激光高度计的激光器在功率、光束质量、脉冲宽度、重复频率方面均高一个量级,具体为:激光脉冲总能量为110mJ,其中1.06μm波长脉冲能量为75mJ,0.532μm波长脉冲能量为35mJ,光束质量为110μrad, 脉冲宽度<6ns,重复频率40Hz。

  水星表面、空间环境、地球化学和测距任务(MESSENGER)中的激光高度计需要能够在距离高度变化和温度经常变化的环境中工作。该卫星与2011年3月份到达预定轨道并开始收集数据,轨道的近地点为200km,远地点为15,200km,周期12小时。激光高度计在离水星表面最近的0.5小时内工作,要求测量距离分辨率小于40厘米,预期在整个任务期间总辐射剂量为30krad,采用0.1cm等效厚度的铝板进行屏蔽。该激光高度计中激光器的脉冲能量大于18mJ,脉冲宽度6ns,重复频率8Hz,光束质量近衍射极限。激光器的温度变化范围为15~25摄氏度,变化率为0.4摄氏度/分钟。

  第一个在轨运行的激光雷达是安装在阿波罗15、16、17上面的激光高度计,用于进行月球表面形貌的测量。其激光器为红宝石激光器,采用了氙灯泵浦,机械Q开关,为美国无线电公司制造。40多年后,美国启动了重返月球计划,该计划中的月球表面激光高度计(LOLA)是第一个空间多光束激光高度系统。该高度计在发射望远镜的出瞳处有一个衍射光学元件(DOE),经过该元件后产生五个光束照亮月球表面,每个光束均可以测量飞行时间(距离)、脉冲展宽(表面形貌)和发射/接收能量(表面反射率),该高度计有两个激光振荡源,其中一个作为冷备份。

  美国宇航局的CALIPSO计划中的云-气溶胶正交偏振激光雷达于2006年发射,它的激光器采用半导体激光器泵浦Nd:YAG产生1064nm和532nm两个波长的输出,重复频率为20Hz,采用主动Q开关得到20ns的脉冲宽度,每个激光器在1064nm均产生220mJ的脉冲能量,倍频后产生110MJ的脉冲能量。

  3 未来地球科学激光雷达任务

  3.1 冰盖、云和陆地海拔监测卫星-2任务 (ICESat-2)

  ICESat-2 是ICESat的后续任务。ICESat于2003年1月发射,于2010年2月结束工作。ICESat-2将提供高质量的地形测量数据,估计冰盖体积的变化,从而判断冰盖融化对海平面上升的影响。

  ICESat-2 上的载荷名称为高级地形测量激光高度系统(Advanced Topographic Laser Altimeter System,ATLAS)。原始的ATLAS设计是一个蛋光束激光高度系统,沿用了GLAS的概念,采用低重频(50Hz),高能量(脉冲能量50mJ)和短脉宽(约6ns)。 在2009年中期,ATLAS进行了重新设计。现在的设计采用了非扫描6光束系统,光束排布方式为3×2,采用微脉冲光子计数方式,如图1所示。

图1 (a) 美国宇航局第二代地球轨道多光束激光高度计ICESat-2示意图;(b) 光束对原理图

  激光器采用高重复频率(10kHz)、中等能量(单脉冲能量约900μJ)、短脉冲宽度(<1.5ns)。探测器选用Hamamatsu公司型号为7600-16M的光电倍增管。 激光波长采用1064nm倍频的532nm,原因是目前缺少适合空间使用的长寿命近红外单光子探测器。

图2  (上左) 空间测量的概念;(上右) 采用HITRAN 2004计算的两路1570nm波长附近CO2透过率结果;(下左) 现在选择的1572.33 nm CO2吸收线和波长采样策略;

(下右) 计算的权重函数

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