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NASA全球生态系统动力学研究激光雷达的激光发射器研究进展

2015-11-14 10:54
络遇
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  全球生态系统动力学研究(GEDI)激光雷达,使用激光脉冲3D测绘地球森林的装置系统,旨在测定地球上所有森林包含的碳总量。GEDI将于2018年年初安装在国际空间站,将用3个NASA激光发射器,通过复杂的光学设备,将三束光转换到地面上的14个轨道。这些轨道间隔500米,扫描幅宽6.4公里。扫描范围为地球纬度50度以内,包括几乎所有的热带雨林和温带森林。NASA戈达德空间飞行中心激光器与光学分部的D.BarryCoyle等人在8月12日美国圣地亚哥召开的环境监测激光雷达遥感XV会议上,介绍了NASA全球生态系统动力学研究(GEDI)激光雷达的激光发射器研究进展,摘译如下:

  图1该GEDI仪器甲板(左),激光占用地面覆盖(中)和JEM-EF安装在国际空间站(右)。

  单一振荡器设计

  高输出最大效率谐振(HighOutputMaximumEfficiencyResonator,简称HOMER)激光器是GEDI的基本构架,使用单一振荡器实现无损、非单频>15mJ激光脉冲、重复频率>100Hz输出的概念是非常适用于行星和地球轨道遥感系统的,部件数量少、复杂性低、可扩展性高。

  然而一直不断追求的目标是:减少光学部件数量、最大限度提高效率、降低风险、最大限度提高预期寿命。总共有3个独立的线路板系统研究开发完毕:具有高线性场和平衡计数的高度可配置单元、封闭-硬化测试单元、飞行品质TRL6演示。

  图2、3、4所示的GEDIHOMER单元只采用了单一振荡器设计输出频率242Hz、17mJ的脉冲能量。通常这些脉冲能量恶意安全地由主振荡器功率放大器(MOPA)设计产生,类似于刚刚成功完成任务的水星激光测高仪(MercuryLaserAltimeter)。通过使用不稳定谐振器和高斯反射光学系统实现大型、无光圈、单一空间模式,可以采用强大高增益、侧面泵浦锯齿形板条激光头。这一设备在40cm腔内产生直径为2mm腔内光束维持低内部能量密度,降低光损伤风险,为追求最高效率和最少部件数量提供了平台。

  图2HOMERGEDI激光器设计图

    图3HOMERTRL6激光器安装图

    图4HOMERGEDI激光器横截面图,编号器件:(1)激光头(2)GRM(3)HR镜(4)里斯利对(5)1/4波片(6)Q开关(7)TFP(8)柱面透镜(9)电气连接(10)Q开关驱动器(11)导热接口。

  高可靠性光电力学

  经过多年反复的复杂光学机械设计,最终决定采用GRMX-Y定位的简易2-板结构,两块板都是钛制成的,具有一个同心孔,其中一块板牢固地固定在光具座端面,另外一块板位于GRM连接中心。

  

  图5GEDI激光腔完全有能力调整操作激光器外部附件

  性能

  每个HOMER激光器工作频率242Hz、产生10-13nsQ开关脉冲,脉冲能量为17mJ,在1064nm的TEM00光束质量。这一任务要求可靠激光器在多年任务期间至少持续发射25.1亿次(平均每轨道占空比33%)。完全可以预期GEDI会运行更长时间,因为国际空间站轨道寿命正式延长到2024年以后。我们最近发布了完整使用期数据集显示TRL6HOMER激光器可以至少发射15x109射。

  表1HOMERGEDI激光器基本性能要求

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