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激光通信和雷达设备在空间应用赢得地位

* 来源: * 作者: * 发表时间: 2020-12-13 1:34:18 * 浏览: 11

  激光器出生在太空竞赛初期,但是个成功的空间应用却是地面。1962年闪光灯泵浦固体激光器测量月球距离,1964年测量卫星距离,但他们的体积大而笨重,提供测距所需的能量。1965年双子座7名宇航员测试了通信用半导体激光器,但是云层干扰其与地面接收器建立链路。

  1971年,阿波罗15号月球轨道上的灯泵浦0.05HzQ开关红宝石激光高度计测绘了部分月球表面。然而,无论是灯泵浦固体激光器还是气体激光器都不适于在太空长期运作。机械手激光仪器只有随着二极管泵浦固体激光器的发展才能成为现实。

激光器到火星

  个携带二极管泵浦激光器备受瞩目的空间任务是失事的火星观测者。1992年9月发射的搭载火星轨道激光测高仪,在进入火星轨道的前三天也就是1993年8月21日失去了联系。不久,更小的激光高度计测量了月球和近地小行星爱神星的距离。

  全新火星轨道激光测高仪,是专门为较小的后续火星探测任务1996年发射的火星全球勘探者号制造的。这个任务获得了巨大成功,从1998年3月到2001年6月,激光高度仪测量火星从南极到北极的海拔,形成了太阳系行星中最的全球地形图。二极管泵浦、Q开关、Nd:YAG激光器每秒钟发射十个48mJ脉冲,每束脉冲持续8ns。总共算下来,它发射了6.7亿束脉冲,这一数据引自一份表述火星有冰川的报告。

  2003年1月12日,美国宇航局发射了颗对地持续观测星载激光雷达,地球科学激光测高系统,ICESat-1,研究格陵兰岛和南极冰盖的变化。它包括三台1064nm波长的Nd:YAG激光器,每台机器连续运作18个月,最初发射70mJ脉冲。然而,台激光器只运行了37天,第二台激光器的输出也迅速下降,所以美国宇航局转移到一系列短程运动,从而允许观察持续到2009年最后一台激光器失效。测高仪达到了垂直分辨率接近75px,在监测冰盖变化方面是至关重要的,同时也收集了世界各地的森林高度数据。

  未来NASA地面系统计划包括激光雷达表面形貌任务,该任务由美国国家研究委员会在2007年提议。目标包括垂直分辨率0.1m、水平分辨率5m的全球地形测绘,绘制局部规划的山体滑坡和洪涝灾害。也可以同时记录土地地形和冠层结构。

  美国宇航局为水星信使任务(MESSENGERmissiontoMercury)修改了ICESat-1激光器的主振荡功率放大(MOPA),于2004年8月发射,2011年3月探测器到达水星轨道,截至记者发稿时,激光高度计仍然在收集地球表面的数据。

激光通信

  二极管泵浦在向深空高速激光链路方面复苏,无线电链路的受限速度产生了数据瓶颈。继美国宇航局在2005年预算中计划在2009年推出一款称为火星通信轨道器的5W、100Mbit/s激光继电器失败之后,焦点移到了一个更简单的称为月球激光通信演示(LLCD)的测试上。

  LLCD发射器是基于商业通信部件,包括分布反馈二极管激光器、掺铒光纤放大器和调制器,避免空间定制激光器的高成本,美国宇航局光通信事业部总监Donald Cornwell说。设计、建造和运行由麻省理工学院的林肯实验室完成,发射器通过250px望远镜发射0.5W的1550nm波段激光,一个16进制脉冲位置调制编码四位数据脉冲,在月球轨道的月球大气与粉尘环境探测器(LADEE)(见图2)运行速率622Mbit/s。为了限度提高灵敏度,地面接收器采用工作在1-3K的超导纳米线阵列探测器。单个1550nm光子可以加热4nm线足够阻止超导,Cornwell说“这一灵敏度是很惊人的,检测效率达到70%~80%”。

  2013年10月,LLCD成功验证了622Mbit/s下载速度,是从月球无线链路的6倍,而发射器只有一半大。“我们在头三天就完成了所有我们需要演示的内容,在剩余的时间里我们只是运行它。”Cornwell说,陆基激光器的上行链路传输数据速率高达20Mbit/s,比的无线链路快5000倍。“这一演示说明该技术可以作为未来任务的主要通信系统”。

  美国宇航局的下一个激光测试将以千兆比特的速率在一对地面站之间中继数据,在激光通信中继示范(LCRD)中上行和下行激光链路都在1550nm波段完成,在地球同步通信卫星的收发器上每个地面站有一对链路。初步计划呼吁建立一个为期两年的测试,但美国宇航局正在考虑2018发射长达五年实验。

  调制解调器模块产生的光信号通过光纤传输到航天器上的光模块,其中采用250px望远镜发射和收集光。除此之外,美国宇航局采用类似于LLCD激光技术将一个25kg激光器送入火星轨道,但是采用了更大的550px望远镜和更先进的电子装置。

  在上行链路将在1微米处提供作为一个指点标所需的几百瓦。下行到5米帕洛马望远镜可以提供从火星探测器100Mbit/s的时候地球6000万公里,超过250Mbit/s的火星3000万公里。康韦尔说,已经获得批准,喷气推进实验室的研究,可以送200千比特/秒直接从火星2020路虎给地面接收机5kg的激光链路。

火星上的激光器

  自2012年8月以来,好奇号火星车已经探测到火星土壤和岩石,通过一个称为ChemCam的仪器将30mJ激光脉冲持续5ns聚焦到一个亚毫米点上。它使用一个钾钨酸钆[Nd:KGd(WO4)2或Nd:KGW]掺钕棒,因为其广泛的温度范围。激光脉冲烧蚀材料表面并进行激光诱导击穿光谱(LIBS)上的斑点高达7m的距离。

  “通常情况下,每个位置我们发射30束脉冲,”洛斯阿拉莫斯国家实验室的Roger Wiens、Chem Cam的主要研究者说,最初发射的几束光脉冲的冲击波吹走表面灰尘,然后露出光秃秃的岩石,然后激光烧蚀外露岩石,光谱仪测量热离子发射进而识别存在的元素。“如果风化残留在表面附近组成的梯度内,多束激光发射可以检测和测量岩石中的梯度。”Wiens说。

  2014年6月Chem Cam从一系列打靶中收集的数据。图片合并了Chem Cam远程微成像器记录的岩石高分辨率黑白图像和好奇号桅杆相机拍摄的彩色图像。图表绘制了金属、氢及碳的丰度并做以标记。

  早期公布的新闻称“好奇号”发现的岩石形成于淡水湖泊底部。Wiens说这是一个我们考试适合居住的环境,虽然岩石不是有生命的直接证据。到9月下旬,Chem Cam仪器已经发射了近200000束脉冲,几乎每隔一天运行一次。

  最近Wiens除了忙乎Chem Cam以外,还开发了一款新型激光取样系统称为Super Cam,选定在2014年7月飞行并于2020年进行火星探测。

  Super Cam将采用Nd:YAG激光器,因为研究团队已经明确KGW提供的额外热范围是不必要的。为了收集更多的矿物学数据,将会采用Chem Cam技术进行拉曼光谱和LIBS。“我们使用LIBS的激光束,控制电源,加倍频率,拉曼光谱可以做出12m,”Wiens说,添加适当成本的功能可以帮助火星探测器,例如识别最有趣的岩石样品并在罐子缓存以便未来返回任务取样。

严峻挑战

  空间应用也提出了特殊挑战,其中包括在极端环境下的极其可靠运行,以及建立满足各种要求的激光器系统。美国航空航天局也遇到了一些问题,如ICESat-1搭载激光器的意外短寿命导致高级地形激光测高仪系统(ATLAS)选择不同架构,在ICESat-2上更换了激光器。

  美国航空航天局的设计要求一个倍频钕钒酸钆(Nd-YVO4)MOPA,发射250~900μJ脉冲持续时间1.5ns,频率10kHz。532nm输出将被分成六个波束,排成三对,在整个寿命周期内发射一万亿个脉冲。原本计划在2016年推出,而飞船的激光器和光子计数监测系统遇到了问题,使得成本上升,发射很有可能推迟到2017年或2018年。

  然而,从太空激光仪器的收益可以证明额外的成本和努力,通常没有其他技术可以满足苛刻的条件,比如深空高速数据传输,测量格陵兰冰盖变化,为气候变化提供宝贵的地面实况。