從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史

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近日,經中國載人航天工程辦公室的官網的消息證實,天宮一號已經在2018年4月2日,8時15分左右再入大氣層,落了入南太平洋中部區域。

從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史​天宮一號,這個在我國載人航天工程發展史上,做出重要貢獻的“成員”,在經歷了近7年的漫長飛行後,終於化作了漫天的煙火,融化在了廣闊的天空裡。

儘管自2016年3月21日起,我們就對天宮一號終止了數據連接,但在其後,天宮一號漫長的迴歸歷程中,我們始終沒有放棄對它的追尋……

就在4月1日03時53分,天宮一號迴歸的最後時刻,中科院上海天文臺,還利用佘山60釐米口徑衛星激光測距儀,對天宮一號做了最後的觀測工作,成功實現了對天宮一號迴歸前夕,最後的釐米級精度激光測距,為天宮一號迴歸時的在軌狀態,及墜落點預測,都提供了重要的觀測數據。

從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史​衛星激光測距其實是基於飛行時間激光雷達的一個重要應用,其在天文學、地理物理學、大地測量、國防安全等方面都具有重要的意義。

而具體到我國的激光測距起源,就不能不說,我國激光事業的起步和發展了……

1960年1月18日,“西奧多.梅曼”在美國加利福尼亞休斯實驗室研製出世界上第一臺紅寶石激光器開始,世界激光科學與技術的發展,便正式進入了快速發展期。

從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史​圖注:西奧多.梅曼與世界第一臺紅寶石激光器。

而早在這之前,我國就開始注意到了,“激光”這一“高新領域”的重要性,所以在激光的發展上,起步的非常之早。

早在1957年,在我國光學奠基人王大衍院士的主持下,我國第一所光學專業研究所(中國科學院“長春光學精密儀器機械研究所”,簡稱“長春光機所”)誕生了。
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其後,1958年,美國物理學家“阿瑟.肖洛、查爾斯.湯斯”關於激光的著名原理論文《紅外區和光激射器》發佈後不久,“光機所”的重要成員鄧錫銘院士(我國激光奠基人),便注意到了這項新技術對當時我國光學工程的重要意義,率先積極倡導對這項“激光”新技術的研究,並提出了大量設想和實驗方案。

並與長春光機所王之江院士的共同努力之下,終於在1961年夏天,研製出了我國第一臺紅寶石激光器(小球照明紅寶石激光器)。

長春光機所“小球照明紅寶石激光器”僅比世界第一臺激光器問世晚一年,並且比世界一臺激光器“美國紅寶石激光器”性能更優越,效率更高,從此我國真正邁入了激光這一高科技全新領域。

從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史從天宮一號精確衛星測距,看我國軍用激光發展簡史​​圖注:三位我國光學、激光領域的奠基人和我國第一臺紅寶石激光器。

此後經過錢學森院士的提議,我國科學界的一致贊同,1964年我國正式將LASER(英文Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation的縮寫)命名為“激光”

而也就是在這一年“激光”在我國軍事技術上的應用開始啟動。

1964年“6403工程,高能釹玻璃激光系統”正式上馬。

1965年我國開始進行高功率激光系統與核聚變研究。

1966年研究制定了15種軍用激光整機,9種支撐配套技術的發展規劃(未正式批准)。

儘管在當時技術條件下,很多項目因為技術原因而下馬,但是仍然取得了很多矚目的項目進展,並獲取了很多寶貴的技術資料和鍛鍊了一大批優秀的激光技術人才。

比如6403“高能釹玻璃激光系統”儘管最後在1976年因“熱效應是根本性技術障礙”而下馬。

但是仍然建成了具有工程規模的120毫米大口徑,震盪-放大型激光系統,其最大輸出能量高達32萬焦耳,改善光束質量後達到了32萬焦耳的輸出能量。

在室內打靶實驗中,10米處有效擊穿80毫米鋁靶,室外2公里距離內擊穿0.2毫米鋁靶。

並且系統研究了強激光輻射的生物效應和材料破壞機理,揭示了強光對激光系統本身的光損傷現象和機制,使我國深入瞭解了激光光束質量的重要性和物理內涵,對我國在低吸收高均勻性釹玻璃熔鍊工藝、高能脈衝氙氣、高強度介質膜、1.2米大口徑光學精密加工等激光元器件的支撐技術,有了突破性的提高。

而也就在這時,我國在激光測距方面也取得了驚人成果,早期採用重複頻率為20赫茲的YAG調Q激光器,測距精度優於2米,最遠測量距離660公里,為以後洲際彈道導彈再入段軌跡測量創造了必要條件。
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我國第一代紅寶石激光衛星測距儀,曾成功對美國實驗衛星Expl-27號、29號、36號進行了測量,最遠可控測距為23000公里,精度控制在2米範圍。

而經過多年的發展,我國最新一代衛星激光測距精度已經達到釐米級,媲美國際最先進水平。
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其中,無論是中科院上海天文臺激光測距站,還是長春人造衛星觀測站都已經步入國際領先水平。

其中,中科院上海微系統與信息技術研究所某團隊,在超導納米線單光子探測(SNSPD)器件波長拓展方面取得系列突破,成功研發了,從可見光到近紅外波段高探測效率SNPD器件,其中532nm工作波長器件在暗計數0.1Hz條件下,系統探測效率達75%,為同期國際最好水平。

中科院天文臺某團隊,利用該器件在國際上首先開展532nm波長衛星激光探測,利用佘山站60釐米口徑望遠鏡,對距離3000公里國際連測激光相對論衛星LARES成功進行測距,精度8cm。

2016年初,經過進一步優化,上海天文臺佘山站對俄羅斯兩萬公里Glonss衛星成功測距,精度達2cm。

同時,上海天文臺首次建立了,白天衛星激光測距系統,並在國際激光聯測臺站中,首先實現北斗同步軌道衛星,白天激光觀測。
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而長春衛星激光測距研究室,從1982年起便開展衛星激光測距研究工作。

1985年改造成功第三代衛星激光測距系統。

1987年首次觀測到地球動力衛星(LAGEOS)。

1991年對激光測距系統進行了深入改造,實現了計算機全自動控制,並改進了軟件系統,採用微光攝像技術進行衛星監測。

1997年完成單光子探測升級,採用C-SPAD單光子雪崩二極管,更新了外圍設備,使單次測距精度由原來的6釐米左右提高到2釐米,標準點精度達到5毫米左右,而系統的長期穩定性,由4釐米提高到1釐米以下。

2007年,長春人造衛星觀測站執行國家重大科技基礎設施建設項目“中國大陸構造環境監測網絡長春站SLR項目改造”,對原有的激光測距系統進行升級改造,並於2009年在技術上取得了重大突破,利用自主研發的軟、硬件系統,成功實現了常規KHz衛星激光測距和白天測距,大大提高了激光測距系統的測距能力和水平,成為國際上少數具備白天常規KHz衛星測距能力的臺站之一。

目前,SLR測距系統探測能力達到40000公里,單次測量精度小於1.5cm,並實現對所有的國際聯測衛星進行二十四小時的跟蹤觀測,年觀測數據最多超過19000圈(2014 、2015年),觀測成績位居世界第二位,被國際激光測距服務組織公認為國際上性能最強的四個臺站之一。

在經過60餘年的發展後,我國的光學工業尤其是激光技術有了突飛猛進的發展,在很多單項尤其是軍用激光領域我們媲美世界最先進水平。

可是遺憾的是,至今還有很多人拿著隔壁鬼子的數碼機來嘲笑我國的光學工業,卻從不知道在浩如煙海的光學領域裡,數碼相機不過其中是一種“產品”而已,在頂端還有很多重要的領域,而激光就是其中最重要的成員之一。

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本文參考文獻;

範滇元《中國激光技術發展回顧與展望》

張忠萍、程志恩、張海峰、趙罡、鄧華榮 《北斗衛星全球激光測距觀測及數據應用》

《中科院國家天文臺長春人造衛星觀測站衛星激光測距研究室介紹》

《中科院上海微系統所超導單光子探測器件衛星激光測距實驗介紹》


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