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雲南省 天文台の月レーザー測距研究・実験

雲南省天文台の月レーザー測距研究・実験 | 中国レーザー -- 中国光学ジャーナルネットワーク (opticsjournal.net)

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雲南省天文台における月レーザー測距の研究と実験

論文概要

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概要

嫦娥1号リレー星のレーザー測距を実現するためには、技術検証のために月レーザー測距(LLR)を実施する必要があります。中国科学院雲南天文台の2.2018m望遠鏡をベースに、共通の光路LLRシステムを開発し、多くの技術的問題を克服した後、1年22月15日にアポロ<>号の月面反射器のエコー信号の検出に成功し、LLRが実現しました。繰り返しの実験の結果、LLRシステムのレーザー信号検出能力は非常に弱く、システムの測定精度はメートルレベルに達することが示されています。

要約

Chang′e-4中継衛星のレーザー測距を実現するためには、技術的検証のために月レーザー測距(LLR)の研究を行う必要があります。中国科学院雲南天文台は、1.2m望遠鏡をベースにした共通の光路LLRシステムを開発しています。多くの技術的困難を克服した後、15年22月2018日に月面のアポロ<>号反射板からのエコー信号の検出に成功し、LLRが実現しました。繰り返しの実験結果は、LLRシステムが非常に弱いレーザー信号を検出する能力を持ち、システムの測定精度がメートルレベルに達することを示しています。

1 はじめに

地球-月測定の最も正確な手段として、月レーザー測距(LLR)は50年近く前から存在しており、その原理は、地上局と月レーザー後方反射器(アポロ15号、アポロ14号、アポロ11号、ルナホート1号、ルナホート2号)の間のレーザーパルスの飛行時間を光速と組み合わせて正確に測定することによって距離を計算することです。^[1]。地上局と月レーザー後方反射器の間の距離とその変化には、天体地球力学、地球月科学、月物理学、重力理論などの多くの科学的研究にとって非常に価値のある非常に豊富な情報が含まれています。^[2-3. ]月の形状、サイズ、表面の特徴、内部構造の決定など^[2.4 ]、重力理論と一般相対性理論の効果のテスト、等価原理の検証、重力定数の変化、太陽と月のシステムの潮汐など^[2.5 ]。

LLRは単一光子検出技術のピークを表しており、50年近くの従来の観測操作と技術開発の後、LLRは依然として技術的難易度の高い複雑な作業です。現在、人工衛星レーザー測距を実行できるステーションは世界に50近くあり、高精度の衛星レーザー測距データが広く使用されています。^[6-7. ]ただし、従来のLLR作業を実行できるのは、アメリカのMLRS(マクドナルドレーザー測距ステーション、0.76 m望遠鏡)とアポロ(3.5 m望遠鏡)だけです。^[8-9. ]、フランスのグラース^[10](1.5 m望遠鏡)とイタリアのMLRO(マトラレーザー観測天文台、1.5 m望遠鏡)を含む4つの天文台。レーザー測距望遠鏡の口径やレーザーなどの多くの要因の制限により、中国では初期段階でLLR実験を実施するステーションが少なくなっています。 20世紀の終わりには、中国科学院雲南天文台の1.2m望遠鏡は、当時中国で最大の望遠鏡であり、最も潜在的なレーザー月望遠鏡の<>つでした。^[1]昆明測距ステーションは、20世紀の80年代後半からLLRの研究に取り組んできました^[11-12. ]。近年、他の国内局もLLR技術研究を実施し始めています。地球と月の距離は約384000kmですが、従来の衛星レーザー測距に対応する衛星は、低軌道から静止軌道へのLLRに近いです。衛星レーザー測距とLLRでは、エコー光子の数は距離の4乗に反比例します。同じ条件下で、LLR中のエコー光子の数は静止軌道衛星のレーザー測距の1/10000未満であるため、LLRは従来の衛星レーザー測距よりもはるかに困難です。放出されたレーザーエネルギーをより集中させるためには、LLRを行う際にレーザー発散角をできるだけ小さくする必要があり、望遠鏡の追跡と指向精度に対するより高い要件が提唱されます。

長年の継続的な研究と探査の後、LLRの多くの技術的問題を克服した後、中国科学院の雲南天文台は1.2m望遠鏡10Hz共通光路レーザー月面測定システムを設立し、2018年1月22日にアポロ15号の月面反射器のエコーを検出することに成功し、中国でのLLRの実現を主導しました。 1.2m望遠鏡レーザー月系と実験結果を紹介し、詳細に分析しました。望遠鏡の追跡精度とポインティング精度の向上に基づいて、月のエコー信号認識が深く研究され、中国の今後の嫦娥<>号リレースターレーザー測距の基礎が築かれました。

2 雲南省 天文台 LLRシステム

LLRは、地上天文台から月レーザ反射器までのレーザパルスの往復時間Δtを正確に決定することにより、地上観測所から月レーザ反射器までの距離Rを算出する。 RとΔtの関係は

\begin{matrix} � = \frac{1}{2} cΔt, (1) \end{matrix}

ここで、cは光速です。

従来の衛星レーザー測距と比較して、LLRは非常に遠く、エコー光子の数はまれであり、LIDAR測距式によれば、エコー光子の数はサブ単一光子オーダーにさえ達します^[11]。図1は雲南省天文台の1.2m望遠鏡の10Hz LLRシステムのブロック図で、CMOSは相補型金属酸化膜半導体、GPSは全地球測位システムです。 LLRシステムには、主に1.2 m望遠鏡とその追跡制御システム、レーザー、レーザー放射光路、エコー受信光路、単一光子検出器(SPAD)、イベントタイマー、時間周波数システム、測距制御システム、ターゲットイメージングシステム、環境モニタリングシステム、レーザー月面測定ソフトウェアシステムなどが含まれ、さまざまな部品の調整により、月面反射器の精密ポインティングトラッキングとレーザー測距を完了します。

2.1 光学系

2.1.1 望遠鏡

雲南天文台の1.2m望遠鏡は地上フレームを採用し、高さシャフトはトルクモーターによって直接駆動され、方位軸はダブルトルクモーター摩擦伝達によって駆動されます。望遠鏡の主なパラメータを表1に示し、有効クリアアパーチャは1060mm、主鏡と副鏡は放物線状、主鏡の焦点距離は1800mm、副鏡の焦点距離は-240mm、7つの鏡は共焦点で焦点比5.0の非焦点望遠鏡の光学系を形成する。方位軸保存精度のトラッキング速度は004.3~0(°)/s、高さ軸保存精度のトラッキング速度は004.1~<>(°)/sです。

2.1.2 レーザー発光光路

レーザー発光型光ルーティングレーザー、回転ミラー、ミラーM₃~M₈、ビームエキスパンダとビームスプリッタ(図2を参照)。レーザーが放出されると、レーザービームは回転ミラーを通過し、ミラーを通ってビーム膨張光路に反射し、準直線光として拡大され、ビームスプリッターを通って望遠鏡に反射してターゲットに発射され、最終的にレーザー発散角は2インチに達します。

レーザーは発光光路の重要な機器の10つであり、この研究では北京レイバオオプトエレクトロニクステクノロジー株式会社が製造したSGR-Extra-2キセノンランプポンプレーザーを使用し、そのパラメータを表3に示します。単一パルスエネルギー0J、超ガウス型のビームエネルギー分布、平均エネルギー密度8.<>J/cmのナノ秒パルスレーザを出力します。²ピークエネルギー密度は約2J/cmです²。

2.1.3 エコー受信光路

エコーが望遠鏡に入った後、それはミラーによって、ミラー、ミラー、集束レンズ、ビームスプリッターおよび検出器からなる図3に示される受信光路に反射される。受信光路には1つの機能があり、2つはエコービームを検出器の要件に適したビームに変換すること、もう<>つはノイズ光子を可能な限り除去することです。 LLRエコー信号は弱く、月の背景光は非常に強いため、ノイズを効果的に除去することはLLRの重要なステップの<>つです。雲南省天文台の<>.<>m望遠鏡LLRシステムを採用

図 1 1.2m望遠鏡レーザー月面測定システムのブロック図

無花果。 1. 1.2m望遠鏡ベースの月面レーザー測距システムのブロック図

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テーブル 1 望遠鏡の主なパラメータ

表 1. 望遠鏡の主なパラメータ

パラメーター名	価値
有効絞り/mm	1060
主鏡焦点距離/mm	1800
セカンダリミラー焦点距離/mm	-240
ポインティング精度 /(")	1
精度保証されたトラッキング速度方位角/[(°)/s]	0.004-3
精度保証された追跡速度-高度/[(°)/s]	0.004-1
最大角速度-方位角 /[(°)/s]	6

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図 2. レーザー発光光路

無花果。 2. レーザー透過の光路

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テーブル 2 レーザーの主なパラメータ

表 2. レーザーの主なパラメータ

パラメーター名	価値
波長/nm	532
パルスエネルギー /J	3
繰り返し速度 /Hz	10
パルス幅/ns	10
発散角/mrad	0.5
ビーム径/ミリメートル	22

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コリメーションフィルタの光路は、図3に示すようにノイズの多い光子をフィルタで除去し、集光レンズ、コリメーションレンズ、小孔絞り、狭帯域フィルタで構成されています。集束レンズとコリメートレンズの組み合わせは、エコービームを検出器の開口部に一致させます。小さな開口部は、受信視野を縮小して、エコー方向とは異なるノイズの多い光子をフィルタリングする効果を実現できます。狭帯域フィルターは、エコー光の波長とは異なるノイズの多い光子をフィルターで除去します。受信視野は5"~30"連続的に調整可能で、ノイズ状況に応じて異なる受信視野が選択されます。超狭帯域フィルタの帯域幅は0.2nm、ピーク透過率は65%です。適切な受信視野と超狭帯域フィルタを組み合わせることで、LLRのバックグラウンドノイズのほとんどを効果的に除去します。

図 3 受信光路

無花果。 3. 受信用光路

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CMOSカメラは、望遠鏡のポインティングモデルを確立し、LLRで月面を画像化して望遠鏡のポインティングを確認するためのターゲット監視光路端末受信装置として使用され、そのスペクトル応答を図4に示し、詳細なパラメータを表3に示します。受信光路では、月面から戻るサブシングル光子信号を検出するために高量子効率単一光子雪崩検出器(HQE-SPAD)が使用され、その詳細なパラメータを表4に示します。

図 4. HQE-SPADの量子効率

無花果。 4. HQE-SPADの量子効率

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テーブル 3 CMOSカメラの主なパラメータ

表 3. CMOSカメラの主なパラメータ

パラメーター名	価値
受光面/(ミリメートル×ミリメートル)	13.2×13.2
500-600 nm /%での検出効率	>78
ピクセル数/(ピクセル×ピクセル)	2048×2048
-10, -20, -30 °C での暗電流 /(電子・画素)^-1·s^-1)	0.06リットル、0.02、0.006
露光時間/秒	0.001-10
読み取り速度 /(フレーム·s^-1)	30-100

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テーブル 4 プローブの主なパラメータ

表 4. 検出器の主なパラメータ

パラメーター名	価値
受光面直径/μm	500
532 nm /%での量子効率	>60
1 kHzでのダークカウント	15
回復時間/ns	50
時間ジッタ/ps	160

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2.2 測距制御とデータ収集

2.2.1 測距制御

図5に示すように、月面測距制御システムには、回転ミラー、HQE-SPAD、イベントタイマー、PINメインウェーブ検出器、レーザー、タイミングおよび制御コンピューターなどが含まれます。 LLRが実行されると、ミラーは測距同期信号(同期)を生成し、制御コンピュータはこの信号を受信した後、ユーザーのコマンドに従ってレーザー点火コマンド(発射)を送信するかどうかを選択します。レーザーは点火パルスコマンドを受信してレーザーを放出し、レーザーは放出光路を介して送信望遠鏡に入り、送信望遠鏡はビームをコリメートして月の反射体を狙います。レーザーがレーザーを放射すると、光のごく一部がPIN主波検出器に与えられて主波信号(トランス)を生成し、イベントタイマーに送信されてレーザー放射モーメント、つまり主波モーメントが記録されます。同時に、距離ゲート時間を計算するために制御コンピュータに送り返され、その結果が距離ゲートジェネレータに送信されます。エコーが到着しようとすると、距離ゲートジェネレータによってゲーティング信号が生成され、HQE-SPADに送信されてエコー信号が検出され、エコー到着時間、つまりエコー時間がイベントタイマーによって記録されます。同時に、メインウェーブ/エコー時間は、予備的なデータ処理と表示のために制御コンピュータに送信され、測距中のリアルタイムのエコー信号監視に使用されます。

図 5. レーザ測距制御のブロック図

無花果。 5. レーザ測距制御システムのブロック図

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10Hz測距制御システムの回路タイミングを図6に示します。回転ミラーは10Hzの同期信号を生成し、各同期信号の立ち上がりエッジ制御コンピューターを使用してレーザー放射コマンド信号を生成し、レーザーはコマンド信号を受信した後にレーザーを放射します。 PINメイン波検出器は、放出された各レーザー信号を検出し、メイン波パルスを出力します。主波信号を受信すると、制御コンピュータは観測対象の軌道距離情報に従ってエコー到着時間を計算し、その結果を距離ゲート発生器に送信し、エコーがほぼ到達するとゲート信号をHQE-SPADに送信します。

図 6. LLRシステムの動作タイミング図

無花果。 6. LLRシステムの運用時系列

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2.2.2 データ収集

月面実験では、A033-ETイベントタイマ[分解能1ps未満、精度5ps未満、デッドタイム50ns]をデータ取得に使用しました。図7に示すように、タイマはパラレルポートデータライン(EPP)を介してコンピュータに接続されており、観測時には、制御コンピュータは取得データ制御コマンドをイベントタイマに送信し、測定データをリアルタイムで取得し、測定結果をコンピュータ画面に表示するエコー情報が検出されたかどうかを示す。

図 7 データ・アクイジションのブロック図

無花果。 7. データ取得のブロック図

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3 LLR実験とデータ解析

3.1 観測実験

1.2m望遠鏡の10Hz共通光路LLRシステムの開発後、2017年11月中旬にレーザー月面測定実験を開始し、2018年1月22日夕方にアポロ15号角度反射鏡のエコーデータを1周期で測定することに成功しました。それ以来、23月3日にアポロ15号1セット、アポロ14号2号11グループ、アポロ1号24グループが測定されました。アポロ1号とアポロ15号のデータは1月14日に測定されました。 1月26日、アポロ3号の15つのグループ、アポロ2号の14つのグループ、アポロ1号の11つのグループのデータが測定されました。図8は、2018年1月23日に測定されたアポロ15号の残差データを示しており、横軸はレーザー放射の瞬間(ワールドタイムコード、UTC)、縦軸は測定距離と予測距離の間の偏差(残差)です。実験中、アポロ35号データ26セット、アポロ15号データ3セット、アポロ11号データ6セットの合計14セットのデータの測定に成功し、測距実験結果の統計を表5に示します。

図 8. アポロ15号の残差データ

無花果。 8.アポロ15号反射板の残留

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テーブル 5 LLR実験観測統計

表 5. LLRの実験的観察からのデータ統計

日付	アポロ15号	アポロ11号	アポロ14号
2018/1/22	3	0	0
2018/1/23	3	2	1
2018/1/24	1	0	1
2018/1/26	3	1	2
2018/1/27	1	0	0
2018/1/28	1	0	0
2018/2/20	1	0	0
2018/2/21	2	0	0
2018/2/22	3	0	0
2018/2/23	1	0	0
2018/2/24	2	0	0
2018/2/25	1	0	1
2018/3/23	2	0	0
2018/3/24	2	0	1

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3.2 データ分析

レーザー月面測定実験によって得られたデータの信号識別と前処理分析は、データの精度、エコーレート、および信号対雑音比を取得し、標準点データを形成し、その妥当性を検証することができます。

3.2.1 信号の識別

距離ゲート内の範囲残差データの分布がメッシュされ、各グリッド内のデータポイントの数がヒストグラムでカウントされます。グリッドの幅(残差方向)は10ns(または15ns)で、長さは観測データセグメント全体の時間範囲であり、ヒストグラム統計チャートになり、データポイント数が最も多いグリッドに信号が表示される場合があります。図9は、図8の測距残差データのヒストグラムを示しており、横軸はグリッドの残差位置、縦軸はグリッドのデータ点数です。

図 9 ヒストグラム

無花果。 9.ヒストグラム

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ヒストグラム結果のポアソン確率分析^[13]、すべてのグリッドのデータポイントの数が平均化され、平均λがポアソン分布の特性値として使用され、各グリッドにポイントの数が表示されます。n_k(n_k=0,1,2,3,...) の確率は

\begin{matrix} � (�_{�}) = \frac{�^{ティッカー}}{�_{�}!} 経験値 (- �) 。 (2) \end{matrix}

グリッドのデータ点数が確率 P である場合は、適切なしきい値 T を設定します。(n_k閾値T未満では、グリッドにエコー信号が含まれていると考えられ、グリッド内のデータを信号点データとして識別し、エコー信号認識の結果を図10に示す。

図 10 エコー信号認識結果

無花果。 10. エコー信号の認識結果

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3.2.2 データ処理

信号データを特定した後、低次多項式フィッティングにより精度を満たすデータ内の点を計算し、データの信号対雑音比とエコーレートを統計的に分析します。

毎月の測定データは、20秒以内の時間、つまり20秒以内の信号エコーポイントの数、対応する期間のノイズポイントとレーザーパルスの数でカウントされます。この20秒以内の信号対雑音比(SNR)とエコーレートは、それぞれ次のように表すことができます。

�_{ティッカー} = \frac{�_{信号}}{\sqrt[]{�_{信号} + �_{雑音}}}, (3)

�_{率} = \frac{�_{信号}}{�_{脈拍}}, (4)

ここで、N_信号は、期間内のシグナルポイントの数です。 N_雑音はノイズポイントの数です。 N_脈拍は、その期間中にレーザーから放出されるパルスの数です。図10で測定したアポロ15号の反射鏡の観測データを例にとると、時間的に計算した信号対雑音比とエコーレートを図11と図12に示します。

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図 11 時間固有の信号対雑音比統計

無花果。 11. 時間間隔SNR統計

図 12 時間分割エコーレート統計

無花果。 12.時間間隔エコーレート統計

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時間ベースの統計では、データ全体の合計信号対雑音比と合計エコーレートは、式(3)と式(4)によって計算されます。図10の測定データの時間スパンは約1500秒、合計376のエコーポイントが測定され、データの単一の測定精度は約119cm、データ全体の信号対雑音比は約6.5、エコーレートは約2.5%です。

3.2.3 データ検証

国際レーザー測距ネットワークによって提供される標準点アルゴリズムに従って、測定データは標準点に生成されます。標準ポイントデータには、主に日付、時刻、レーザー飛行時間、リフレクター番号、ステーション番号、エコーポイントの数、データ信号対雑音比、気象パラメータ、レーザー波長などの情報が含まれます。測定データが標準点として生成された後、パリ天文台月面分析センターが開発した月レーザー測距サービスにアップロードされます。^[14]ウェブサイトでの検証。 2018年1月23日13:15(UTC)に観測されたアポロ0号のデータの検証結果によると、この測定データの距離偏差は196.35mです。実験中に合計0の標準点データが得られ、すべての標準点データが検証され、その結果、測定偏差の標準偏差はそれぞれ752.11 m(アポロ0号)、375.14 m(アポロ0号)、329.15 m(アポロ11号)でした。雲南省天文台のアポロ14号、アポロ15号、アポロ<>号の反射器アレイのLLRシステムの測距精度は、メートルの測距精度よりも優れていることがわかります。

4 まとめ

月探査活動の継続的な加熱に伴い、月の探査は再び天文観測の分野における研究ホットスポットの1つになりました。 LLRデータの蓄積と解析を通じて、天文地球力学、地球月科学、月物理学、重力理論の研究は重要な科学的研究活動です。長年の理論研究と技術研究の後、雲南天文台は、中国の今後のChang'e-2リレースターレーザー測距技術の良い基盤を築いた中山大学の「天琴プログラム」の推進の下で、LLRの分野で大きな進歩を遂げました。本研究では、雲南省天文台<>.<>m望遠鏡の共通光路LLRシステムとその初期観測実験データ処理手法を導入し、妥当性検証を行った。現在、レーザーのパルス幅の影響を受け、測定精度はメートルレベルまでです。次のステップでは、狭いパルス幅のレーザーを使用してLLR実験を行い、LLRの精度をセンチメートルレベルまで向上させるよう努めます。