激光通信和雷达设备在太空应用中的地位

rypto激光是在太空竞赛开始时诞生的，但是成功地应用了一种太空技术。闪光灯泵浦的固态激光器在1962年测量了到月球的距离，在1964年测量了卫星的距离，但是它们体积庞大且体积庞大，提供了测距所需的能量。 1965年，七名双子座宇航员测试了一种半导体激光器进行通信，但是云层干扰了与地面接收器的连接。 1971年，在阿波罗15号的月球轨道测绘的月球表面部分上，有一个光泵浦的0.05Hz调Q的红宝石激光高度计。但是，灯泵浦固态激光器和气体激光器都不适合在太空中长期运行。随着二极管泵浦固态激光器的发展，机器人激光仪器只能成为现实。激光发射到火星带有二极管泵浦激光的引人注目的太空任务是毁了火星的观测者。 1992年9月发射的火星轨道激光高度计在1993年8月21日进入火星轨道之前三天失去了联系。很快，一个较小的激光高度计测量了月球与近地小行星爱神星之间的距离。新的火星轨道激光高度计是专门为由火星全球探索者于1996年发起的较小的火星探测任务而制造的。该任务取得了巨大成功。从1998年3月到2001年6月，激光高度计测量了火星从南极到北极的高度，形成了太阳系中行星最全球的地形图。二极管泵浦，Q开关，Nd：YAG激光器每秒发出十个48mJ脉冲，每个脉冲持续8ns。它总共发射了6.7亿个脉冲，该数据引自一份描述火星冰川的报告。 1 2003年1月12日，美国国家航空航天局（NASA）发射了连续观测的天基激光雷达（一种地球科学的激光测高系统ICESat-1），以研究格陵兰和南极冰盖的变化。它包括三个波长为1064nm的Nd：YAG激光器。每台机器连续运行18个月，最初发出70mJ脉冲。但是，台湾激光只运行了37天，第二台激光的输出也迅速下降，因此NASA进行了一系列短程运动，使观察得以继续，直到2009年最后一台激光失效为止。垂直分辨率接近75像素，这对于监控冰盖的变化至关重要，并且还可以收集来自世界各地的森林高度数据。 NASA未来的地面系统计划包括由美国国家研究委员会（National Research Council）在2007年提出的激光雷达表面地形任务。目标包括垂直分辨率为0.1m和水平分辨率为5m的全球地形图，局部规划的滑坡和洪水。土地地形和冠层结构也可以同时记录。美国国家航空航天局（NASA）修改了2004年8月发射的ICESat-1激光器的主振荡功率放大（MOPA），以执行水星使者任务（水星向水星的任务），探测器于2011年3月到达水星轨道。截至发稿时，激光高度计仍在地球表面上收集数据。激光通信二极管泵正朝着深空高速激光链路发展，而无线电链路的有限速度造成了数据瓶颈。由于NASA在2005年预算中未能推出2009年推出的名为“火星通信轨道器”的5W，100Mbit / s激光中继器，焦点转向了经过测试的更简单的月球激光通信演示（LLCD）版本。美国国家航空航天局（NASA）光通信部门主管Donald Cornwell表示，LCDLLCD发射器基于商业通信组件，包括分布式反馈二极管激光器，掺光纤放大器和调制器，以避免太空中定制激光器的高昂成本。设计，建造和操作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 1550nm激光，十六进制脉冲位置调制编码的四位数据脉冲以及月球轨道上的月球大气和尘埃。环境检测器（LADEE）（见图2）以622 Mbit / s的速度运行。为了限制灵敏度，地面接收器使用工作在1-3K的超导纳米线阵列检测器。康威尔说，一个1550nm的光子可以加热一条4nm的线，足以防止超导。这种灵敏度是惊人的，检测效率达到70％至80％。 10在八度2013年12月，LLCD成功验证了622Mbit / s的下载速度，这是月球无线链接的6倍，而发送器的下载速度只有它的一半。 ldquo，我们完成了前三天演示所需的一切，其余时间我们都运行了。康威尔说，陆基激光器可以在高达20 Mbit / s的上行链路上传输数据，这比无线链路快5000倍。 ldquo，此演示表明该技术可以用作将来任务的主要通信系统。 NASA的下一个激光测试将以千兆速率在一对地面站之间中继数据。在激光通信中继演示（LCRD）中，上行链路和下行链路激光链路均在1550nm波段完成。对地静止通信卫星的收发器上的每个地面站都有一对链路。最初的计划要求进行两年的测试，但美国宇航局正在考虑在2018年进行长达五年的实验。调制解调器模块产生的光信号通过250px的光纤通过光纤传输到航天器的光学模块。望远镜传输和收集光。此外，NASA使用类似的LLCD激光技术将25kg的激光发送到火星轨道，但使用更大的550px望远镜和更先进的电子设备。上行链路上行链路将提供所需的数百瓦功率（1微米）。帕洛玛望远镜（Paloma Telescope）可以从100米比特/秒的火星探测器提供6000万公里的地球，而以250兆比特/秒的速度可以提供3000万公里的火星，可探测地球6千万公里。康维尔说，它已经得到喷气推进实验室的批准，可以从火星2020路虎直接向地面接收器的5公斤激光链路发送每秒200 kb的信号。自2012年8月以来，好奇号的火星探测器探测到火星的土壤和岩石，使用ChemCam仪器将30mJ的激光脉冲聚焦5 ns到亚毫米点。它使用钨酸al钾[Nd：KGd（WO4）2或Nd：KGW]掺杂的钕棒，因为它的温度范围很广。激光脉冲烧蚀材料的表面，并执行激光诱导击穿光谱（LIBS），其斑点的最大距离为7 m。 ldquo，在正常情况下，我们在每个位置发射30个脉冲。洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos National Laboratory）的罗杰·维恩斯（Roger Wiens）以及ChemCam的主要研究人员说，前几束光的冲击波吹走了表面的灰尘，然后暴露出裸露的岩石，然后用激光烧蚀了，光谱仪测量了热电子发射以识别存在的元素。 ldquo，如果风化保持在地表附近形成的梯度内，则多束激光束可以检测和测量岩石中的梯度。维恩斯说。 ChemCam在2014年6月的一系列拍摄中收集的Chem数据。该图像包含ChemCam远程微成像仪记录的高分辨率的黑白岩石图像和Curiosity桅杆相机拍摄的彩色图像。该图表绘制并标记了金属，氢和碳的丰度。较早的新闻报道称，“好奇号”发现的岩石形成在淡水湖的底部。维恩斯说，尽管岩石不是生命的直接证据，但这是我们研究的宜居环境。到9月下旬，ChemCam仪器已发出近200,000个脉冲，几乎每隔一天运行一次。除了ChemCam外，Wiens最近还开发了一种名为SuperCam的新激光采样系统，该系统于2014年7月被选中飞行，并于2020年进行火星探测。CamSuperCam将使用Nd：YAG激光器，因为研究团队已经明确表示，附加的热能KGW提供的范围是不必要的。为了收集更多的矿物学数据，ChemCam技术将用于拉曼光谱和LIBS。维恩斯说，“我们使用LIBS激光束，控制功率，使频率翻倍，拉曼光谱可以达到12m，添加适当的成本函数可以帮助火星探测器，例如识别最有趣的岩石样本并在罐子中缓冲以备将来使用返回任务采样。严峻的挑战：太空应用还面临着特殊的挑战，包括在极端环境中的极其可靠的运行，以及建立满足各种要求的激光系统。 NASA还遇到了一些问题，例如ICESat-1激光器出乎意料的短寿命，导致选择了不同的架构用于高级地形激光测高仪系统（ATLAS），以及在ICESat-2上更换激光器。 NASA的设计要求使用倍频的钒酸钕（Nd-YVO4）MOPA，它发射250〜900mu，J脉冲持续时间1.5ns，频率为10kHz。 532nm的输出将分为三束，分成六束，在整个生命周期中发出一万亿个脉冲。最初计划于2016年发射的航天器，其激光和光子计数监视系统遇到了问题，导致成本上升，发射时间可能推迟到2017年或2018年。努力。通常没有其他技术可以满足苛刻的条件，例如在深空高速传输数据，测量格陵兰冰盖的变化以及为气候变化提供宝贵的地面真理。