月球激光测距误差分析与处理研究
文献类型：学位论文
| 作者 | 曹进 |
| 答辩日期 | 2025 |
| 文献子类 | 博士 |
| 授予单位 | 中国科学院大学 |
| 授予地点 | 北京 |
| 导师 | 李语强 |
| 关键词 | 月球激光测距 角反射器阵列 高重频 误差 单光子探测器 |
| 学位专业 | 天体测量与天体力学 |
| 其他题名 | Research on Error Analysis and Processing method in Lunar Laser Ranging |
| 英文摘要 | 高精度的月球激光测距数据在天文地球动力学、地月系统参数确定、月球天平动以及广义相对论等效原理验证等领域具有重要的科学价值。全球范围内能够进行月球激光测距的台站数量有限，且各台站的数据精度存在差异。云南天文台于2018年1月在国内率先实现了月球激光测距，但其测距精度与国际领先水平仍有一定差距。本文系统分析了云南天文台月球激光测距系统、激光传输链路、目标带来的测量误差，分别研究了激光器、大气湍流、角反射器阵列以及探测器带来的误差。通过理论建模分析、仿真实验、地靶实验以及实测数据分析，提出了减小误差、提高标准点精度的解决方案。月球激光测距的标准点精度主要受随机误差和标准点时段内回波点数的影响。本文围绕减小随机误差和提高回波点数展开研究，重点分析了角反射器阵列的倾斜、大气湍流、激光重频及探测器对月球激光测距的影响，以此提高月球激光测距的标准点精度。第一，月面角反射器阵列的倾斜会导致测距激光脉冲宽度展宽，从而对月球激光测距带来了较大的随机误差。这种误差被认为是当前月球激光测距中最大的随机误差来源。本文提出了一种理论模型，该模型以每个角反射器为反射单元，通过叠加经角反射器反射后的脉冲，得到被角反射器阵列反射后展宽的回波包络。通过对比不同脉冲宽度下激光回波叠加的包络，我们认为，使用10 ps脉宽的激光进行月球激光测距，可以依据回波波峰的特征来反演角反射器阵列的倾斜状态。基于云南天文台1.2 m望远镜系统，我们建立了月球激光测距仿真系统，并开展了10 ps脉宽的月球激光测距仿真实验。结合仿真实验残差的直方统计图分析发现，可以通过直方图波峰的数量及排列特征来反演角反射器阵列的倾斜状态。基于此，我们提出可以截取其中的一个波峰作为测距的回波信号处理，以此减小测距的随机误差。根据角反射器阵列只在经度方向倾斜7°的仿真结果，按此方法处理数据得到的单次测距精度由32.24 mm提升至2.52 mm。第二，利用云南天文台53 cm双筒望远镜，我们进行了地靶测距实验。实验中，在距离望远镜直线距离为1.8 km的佛堂山放置了实验角反射器阵列，作为测距实验地靶。地靶实验数据分析表明，根据测距残差的直方统计图推算的角反射器阵列的倾斜角与实验前预设的倾角基本一致，验证了理论分析的正确性。在数据处理时，截取已知特定的角反射器的回波作为信号处理，可以得到精度更高的测距结果。同时，结合角反射器阵列的倾角情况，将该列反射器得到的测距结果归算至角反射器阵列的中心，可以提高激光测距的准确度。第三，激光在大气湍流中传输时，会受到大气湍流的影响，导致光束能量减弱和光斑扩展等，从而极大地减少了月球激光测距时的回波光子数。通过对双曲正弦涡旋光束在各项异性大气湍流中的传输特性的研究，我们对比了涡旋光束和非涡旋光束在大气湍流的影响下到达月面时的光斑大小。结果表明，传输至月面时，涡旋光束的光斑大小为非涡旋光束的96.5\%。此外，通过对比双曲正弦涡旋光束和高斯谢尔模光束在源平面上的光强分布情况，我们计算得到高斯谢尔模光束在激光发射时望远镜副镜对其的遮挡比例为10.49\%，而双曲正弦涡旋光束被遮挡的比例仅为0.15\%。结合这两个方面的影响，我们可以计算出使用双曲正弦涡旋光束开展月球激光测距到达月面时的能量密度是高斯谢尔模光束的115.6\%。因此，使用双曲正弦涡旋光束可以显著提高单位时间的回波光子数。第四，通过对比云南天文台10 Hz月球激光测距实测数据和kHz月球激光测距系统的仿真数据，我们得出结论：kHz月球激光测距系统不仅能够提升月球激光测距的标准点精度，还能快速判定目标是否被成功测量，从而显著提高月球激光测距的工作效率。因此，高重频月球激光测距是未来月球激光测距的发展方向。基于高重频的特点，我们对云南天文台1.2 m望远镜的光学系统提出了改进建议，并针对高重频带来的高噪声水平，提出了滤波降噪的方案。这些研究为云南天文台即将开展的高重频月球激光测距实验提供了一定的理论依据。最后，本文详细讨论了单光子探测器的工作原理和物理特性，并分析了这些特性可能对月球激光测距产生的影响。利用地靶的实测数据，我们验证了探测器的首光子效应以及探测结果的拖尾效应等。通过对实测结果拖尾的截断，我们进一步验证了这些效应对于测距精度的影响。此外，我们还对比了单光子探测器与超导纳米线单光子探测器在距离门内的探测概率。通过分析，我们认为超导纳米线单光子探测器在高重频月球激光测距中更具优势。本文对月球激光测距系统、激光传输以及角反射器阵列进行了理论分析、仿真计算和地靶实验。基于这些研究，我们提出了减小随机误差和提高回波点数的方案，为高重频高精度月球激光测距的发展提供了理论依据和方法参考。 |
| 学科主题 | 天文学 |
| 语种 | 中文 |
| 页码 | 0 |
| 源URL | [http://ir.ynao.ac.cn/handle/114a53/28975]  |
| 专题 | 云南天文台_应用天文研究组 |
| 作者单位 | 中国科学院云南天文台 |
| 推荐引用方式 GB/T 7714 | 曹进. 月球激光测距误差分析与处理研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2025. |
入库方式： OAI收割
来源：云南天文台
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