【摘 要】
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我国将于2022年建成轨道高度350-450公里低轨空间站,开展多项技术和科学问题研究,空间站高精度时频实验系统是其中一个重要的部分,将安装国际上首个稳定度达10-18的空间光钟,采用了激光时间比对测量技术实现星地时频的比对,对时频传递载荷提出达到优于0.1 ps@300 s和1 ps@1 day的稳定度需求。本论文在此背景下开展了针对空间站的星地激光时频传递系统的关键技术研究和设计。由于测量稳定
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我国将于2022年建成轨道高度350-450公里低轨空间站,开展多项技术和科学问题研究,空间站高精度时频实验系统是其中一个重要的部分,将安装国际上首个稳定度达10-18的空间光钟,采用了激光时间比对测量技术实现星地时频的比对,对时频传递载荷提出达到优于0.1 ps@300 s和1 ps@1 day的稳定度需求。本论文在此背景下开展了针对空间站的星地激光时频传递系统的关键技术研究和设计。由于测量稳定度指标要求为目前国际最高,空间站激光测量系统和载荷设计面临巨大挑战:高稳定度系统的设计和实现,环境温度对系统时延的改变,相对距离和大气厚度变化对探测光子数的影响,大视场和窄带光谱滤波的矛盾等,都将影响激光时间传递系统的精度和稳定度。针对上述问题,本论文开展了激光时频传递系统和载荷的分析和设计,并对几项影响系统稳定性的技术开展了关键技术研究。主要研究工作如下:针对中国空间站激光时频传递系统,进行了系统探测视场、星地接收光子数等的研究,开展了时间比对的误差分析,对时间稳定度进行了指标分解,提出了基于星地单光子激光探测、高频激光测量与计时的系统与载荷设计方案,对载荷和地面系统提出了设计要求;针对不可避免的环境温度变化引起的探测时延漂移,提出了温漂后补偿的技术方法。通过对不同温度下探测时延的提取,分析并建立了系统温漂补偿模型,消除了激光测量系统12℃温变条件下约240 ps的探测时延漂移,使时间比对天级稳定度提高了5-10倍,提升了激光时间测量系统的时间性能。针对激光时频传递中的星地两端探测器接收信号光子数的不稳定性带来的探测时延改变,提出了基于光纤分束的低时间抖动探测技术,使得在难以精确控制入射光子数的情况下,探测系统可实现自平衡的单光子分配和探测,保持时延稳定的单光子测量状态,使得多个光子入射时的探测精度由32ps降至17ps,时延变化由13ps降至＜5ps,从测量精度和稳定度方面都得以提升;针对空间站轨道特性及高稳定度时间比对测量要求,开展了大视场、均一化的光学系统设计研究,创新性提出了采用聚四氟乙烯散射片的非成像系统,使得128°的入射光线可通过窄带滤光片实现光谱滤波,保证了在大视场接收情况下单光子激光信号的高信噪比探测;针对空间站星地距离快速变化引起的光子数变化和时间游动问题,设计了分区域匀化衰减板,使载荷探测光子数变化从20倍降低到4倍以内,有效降低了时间游动延时漂移;开展了对空间站激光时频传递载荷的设计和研制工作。通过高幅值的温控稳压和雪崩电压微调电路,提高探测器的精度,降低探测温漂;采用高精度时间测量芯片和通道校准实现高精度低漂移的事件计时;通过设计小尺寸四棱台反射器设计,提高反射器测距精度降低误差;通过对载荷的最终测试表明,载荷达到的激光测量精度优于30 ps,时间测量稳定度达到约0.09 ps@300 s和0.6 ps@1day,满足空间站对激光时频传递系统的设计要求。本文上述研究工作的开展,在降低激光时频传递系统的时延漂移、降低探测时间游动效应、提高系统稳定性等方面将起到重要作用。本论文所开展的研究和设计内容,已应用于空间站激光时频传递载荷和链路地面系统的研制。根据在实验室的测量试验,目前所研制载荷指标已满足空间站高精度时频实验系统对激光测量的要求,性能指标达到国际先进水平。
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