卫星激光测距(Satellite Laser Ranging, SLR)的原理是通过精确测定激光脉冲在地面观测站与卫星之间的往返时间间隔t，从而算出地面观测站到卫星的距离r^[1-2]。所谓“一发多收”是指一台望远镜发射激光，多台望远镜同时接收激光回波光子的技术。

云南天文台于1998年在1.2 m地平式望远镜建立了高指向精度、收/发共光路的卫星精密激光测距系统，并于同年正式参加国内和国际激光测距联测，测距频率为1~10 Hz，单次测距精度优于3 cm。在中国大陆构造环境监测网络的支持下，2010年在1.2 m望远镜上成功实现了千赫兹激光测距系统^[3]，并进入常规观测。同年建立了10 Hz漫反射激光测距系统^[4]，并于2010年6月7日对几个火箭残骸进行了漫反射激光测距试验，首次收到空间碎片的测距回波。

因经空间目标反射的激光对地面测站存在发散角，使得激光脉冲返回至地面时分布在一定的区域内，百米至千米(带后向反射器)甚至百千米或更远(漫反射)^[5]，因此，激光测距时，在此分布区域内的接收望远镜都能接收到回波光子，显然，可起到提高回波光子探测概率的作用。基于1.2 m望远镜激光测距系统和最新建成的53 cm双筒望远镜激光测距系统，研制和实现了一发两收激光测距系统，对系统的实现原理和方法进行了详细阐述。

1 系统设计

2011年开始，经过3年的时间，在距1.2 m望远镜约30 m的地方建成了53 cm双筒望远镜，如图 1。至2016年5月初，在双筒望远镜建立了完整的激光测距系统。为开展一发多收激光测距技术提供了有利的平台。

1.1 收发光路 1.1.1 1.2 m望远镜

图 2为1.2 m望远镜共光路激光测距收/发光路图。测距时，激光器输出的激光通过1级扩束系统后，经M₄-M₉ 6面反射镜依次反射至望远镜副镜，再经望远镜主副镜完成2级扩束后飞向空间目标，被空间目标反射回地面测站的少部分光子信号原路返回至反射镜M₅后直接传输至分光镜M₃，然后被其反射至缩束系统后进入单光子探测器(图 2中的C-SPAD)。

1.1.2 53 cm双筒望远镜

图 3为53 cm双筒望远镜分光路激光测距收/发光路图。测距时，激光器输出的激光通过1级扩束系统后，经E镜、D镜、C镜、B镜以及A镜等5面反射镜依次反射至望远镜副镜，再经望远镜主副镜完成2级扩束后飞向空间目标，被空间目标反射回地面测站的少部分光子信号进入53 cm双筒望远镜的接收主副镜，然后被其反射至分光镜、反射镜以及缩束系统后进入单光子探测器(图 3中的C-SPAD)。

1.2 计算机控制系统

激光测距计算机控制系统主要包含望远镜、激光器(Laser)、单光子探测器(C-SPAD)和事件计时器(Event Timer, ET)等设备。基于1.2 m望远镜共光路激光测距系统与53 cm双筒望远镜分光路激光测距系统，分别使用两系统如表 1的激光器时，可以实现两种方式的一发两收激光测距。

1.2.1 1.2 m望远镜发射激光

1.2 m望远镜发射激光的一发两收激光测距控制系统如图 4，图中加背景颜色的单元属于新建的53 cm双筒望远镜激光测距系统。两台望远镜根据目标轨道预报数据进行空间目标同步跟踪，激光测距时，由旋转快门产生同步信号，控制计算机在同步信号上升沿产生激光发射指令信号给激光器发射激光，PIN主波探测器将探测到每次发射的激光信号并输出主波脉冲送事件计时器和测距控制计算机(图 4中红色的虚线是将1.2 m望远镜测距主波信号传输至53 cm双筒望远镜测距系统的同轴电缆线)。一旦接收到主波信号，控制计算机就根据观测目标轨道距离预报信息计算回波到达时刻送距离门发生器，由它在回波快到达时刻送门控信号给C-SPAD单光子探测器，探测器输出回波信号送事件计时器以记录回波时刻，控制计算机采集事件计时器测量数据并进行信号实时识别与显示。

1.2.2 53 cm双筒望远镜发射激光

53 cm双筒望远镜发射激光的一发两收激光测距控制系统如图 5，图中加背景颜色的单元属于新建的53 cm双筒望远镜激光测距系统。同样，望远镜按轨道预报完成空间目标的同步跟踪，激光测距时，激光器按内系统触发方式出光，PIN主波探测器将探测到每次发射的激光信号并输出主波脉冲送事件计时器和测距控制计算机(图中红色的虚线是将53 cm双筒望远镜测距主波信号传输至1.2 m望远镜测距系统的同轴电缆线)。一旦接收到主波信号，控制计算机就根据观测目标轨道距离预报信息计算回波到达时刻送距离门发生器，由它在回波快到达时刻送门控信号给C-SPAD单光子探测器，C-SPAD探测到回波信号后送事件计时器记录回波时刻，控制计算机采集事件计时器测量数据并进行信号实时识别与显示。

2 观测试验

2016年4~5月，进行了一发两收激光测距试验，成功获得回波信号。图 6为1.2 m望远镜激光测距系统发射激光对ajisai卫星进行一发两收测距时的测距控制界面截图，图 6(a)为1.2 m望远镜接收到的回波情况，图 6(b)为53 cm双筒望远镜接收到的回波情况。

图 7为53 cm双筒望远镜激光测距系统发射激光对高轨卫星进行一发两收测距时的测距控制界面截图，图 7(a)为1.2 m望远镜接收到的回波情况(测距卫星为3.6万千米的compassi3)，图 7(b)为53 cm双筒望远镜接收到的回波情况(测距卫星为大约2万千米的galileo201)。

3 结论

观测结果表明，千赫兹一发多收激光测距控制系统能有效地对空间目标进行测距。由1.2 m望远镜发射激光时的一发两收测距结果显示(图 6)，1.2 m望远镜的系统效率明显低于53 cm望远镜，需要重新镀膜以提高光学效率。用53 cm双筒望远镜发射激光时，一发两收测距结果显示(图 7)，1.2 m望远镜在系统接收效率较低的情况下依然能收到3.6万千米激光卫星的回波信号。事实上，基于该激光器已经成功获得1 000千米以内的碎片测距数据(一发一收，即53 cm双筒望远镜发射激光，1.2 m望远镜接收回波或53 cm双筒望远镜接收回波)，因此，下一步工作将实现空间碎片的一发两收测距试验。