[摘 要]随着航天技术的发展，获取空间信息的能力已成为现代政治、军事斗争的核心之一。无论是激光通信还是目标监视，激光跟踪是其关键技术之一。但由于大气湍流的影响，传统跟踪技术的精度难以满足跟踪要求。可以实时探测、校正大气湍流动态扰动的自适应光学发展起来后，人们将其与激光跟踪技术相结合发展出激光主动精跟踪技术。
　　[关键词]自适应光学、激光精跟踪、大气湍流
　　中图分类号：S855 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）02-0199-01
　　1.引言
　　自1957年前苏联发射第一颗卫星以来，人类已经往太空发射了几千个航天器。随着航天技术的发展，航天器在世界政治、军事和经济等领域的作用越来越突出。为了应对日趋复杂的国际形势与空间资源竞争环境，空间目标监视成为获取空间信息的重要手段。精密跟踪技术就是其中的一个关键技术。
　　空间目标泛指离地球表面150公里以外空间的所有目标，其总数已超过35，000，000个，分布于空间轨道的各个角落。美国航天局在《2020航天远景规划》中指出：空间监视是空间控制的五个目标之一，其主要任务是对重要空间目标进行精确跟踪，实时探测可能对其航天系统安全构成威胁的航天器，并收集这些航天器的任务、尺寸及轨道参数等特性，并对目标进行编目。可见，对空间目标进行精确、实时的跟踪是空间目标监视任务的关键，也是取得制天权先机的先决条件。目前尚不能对所有空间目标进行精确跟踪，美国可对30cm以上的目标进行例行日常跟踪，对10cm-30cm目标可观测但不能进行例行日常跟踪。
　　光学探测在空间目标探测、跟踪中占有重要地位，是空間目标定轨的主要手段。现有光学探测主要是利用光电望远镜来实现。但由于是被动探测，不能跟踪在地球阴影里的目标；而且城市及满月时的辉光、大气污染、云、雾以及一些恶劣天气都会降低光电望远镜的观测能力，甚至造成其不能工作。为了克服被动跟踪的不利因素，激光主动跟踪应运而生。由于激光具有单色性好、方向性强、高亮度等特点，因此激光主动跟踪特别适合远距离目标跟踪。
　　2.大气效应
　　大气是地球的一层气体屏障，从地球表面延伸到数千公里的高空，最后消失在星际物质中。自然状态下大气是由“干洁”大气和微粒组成。大气中的微粒分为水汽凝集物，如雨、雪、雾等，和一种称为气溶胶的悬浮微粒，气溶胶来源众多，如人类活动、植物分泌物、火山喷发等，当它们对大气能见度造成一定影响时我们一般称其为霾。而干洁大气是由常定成分（主要包括氮、氧、惰性气体等，其成分基本不随时间和地点变化且比例固定）和可变成分（如二氧化碳、一氧化碳、臭氧、二氧化硫等，其成分和比例随时间和地点变化较大。
　　大气的不均匀性造成激光传输方向的改变和光程延迟；大气中的气体分子和大气气溶胶粒子、尘埃、雨、雾等会对激光产生散射和吸收作用；大气的随机运动引起的折射率起伏则导致了到达角起伏、光强闪烁、光斑漂移和扩展等湍流效应。这些大气的影响会直接导致激光跟踪精度的降低。自适应光学技术是目前最成功地克服大气湍流影响的技术，因此将自适应光学技术与激光跟踪技术相结合，可大大提高跟踪的精度
　　3.自适应光学
　　光学是一门古老而常青的学科，在人接收到的外部信息中，有超过九成以上的来自眼睛，光对人类的生活、生产、发展等具有重要的意义。在光学的发展过程中，随着一系列的问题的发现、解决，不断形成一些新的光学分支，其中天文观测就是光学工程的重要分支之一。从伽里略改进望远镜并用之来观察天体以来，伴随着着望远镜口径的增大，人类探测天体的能力大大提高。但望远镜发明后不久，人们发现大气的动态扰动对光学探测有很大影响，使大口径望远镜所观察到的星像不断拉动，而且成像光斑的形状不断变化。望远镜的分辨率理论上只受衍射限制，角分辨率与口径的大小成反比。
　　由于大气湍流的影响望远镜无法达到或者接近衍射极限。大气湍流强度一般用大气相干长度来表示，整个大气湍流的相干长度在可见光波段内一般只有十厘米左右，而只有当望远镜口径小于大气相干长度时，大气湍流才对其几乎无影响，因此即使几米甚至更大口径的望远镜，在不加任何校正系统时，其成像的分辨率也不会超过天文爱好者手中口径为十厘米的小型望远镜。天文学家一直致力于找到扰动较小的大气，但即使是地球上最好的观测站，大气湍流仍然是制约成像分辨力的重要因素。
　　二十世纪中叶，美国天文学家巴布科克提出了解决大气湍流实时扰动的自适应光学设想，即对畸变波前进行实时测量，并对其进行实时补偿。基本思想是：在光学成像系统中加入一个可以测量实时波前的传感器和一个表面形状可以改变的反射镜（校正器），用波前传感感器来实时测量畸变波前，然后计算出与理想波前之间的误差，最后通过控制波前校正器来进行实时补偿。如果这一过程能够在波前畸变变化之前足够快地完成，就可以实时补偿大气湍流所造成的波前误差，保持成像光学系统的理想成像能力。这一设想改变了传统光学只追求静态精度的局限，使光学系统具备了能动性，从而解决了困扰光学界一个多世纪的实时扰动问题。一般的自适应光学系统通常包含三部分：波前传感器、波前控制器和波前校正器（高速倾斜镜和变形镜）
　　4.自适应光学应用于激光跟踪中
　　用于激光通信、空间探测、天文观测等领域的光电跟踪系统，需要对静止或动态目标进行大范围、高精度的跟踪。以空间激光通信为例，目前已研究成功的或正在研制的典型通信系统有：欧空局的SILEX星际激光通信系统、日本的ETS-VI星地激光通信系统以及美国的STVR-Ⅱ激光通信系统，这些通信系统都要求跟踪精度小于2μrad，所以跟踪系统都采用了复合轴跟踪系统。
　　复合轴激光跟踪系统使用主动照明方式来进行目标跟踪，其光束收发共用大部分光路，发射系统的主要组成部分是激光器与和接收光束相同的光路，所以这里主要介绍接收系统的组成。接收系统主要包括粗跟踪机构、精跟踪机构、传感器、一些光学中继元件和提前瞄准机构。粗跟踪机构主要由一个两轴或三轴万向架和安装在上面的望远镜、一些中继光学机构、一个捕获探测器、一套万向架角度传感器设备、和万向架伺服驱动电机组成。
　　精跟踪机构的作用是对粗跟踪的残差进行抑制，主要由精跟踪探测单元、一个两轴高速倾斜镜和数字控制组件组成。精跟踪机构的组成与自适应光学基本一致，但只使用了波前校正器中的高速倾斜镜。现在人们正在实验将变形镜加入到精跟踪系统中，以达到更高的跟踪精度。